中國無人機產(chǎn)業(yè)的風(fēng)將來 背后有何深水世界？ - 全文

　　小米正式進軍消費型無人機市場，第一代產(chǎn)品將于明天發(fā)布。消息稱小米無人機將搭載Fellow Me技術(shù)和光流定位技術(shù)，與小米手環(huán)二代配合使用，作為年輕人的第一臺無人機售價3999元。此前，有業(yè)內(nèi)傳聞高通正在與聯(lián)芯、大疆談判，共同合作開發(fā)無人機芯片方案平臺，小米又是高通在中國最重要的合作伙伴之一。大型芯片商、制造商快速入場，2016年中國無人機產(chǎn)業(yè)變局臨近。

　　無人機已成為2016年業(yè)界最火的名詞之一，在航拍、快遞、災(zāi)后搜救、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，無人機已獲得廣泛應(yīng)用，而在警力、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、快遞、測繪、植保、噴灑農(nóng)藥、測繪、巡線等行業(yè)領(lǐng)域，無人機正在發(fā)揮越來越大的作用。預(yù)計2016年無人機市場的消費總額將會翻倍，商用無人機消費市場的增長潛力更大。

　　400中國無人機廠商占據(jù)全球70%市場

　　根據(jù)UBM數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)電力巡線領(lǐng)域潛在需求4000架，輸油管道巡檢領(lǐng)域潛在需求1170架，森林防火領(lǐng)域潛在需求1000架，公共安全、反恐維穩(wěn)潛在需求2856架。僅上述四個民用領(lǐng)域的潛在需求總架數(shù)已經(jīng)接近10000架

　　中國大陸無人機出口增長與預(yù)測

　　在全球無人機行業(yè)中，中國無人機無疑是當(dāng)中的佼佼者。據(jù)UBM最新的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年中國大陸出口無人機89.1萬架，同比增長427.2%。其中大疆創(chuàng)新2014年總營收占全球小型無人機市場份額的70%。

　　在無人機制造領(lǐng)域，國內(nèi)制造商已搶先占領(lǐng)世界市場。目前中國大約有400個無人機制造商，供應(yīng)全球70%的無人機需求市場。

　　2015年全球民用無人機企業(yè)排行榜

　　越來越多的不同領(lǐng)域的廠商開始跨界進入無人機領(lǐng)域

　　除了飛控，無人機還有哪些技術(shù)門檻？

　　據(jù)了解，無人機的核心技術(shù)主要集中在飛控、遙控、圖傳、云臺等技術(shù)方向，這些因素共同決定了無人機系統(tǒng)的飛行穩(wěn)定、安全、航程、圖像穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)。

　　其中飛控技術(shù)是無人機實現(xiàn)自主飛行的核心技術(shù)。飛控系統(tǒng)硬件方面一般包括控制計算機、傳感器、導(dǎo)航設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備構(gòu)成。在以往，無人機飛控系統(tǒng)主要采用開源平臺，如德國MK、美國APM、PX4、MWC等公司都帶頭講自己的無人機飛控系統(tǒng)進行了開源。2014年Linux也參與了無人機開源系統(tǒng)的合作。這種做法大大降低了飛控的技術(shù)門檻，也推動了無人機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

　　但是，為了將自己的產(chǎn)品做出差異化，掌握核心競爭力，越來越多的公司開始在開源平臺上進行二次開發(fā)，自己來做無人機飛控系統(tǒng)。例如加拿大的Micro pilot、美國UAV Flight Systems，零度智控、北京普洛特、大疆、天下圖等。

　　遙控技術(shù)則主要取決于無線通信方式，無人機通信一般采用微波通信，微波是一種無線電波，它傳送的距離一般可達幾十公里。頻段一般是902－928MHZ，常見有MDSEL805，一般都選用可靠的跳頻數(shù)字電臺來實現(xiàn)無線遙控。目前無人機普遍采用2.4G無線通信芯片，由于通信數(shù)據(jù)量不大所以延時極低，主要講究信號的穩(wěn)定性和操作的實時性，一般可靠距離在1KM以內(nèi)。在無人機和地面的通信芯片方面，高通計劃測試4G網(wǎng)絡(luò)，以及正在快速發(fā)展的5G通信技術(shù)在無人機通信上的應(yīng)用。

　　除了無線遙控，無線通信同樣被應(yīng)用到視頻傳輸上。消費級主流的方案使用2.4G WiFi圖傳，傳輸距離在500-800m左右。高清圖傳的傳輸距離更遠、延時性更低和更高分辨率的畫質(zhì)，對視頻的編解碼要求很高。實時圖傳指標(biāo)有三個分別為距離，分辨率及延時程度。大疆采用的OFDM（信道編碼的正交頻分復(fù)用）全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其多載波等技術(shù)特點，抗多徑能力強，具備“非視距”、“繞射”傳輸特點和良好穿透能力，能夠滿足無人機無線通信任務(wù)。據(jù)了解，大疆的OFDM在廣闊沒干擾地區(qū)可以做到5公里圖傳，這個技術(shù)目前大疆獨占。因為這套算法跟硬件都需要一定的技術(shù)積累。分辨率這個現(xiàn)在大家都可以做到720P。而延時程度這個很重要，大疆可以做到幾乎感覺不到圖傳延時，大概0.3秒。

　　新門檻：避障技術(shù)以及計算機視覺

　　隨著無人機產(chǎn)品逐漸的升級換代，壁障、機器視覺、跟隨（Follow Me）等新興應(yīng)用層出不窮。在2016年CES展上，有多家無人機廠商就展示了最新的壁障技術(shù)。

　　目前無人機多用超聲、紅外和視覺等方式結(jié)合進行避障。不同的避障技術(shù)優(yōu)缺點各不相同，針對之前避障方式魯棒性（Robust）差的問題，Aerotenna把微波雷達技術(shù)引入了無人機，并基于此技術(shù)開發(fā)了基于微波雷達技術(shù)的無人機高度計和360度全向避障模塊。

　　對于無人機的安全性來說，會避障將是一個巨大的提升，也會讓應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。避障的實現(xiàn)方式有很多種，除了上述提到的微博雷達技術(shù)外，計算機視覺技術(shù)也可以應(yīng)用于避障。依靠計算機視覺芯片，未來的無人機將具備自動飛行的能力（無需地面操控員利用設(shè)備控制），它們能夠自動躲避高壓線、尋找著陸范圍、自動在異常氣候條件下修正飛行路線。隨著計算機視覺系統(tǒng)不斷完善，未來的無人機將在商品快遞等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大作用。

　　雙目立體視覺（Binocular Stereo Vision）是機器視覺的一種重要形式，零度智控推出的雙目深度算法基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應(yīng)點間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別（視差圖像），使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應(yīng)關(guān)系，將同一空間物理點在不同圖像中的映像點對應(yīng)起來。雙目視覺深度恢復(fù)技術(shù)可以使智能機器人具備對環(huán)境的深度感知能力。

　　基于計算機視覺的無人機還可以完成諸多功能，例如手勢操作、光流及聲吶定位、電子穩(wěn)像等。

　　除此之外，在跟隨功能上，被應(yīng)用到VR設(shè)備HTC Vive的Lighthouse光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)可替代目前機器人追蹤巡航系統(tǒng)。特別是室內(nèi)遠距離精準追蹤?？梢詫崿F(xiàn)在室內(nèi)跟蹤四旋翼無人機，不必再花5萬美金買一套Vicon光學(xué)運動追蹤系統(tǒng)。

　　新需求促使MCU升級處理器

　　傳統(tǒng)的民用無人機并不需要強悍的計算能力，基本的操作都在目視距離之內(nèi)。直到最近幾年，電池動力多軸旋翼與機載攝像裝置的結(jié)合讓新手也可以快速學(xué)會無人機操控，同時也對無人機自身的電子設(shè)備能力提出了很高的要求：飛行器與地面的通訊帶寬要大幅增加以傳輸視頻數(shù)據(jù)；最好擁有障礙探測與規(guī)避能力以彌補操控者經(jīng)驗的不足；無人機要和其他電子設(shè)備很好地協(xié)作，方便操控與實現(xiàn)各類用途，等等。加上上面提到的機器視覺、壁障等功能都需要強大的圖形運算處理能力和高效的深度算法，因此對于無人機的主控平臺提出了越來越高的要求。

　　傳統(tǒng)的單片機（MCU）已經(jīng)無法再滿足無人機的需求，而處理器廠商正在對無人機領(lǐng)域虎視眈眈。由于無人機的機體通常不會很快損壞，使用年限較長；但核心電子器件的換代會很迅速，每隔一兩年就會有更新、更強的芯片面世，提升無人機的綜合能力。為無人機更換處理模塊將像為PC升級組件一樣平常，這就意味著巨大的商機。此外無人機控制系統(tǒng)需要用到應(yīng)用處理器，這和手機內(nèi)部的處理器并無本質(zhì)區(qū)別，另外空中飛行的無人機需要和地面控制人員和設(shè)備進行通信，也將給通信芯片廠商帶來巨大的商機。

　　一架售價一千美元的無人機安裝的處理模塊可能賣到三百美元，相當(dāng)于一顆PC CPU的售價。未來價值數(shù)百億美元的無人機產(chǎn)業(yè)中，芯片企業(yè)足可以分得一百億美元甚至更多的蛋糕。此外由于無人機的很多技術(shù)與無人駕駛汽車相通，為前者研發(fā)的芯片技術(shù)很容易成為后者的積淀。如果能在無人機芯片領(lǐng)域獲得領(lǐng)先優(yōu)勢，進而就可以在更重要的自動駕駛汽車產(chǎn)業(yè)成為關(guān)鍵角色。

　　也因此包括高通、英特爾在內(nèi)的SOC公司正在采用了比微控制器（MCU）更為強大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。這些芯片巨頭的加入證明芯片技術(shù)在未來無人機發(fā)展中的重要性不可忽視，芯片也成為了未來無人機產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心組件。和智能手機時代一樣，無人機制造商也希望高通、英特爾這些芯片制造商，能夠提供完整的芯片解決方案。將來用戶在選購無人機時也要在意其使用了什么等級的CPU，乃至在專用測試程序中的成績；也許“不服跑個分”的適用范圍又要擴大了。

　　主流的無人機SOC介紹

　　在CES2016上，高通子公司Qualcomm Technologies、騰訊和零度智控發(fā)布并展示了一款基于高通驍龍Flight平臺的商用無人機YING，將于2016年上半年在全球上市。

　　驍龍Flight是一塊高度優(yōu)化的58x40mm開發(fā)板，專門針對消費級無人機和機器人應(yīng)用而設(shè)計。驍龍Flight包含一顆驍龍801 SoC（由四顆主頻為2.26GHz的核心組成），支持GPS、4K視頻拍攝、強勁的連接性以及先進的無人機軟件和開發(fā)工具，雙通道Wi-Fi和藍牙模塊，支持實時飛行控制系統(tǒng)，擁有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器，支持4K視頻處理，支持快速充電技術(shù)，而這一切全被整合在一張名片大小的主板上。帶來了最前沿的移動技術(shù)以打造全新級別的消費級無人機。據(jù)了解，這款芯片可把4K無人機的平均價格從約合人民幣7791元拉低至約合人民幣1948-2597元，續(xù)航從20分鐘延長到45-60分鐘。另外，高通還設(shè)立了內(nèi)部實驗室，研發(fā)無人機可以使用的計算機視覺芯片。

　　2016年，采用高通芯片平臺的無人機可能會越來越多，這種一體化的芯片平臺，也會大大加快無人機的研發(fā)和制造。據(jù)報道，高通已經(jīng)推出了這樣的芯片配套方案，名為“驍龍飛行平臺”，整合了無人機飛行和工作需要用到的處理器、通信芯片、飛行控制芯片以及高空攝像芯片。這一平臺甚至可以支持超高清視頻的拍攝。

　　除了高通，在CES2016上，英特爾展示了采用英特爾實感技術(shù)的Yuneec TyphoonH，內(nèi)置了高達6個英特爾的“RealSense”3D攝像頭，采用了四核的英特爾凌動（Atom）處理器的PCI-express定制卡，來處理距離遠近與傳感器的實時信息，以及如何避免近距離的障礙物。至于遠距離的3D攝像頭，Intel使用“主動立體成像原理”，它模仿了人眼的“視差”原理，通過打出一束紅外光，以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置，然后用三角定位原理來計算出3D圖像中的“深度”信息。

　　三星在無人機產(chǎn)品線上推出了Artik5芯片，搭載1GHzARM雙核ARMCortex-A7處理器（Mali400 MP2 GPU），搭配的是512MB LPDDR3內(nèi)存以及4G eMMc閃存。支持Wi-Fi、低功耗藍牙，支持802.11b/g/n。此外，該芯片還能對解碼H.264等格式720p30fps的視頻進行解碼，并提供了TrustZone。

　　值得一提的是國產(chǎn)芯片聯(lián)芯LC1860，目前已經(jīng)被包括大疆精靈4、零度智控1代采用。LC1860支持LTE-TDD/LTE-FDD/TD-SCDMA/WCDMA/GGE五模，集成4+1個CortexA71.5GHzCPU、雙核GPUMaliT628、Trustzone安全架構(gòu)等特寫。LC1860于2014年第三季度正式上市，是國內(nèi)首顆面向公開市場商用的28nm4GSoC芯片。發(fā)布短短一年時間，出貨量就已經(jīng)超過千萬，產(chǎn)品穩(wěn)定性經(jīng)過了市場檢驗。這個平臺最大的優(yōu)勢是SDR軟件無線電，可以自定義和修改無線電頻段。采用SDR自定義無線電頻段，可以獲得比主流的2.4G WIFI更遠的傳輸距離。

　　在剛剛結(jié)束的2016年香港春季電子展上，rockchip也首次推出了高清無人航拍一體機解決方案。這個方案采用RK3288芯片，其特點是沒有搭載云臺，而通過超強防抖高清航拍穩(wěn)像技術(shù)實現(xiàn)圖像穩(wěn)定?；?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/陀螺儀/" target="_blank">陀螺儀角度及位移校正并采用優(yōu)化的運動矢量估計與提取算法，提升相機影像清晰度，可一定程度取代傳統(tǒng)機械云臺?？蓪崿F(xiàn)13M的Camera數(shù)據(jù)采集，輸出1080P？30fps本地高清以及480P？30fps的遠程傳輸雙通道穩(wěn)像碼流。RK3288芯片主打超強防抖穩(wěn)像技術(shù)與高速圖像處理能力，在航拍算法防抖技術(shù)上進行極致設(shè)計從而提升航拍影像表現(xiàn)力并且縮小無人機體積，更適合個人便攜應(yīng)用。

　　此外，MTK在最近舉行的CITE2016展上，也展示了基于Linkit smart7688平臺的無人機方案。不過MTK工作人員表示，目前沒有專門針對無人機市場增設(shè)產(chǎn)品線的打算。

　　集成化“交鑰匙”將主導(dǎo)無人機行業(yè)

　　由于目前國內(nèi)的無人機廠商魚龍混雜，不少廠商在硬件平臺搭建上實力是有所欠缺的。之所以大部分采用單品機+圖傳、視覺模塊的方式，是因為Cortex-A甚至X86處理器開發(fā)難度大。

　　然而當(dāng)高通、Intel這種芯片巨頭推出snapdragon flight這種集成度高而且計算能力非常強的平臺之后，游戲規(guī)則就會悄然發(fā)生改變。首先，硬件研發(fā)和制造成本轉(zhuǎn)移到了平臺的采購成本，只要硬件平臺的價格沒有高到離譜，總還是值得的。此外，當(dāng)這些小無人機忽然間擁有（相對于STM32等處理器）強大很多倍的計算能力之后，很多曾經(jīng)需要特殊設(shè)備才能完成的計算（如視頻編碼壓縮，目標(biāo)識別，視覺定位等等）在這一個平臺上就可以完成。

　　此外，除了高通之外，MEMS傳感器廠商如ST、ADI等廠商也在考慮推出他們的硬件平臺，到時候可能會將高性能CPU、慣性傳感器、基帶和射頻芯片、電源管理芯片等等集成到一塊電路板上，到時候無人機的開發(fā)門檻將進一步更低。

　　這些MEMS傳感器主要用來實現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)控制和輔助導(dǎo)航。飛行器之所以能懸停，可以做航拍，是因為MEMS傳感器可以檢測飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機向相反的方向轉(zhuǎn)動，進而達到穩(wěn)定的效果。這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　至于用MEMS傳感器測量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴加速度計，也不能單純依賴陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。這就需要加速度計來校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。由于沒有積分誤差，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態(tài)下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補濾波，結(jié)合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。

　　ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標(biāo)尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，馬達就會誤動作，最后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩(wěn)。

　　除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉(zhuǎn)彎，可能會造成輸入轉(zhuǎn)速超過陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應(yīng)該是飽和輸出，待轉(zhuǎn)速恢復(fù)到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應(yīng)實時的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過量程，陀螺便會產(chǎn)生震蕩輸出，給出完全錯誤的角速度。還有某些情況下，飛行器會受到較大的加速度沖擊，理想情況陀螺儀要盡量抑制這種沖擊，ADI的陀螺儀在設(shè)計的時候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結(jié)構(gòu)，采用差分輸出的原理來抑制這種“共?！钡臎_擊，準確測量“差?！钡慕撬俣茸兓?。但某些陀螺儀在這種情況下會產(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。

　　“未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會向集成化方向發(fā)展，比如3軸加速度加上3軸陀螺儀的集成產(chǎn)品，甚至是SOC，把處理器也集成進去，直接提供角度輸出供后端處理器調(diào)用。由于飛行器的應(yīng)用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫范圍內(nèi)的溫度補償，而在出廠前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內(nèi)的溫補，或者是設(shè)計超級低溫漂的傳感器，都會是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。當(dāng)然可靠性依然是最重要的指標(biāo)?！彼J為。

　　隨著無人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來越多地被用到無人機上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來開發(fā)出可自動避撞的無人機，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無人機則可以實現(xiàn)一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內(nèi)置了GPS功能的無人機，可以在軟件中設(shè)置接近機場或航空限制的敏感地點，不讓飛機起飛。