动力技(jì)术
①新型(xíng)电池。2015年,来(lái)自加拿大蒙特利尔的EnergyOr技术有限公司采用燃料电池的四旋翼进(jìn)行了2小时12分钟续(xù)航(háng)飞行。2015年4月6日,科学权威期刊《自(zì)然》网络(luò)版刊登了一(yī)篇报道,一种铝电池仅需60秒便能让手机电力“满血复活”。此外,石(shí)墨烯、铝空气、纳米点这(zhè)三项电(diàn)池技术(shù)将成为未来电池世界(jiè)的三大奇兵。这些(xiē)新的电池技术有着十分迫切(qiē)的需求,首先(xiān)会被应用到(dào)手(shǒu)机和电(diàn)动汽车,随后可配备多(duō)旋(xuán)翼。
②混合动力。2015年,美国初创公司Top Flight Technologies开发出混(hún)合动力六(liù)旋翼无(wú)人机。它仅需(xū)要1加仑(约合3.78升)汽(qì)油便可以飞行(háng)两(liǎng)个半小(xiǎo)时(shí)(可飞行约160公里),最高负重达20磅(约合9公(gōng)斤)。
③地面供电。它采(cǎi)用(yòng)地面供电,通过电缆将(jiāng)电能源源不断输送给多旋翼,例(lì)如Skysapience公司(sī)的Hoverlite。
④无线充电。来自德国柏林(lín)的(de)初(chū)创公司 SkySense在无人机户外充(chōng)电方面提供了一种解决方案,他们研发出一块(kuài)可以(yǐ)为无人机进行(háng)无(wú)线充电的平板。SkySense的最大特(tè)点是可以进行远程控制(zhì),无人(rén)机的“降落—充电—起飞”全(quán)过程可以独立实现,不(bú)需要人为进行现场干预(yù)和(hé)辅助。如果能够缩短(duǎn)充电时间,那么(me)无线充电(diàn)技术(shù)将会极大(dà)地帮助多旋翼进行长(zhǎng)途飞行。
导航技术
定位是导航中的关键技术,目前该领域发展(zhǎn)迅速。
①GPS载波相(xiàng)位定位。来自美国的Swift Navigation公司基于该项技术开(kāi)发的Piksi是一(yī)个低耗电、高性能的(de)具备RTK功(gōng)能的厘米(mǐ)级的GPS接收器。它的小型化、高更新率和低能耗(hào)的特点(diǎn)使得它非(fēi)常适合(hé)集成到自动驾驶飞行器(qì)和(hé)便携的(de)测量设(shè)备里。由日本东京海洋大(dà)学(xué)开发的RTKLIB开(kāi)源项目(http://www.rtklib.com/)也(yě)在积极推动RTK技术发展。
②多信息源定位。英国军方BAE最近(jìn)公布了他们研发(fā)的(de)名为NAVSOP(Navigation via Signals of Opportunity)技(jì)术(shù)。该技术(shù)将(jiāng)利用包括TV、收音机、WiFi等信息进行定位,弥补GPS 的不足(zú)。
③UWB (Ultra Wideband,超(chāo)宽带)无线定位。UWB信号具(jù)有低成本(běn)、抗多(duō)径干扰、穿透能力(lì)强的优势,因此适用于(yú)静止或(huò)者移(yí)动(dòng)物体以及人的定(dìng)位(wèi)跟踪,提供十分精确的(de)定位精度,静态精度可达(dá)10厘(lí)米。通过与惯性导航传感器融合,UWB可以提供更高的精度、更强的鲁棒性。
对于(yú)多旋(xuán)翼无人机,在飞行过程中,快速且准确地获取自身速度能有(yǒu)效地提高多旋翼控制的稳定性(提高(gāo)阻尼(ní)),从而达到(dào)更好的悬(xuán)停和操(cāo)控效果,因此(cǐ)测速工(gōng)作起到了(le)十分重要的(de)作用。比较精确的测速方案是通过“视觉(jiào)(光流)+超声波+惯导”的融合。Ar.Drone是(shì)最早采用该项技术(shù)的(de)多(duō)旋翼飞行器,它极大地提升了飞行器(qì)的可操控性。PX4自驾仪开源项目提供了开源的光流传感器PX4Flow。该传感器可以帮助多旋(xuán)翼在无GPS情况(kuàng)下实现精确悬(xuán)停。
为了使多旋翼完成更好(hǎo)的飞行,避障技术无疑能够为其提供更加稳定的导(dǎo)航性(xìng)能。
①深度相机避障技(jì)术。它(tā)的(de)原理是先对场景投影结构光(guāng),然后分(fèn)析(xī)红外传感器接(jiē)收的反光得到深度(dù)信息。微软在2010年推出了深(shēn)度相(xiàng)机Kinect。然而Kinect体(tǐ)积还是较大,并且在两米之外(wài)才能准确地识别用户手势。2014年,芯(xīn)片厂商英特尔推出RealSense传感(gǎn)器,体(tǐ)积更小(xiǎo),使用距离更短。在(zài)2015年CES美国消费电子展上,英特尔把RealSense技(jì)术也(yě)应用(yòng)到了(le)无人机(jī)上,以用于感知(zhī)周围环境,进而自主避障。
②声呐系统避障技术。Panoptes公司拟(nǐ)推(tuī)出Bumper4避障系统(tǒng)。它(tā)由指向多个方向的超声(shēng)波(bō)传感器组成,通过测量多个方向(xiàng)的距离来判断障碍。
③“视觉+忆阻器”避障技术。美国 “Bio Inspired”公司期(qī)望利用视觉和忆阻器(qì)(具有短期记忆效(xiào)果的(de)电阻器)使系统具备识别和短期(qī)记忆功能,从而(ér)使(shǐ)无人(rén)机(jī)拥有避障的能力。
④双目视觉避障技术。美(měi)国的Skydio公司采(cǎi)用两个普(pǔ)通的(de)摄像头充当无人机的“眼睛(jīng)”并(bìng)研(yán)发出(chū)识别障碍软件,从而使多旋翼无人机能够具(jù)备识(shí)别障碍的能力,进而(ér)实现自我导(dǎo)航。
⑤微小型雷达。Echodyne公司(sī)利用(yòng)一台四轴无人机展示了它的小型电子扫描(miáo)雷达。它可追踪地面上的(de)某个人,或是在(zài)飞行中躲避障碍物,不过目前它仍然处于原(yuán)型阶段。他们(men)试图将这款(kuǎn)雷(léi)达(dá)的尺寸缩小到(dào)只有一台iphoness6 Plus大小,且重量不超过1磅。
无人机(jī)通常利用被跟踪者身上(shàng)放置的GPS装置进行定位和跟踪。这种方式会在某种程度上影响用户(hù)体验。除此之(zhī)外(wài),在没有GPS信号的情(qíng)况下,该方式(shì)就会失效。而且,对(duì)于(yú)非自愿携带GPS设备的用户(hù),该方式也是行(háng)不通的。
新的技术完全可以从视觉和雷达角度出发。视觉跟(gēn)踪技术方面,3D Robotics公司推(tuī)出开源飞控应用Tower,它能(néng)够使飞行器跟随用户,并将用户保(bǎo)持在摄像头中心。OpenCV开源软(ruǎn)件也(yě)同样有很多(duō)跟踪算法供飞行器开发。此(cǐ)外,采用(yòng)小型电子扫描雷达也能够实(shí)现新式的(de)跟踪(zōng)模(mó)式。
交互技术(shù)
①手势(shì)控制(zhì)技术。在CES 2014的展场上,工作(zuò)人员演示了利用MYO手势控制臂带来控制AR.Drone 2.0四旋(xuán)翼(yì)。用户只要将臂带戴(dài)在(zài)其中一只(zhī)手(shǒu)上(shàng),并(bìng)以两只(zhī)手指击响便可启动并控制该飞行器。智能手(shǒu)机、手环、手(shǒu)表、戒指等内置惯(guàn)性(xìng)传感器(qì)的设(shè)备也可以识别操(cāo)作者的手势,用于控制多旋翼。
②脑机接口。它(tā)是指在人脑与(yǔ)计算机等外部设备之间建立直(zhí)接(jiē)的连接通路。通(tōng)过对于脑(nǎo)电信息的分析(xī)解读,将其进一步转(zhuǎn)化为相(xiàng)应的动作(zuò),就像是(shì)在用“意念”操控物体。多(duō)家(jiā)机(jī)构对该技术也(yě)展开了研究。布朗(lǎng)大学与(yǔ)犹他州Blackrock Microsystems公司的研究员将此(cǐ)无线装置(zhì)商业化,他们将其粘(zhān)附在人类头骨上,并通过无线电发送由人脑植入设备(bèi)收集的意识命令;Emotiv公司的(de)EPOC可以检(jiǎn)测8种行为现象,识别出7种表(biǎo)情,从而使残障人士具备控制飞行器的能力;浙江大学CCNT实验(yàn)室(shì)的研究人员演示了FlyingBuddy2系统(tǒng)—即用大(dà)脑控制四旋翼无(wú)人飞行器;葡萄牙里斯本的无人机公司(sī)Tekever推出了一(yī)种依(yī)靠脑电波操控(kòng)的无人飞机。
通信(xìn)技术
该项(xiàng)技术有助于信息共享,适用于交通管理或自身监控等,比如将(jiāng)数据备份到云端进行云计算等。
①4G/5G通(tōng)信技术。2013年6月17日,北京4G联盟联合无人机联盟组织召开了4G联盟与无人(rén)机联(lián)盟(méng)交流(liú)研(yán)讨会,旨在加强北京4G联(lián)盟和(hé)无人机联盟之间技术交流,寻找无人机机载载荷与4G设备仪器的聚焦,促进北京市信(xìn)息产业发展(zhǎn)。2015年,中国移动开发4G“超(chāo)级空(kōng)战队”设备,能支(zhī)持航(háng)拍影像即拍即传。
②WiFi通信技术。2013年,德(dé)国的卡(kǎ)尔斯鲁厄(è)理工学院开(kāi)发出(chū)了一(yī)项新的无线广域网(wǎng)技(jì)术(shù),打(dǎ)破(pò)了最快的WiFi网络速(sù)度纪录(lù),它可以让1公(gōng)里以外的用户每秒钟下载40GB大小的数(shù)据。由(yóu)于(yú)这种设备(bèi)的传输(shū)距离比(bǐ)普通WiFi路由器的覆盖范围要(yào)广得多,因此这种设备(bèi)很适(shì)合(hé)无人机航拍(pāi)图(tú)传或光纤布放(fàng)不方便的农村(cūn)地区应用(yòng)。
芯片技术(shù)
①在2015年CES上,高通和英特尔(ěr)展示了功能更(gèng)为(wéi)丰富的多(duō)轴飞行器。例如(rú),高通在CES上(shàng)展示的Snapdragon Cargo无(wú)人机是基于高通Snapdragon芯片开发出(chū)来的飞行控制器。它具备无线(xiàn)通信、传(chuán)感器(qì)集成和空间(jiān)定位等功能。英特尔CEO Brian Krzanich也亲自在CES上演(yǎn)示了他们的无人(rén)机,采用(yòng)了四核(hé)的(de)英特尔凌动(Atom)处(chù)理器(qì)的PCI-express定制(zhì)卡。此外,活跃在机(jī)器(qì)人市场的欧(ōu)洲处理器(qì)厂商XMOS也(yě)表示(shì)已经进入(rù)无人机领(lǐng)域。
②3D Robotics发(fā)表(biǎo)声明与英特尔共同合作开发Edison芯(xīn)片(piàn),这是一种新型微型处理芯片。虽然它只(zhī)有一个硬(yìng)币的大小,却具有(yǒu)个人电脑一(yī)样的处理能力。
③目前,包括(kuò)IBM在内(nèi)的多家(jiā)科(kē)技公司(sī)都在模拟大脑,开(kāi)发神经(jīng)元(yuán)芯片。而一旦(dàn)“神经形(xíng)态”芯片(piàn)被应用于无人机,自主反应、自动识别将会变得轻而易举。
④未来飞行器(qì)上的(de)MEMS产品会向集成化方向发展,例如三(sān)轴加(jiā)速度与三轴陀螺仪结合而(ér)成的(de)集(jí)成产(chǎn)品。手机芯片公司(sī)推出无线多(duō)合一芯片(piàn)后,又(yòu)推出了手机市场(chǎng)的定(dìng)位与(yǔ)导航芯片。新一代定位芯片,将满足可穿戴与无人机等差异化需求(qiú)。不仅(jǐn)如此,新(xīn)芯片内部(bù)还会直接集成控(kòng)制算法。
⑤为了让机器人应(yīng)用能够更好地感知环境,高(gāo)通研究院正(zhèng)在(zài)开发一款机器视觉研(yán)究软(ruǎn)件开发工具包(SDK),其中(zhōng)包含至关重要的计算机视觉技术,比如:视觉惯性(xìng)测程、视觉同步(bù)定位和绘(huì)图(tú)立体相机景深。对于可穿戴设备和无人(rén)机(jī)等新兴领域的定位需求,他们需要更准确、更小(xiǎo)尺(chǐ)寸或是更快速的定位,甚至室内导航功能,同时这(zhè)些领域的需求并不要求集成其(qí)他(tā)无线功能,这给传统的(de)定位芯片(piàn)厂家又带来了(le)新(xīn)的商机。
平台技术
①“Dronecode”无人机开源系统(tǒng)。2014年10月,著(zhe)名(míng)计(jì)算机开源系统(tǒng)公(gōng)司Linux推出了名为(wéi)“Dronecode”的无人机开源系统(tǒng)合作项目,将3D Robotics、英特尔、高通、百度等科技巨头纳入(rù)项目组,旨在(zài)为无人机开发者提供(gòng)所(suǒ)需(xū)要的资源(yuán)、工具和技术支(zhī)持,加快无人(rén)机和(hé)机器人领域的(de)发展。
②Ubuntu 15.04操作系统。Ubuntu 15.04的物联网版本是Ubuntu目前最小且最安全的(de)版本,它(tā)十分精(jīng)简(jiǎn),适合开发者、科技专业(yè)人(rén)士使用,能够在无(wú)人机等(děng)领(lǐng)域中使(shǐ)用(yòng)。
③Airware企业级无(wú)人(rén)机系统。Airware公司旨在通过标准(zhǔn)化(huà)的(de)无人机软件系统,帮(bāng)助企业迅速、高效地完(wán)成商用无人飞行器的部署及管理。该系统已于2015年4月16日正式发布,通过硬件与软件的结合,Airware成(chéng)功地实现了在单个软(ruǎn)件平(píng)台(tái)上统一管理(lǐ)多个不同型号(hào)、不同品(pǐn)牌无人(rén)机的目标(biāo)。目前(qián),Airware产品已获得两家合作伙伴的采纳(nà),分别为通用电气(也同(tóng)时是Airware的投资者(zhě))和Infinigy。
④一家(jiā)名(míng)为Percepto的创业(yè)团队(duì)在Indiegogo上(shàng)发起了一个(gè)同名开源项目,它是(shì)一个可以安(ān)装在现有无人机之上的计算机视觉组件,目标(biāo)是搭建一个集硬件、驱动、算法(fǎ)、安全、机身控(kòng)制(zhì)于一体的平台,让更多的开发者在(zài)此平台上(shàng)为无人机开发应用。
空管技术
①2014年,Airware计划在NASA加州基地(dì)针(zhēn)对不同(tóng)类(lèi)型的无人(rén)机(四旋翼、直升机、固定翼飞机)展开一系列的(de)飞行和实验(yàn)室测试,最快可能会在今年开始该项目。测试第一阶段(duàn)的目标是理解不同的飞行器对空管系统的响应方式。
②初创公司Skyward正在(zài)研发(fā)无人机交通(tōng)控制(zhì)系统,这套系统使数千无人机在城市上空飞行而不会互(hù)相碰(pèng)撞。Skyward正在跟(gēn)FAA和全球三大无人(rén)机制造商(大(dà)疆、3D Robotics、Parrot)合(hé)作以证明大(dà)量的无人机可以在(zài)拥(yōng)挤(jǐ)空域安全地共存。
③NASA同空间技术公司Exelis已经联(lián)手组成团队开发无人机空中交通管制系(xì)统的原(yuán)型产品。
在多旋(xuán)翼的潜(qián)在新技术发展进程中(zhōng),各个技术是(shì)相互(hù)耦合依存(cún)的,比(bǐ)如(rú)芯片、传感器和算法等等。这些技术将构成无人机(jī)(多(duō)旋翼)的生态环境, 这种情(qíng)况下无人(rén)机(多旋翼)的(de)发展可(kě)能(néng)被其中某(mǒu)项技(jì)术的发展(zhǎn)引领,存在着各种可能性,很多是我们目前(qián)无法想象到的。同样,在无人机(多旋翼)发展带动的技术也会(huì)促(cù)进相关行业技术(shù)的发展,解决各种实际(jì)问题。

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