小米正式進(jìn)軍消費型無(wú)人機市場(chǎng)，第一代產(chǎn)品將于明天發(fā)布。消息稱(chēng)小米無(wú)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(wú)人機售價(jià)3999元。此前，有業(yè)內傳聞高通正在與聯(lián)芯、大疆談判，共同合作開(kāi)發(fā)無(wú)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(chǎng)，2016年中國無(wú)人機產(chǎn)業(yè)變局臨近。
無(wú)人機已成為2016年業(yè)界最火的名詞之一，在航拍、快遞、災后搜救、數據采集等領(lǐng)域，無(wú)人機已獲得廣泛應用，而在警力、城市管理、農業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、快遞、測繪、植保、噴灑農藥、測繪、巡線(xiàn)等行業(yè)領(lǐng)域，無(wú)人機正在發(fā)揮越來(lái)越大的作用。預計2016年無(wú)人機市場(chǎng)的消費總額將會(huì )翻倍，商用無(wú)人機消費市場(chǎng)的增長(cháng)潛力更大。
400中國無(wú)人機廠(chǎng)商占據全球70%市場(chǎng)
根據UBM數據統計，目前國內電力巡線(xiàn)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、反恐維穩潛在需求2856架。僅上述四個(gè)民用領(lǐng)域的潛在需求總架數已經(jīng)接近10000架
圖2：中國大陸無(wú)人機出口增長(cháng)與預測
在全球無(wú)人機行業(yè)中，中國無(wú)人機無(wú)疑是當中的佼佼者。據UBM最新的數據統計，2015年中國大陸出口無(wú)人機89.1萬(wàn)架，同比增長(cháng)427.2%。其中大疆創(chuàng )新2014年總營(yíng)收占全球小型無(wú)人機市場(chǎng)份額的70%。
在無(wú)人機制造領(lǐng)域，國內制造商已搶先占領(lǐng)世界市場(chǎng)。目前中國大約有400個(gè)無(wú)人機制造商，供應全球70%的無(wú)人機需求市場(chǎng)。
圖3：2015年全球民用無(wú)人機企業(yè)排行榜
圖4：越來(lái)越多的不同領(lǐng)域的廠(chǎng)商開(kāi)始跨界進(jìn)入無(wú)人機領(lǐng)域
除了飛控，無(wú)人機還有哪些技術(shù)門(mén)檻？
據了解，無(wú)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(wú)人機系統的飛行穩定、安全、航程、圖像穩定性等技術(shù)指標。
其中飛控技術(shù)是無(wú)人機實(shí)現自主飛行的核心技術(shù)。飛控系統硬件方面一般包括控制計算機、傳感器、導航設備、執行機構等設備構成。在以往，無(wú)人機飛控系統主要采用開(kāi)源平臺，如德國MK、美國APM、PX4、MWC等公司都帶頭講自己的無(wú)人機飛控系統進(jìn)行了開(kāi)源。2014年Linux也參與了無(wú)人機開(kāi)源系統的合作。這種做法大大降低了飛控的技術(shù)門(mén)檻，也推動(dòng)了無(wú)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(lái)越多的公司開(kāi)始在開(kāi)源平臺上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，自己來(lái)做無(wú)人機飛控系統。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(wú)線(xiàn)通信方式，無(wú)人機通信一般采用微波通信，微波是一種無(wú)線(xiàn)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(jiàn)有MDSEL805，一般都選用可靠的跳頻數字電臺來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)遙控。目前無(wú)人機普遍采用2.4G無(wú)線(xiàn)通信芯片，由于通信數據量不大所以延時(shí)極低，主要講究信號的穩定性和操作的實(shí)時(shí)性，一般可靠距離在1KM以?xún)?。在無(wú)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(wú)人機通信上的應用。
除了無(wú)線(xiàn)遙控，無(wú)線(xiàn)通信同樣被應用到視頻傳輸上。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(shí)性更低和更高分辨率的畫(huà)質(zhì)，對視頻的編解碼要求很高。實(shí)時(shí)圖傳指標有三個(gè)分別為距離，分辨率及延時(shí)程度。大疆采用的OFDM（信道編碼的正交頻分復用）全數字調制解調技術(shù)，其多載波等技術(shù)特點(diǎn)，抗多徑能力強，具備“非視距”、“繞射”傳輸特點(diǎn)和良好穿透能力，能夠滿(mǎn)足無(wú)人機無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)。據了解，大疆的OFDM在廣闊沒(méi)干擾地區可以做到5公里圖傳，這個(gè)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(gè)現在大家都可以做到720P。而延時(shí)程度這個(gè)很重要，大疆可以做到幾乎感覺(jué)不到圖傳延時(shí)，大概0.3秒。
新門(mén)檻：避障技術(shù)以及計算機視覺(jué)
隨著(zhù)無(wú)人機產(chǎn)品逐漸的升級換代，壁障、機器視覺(jué)、跟隨（Follow Me）等新興應用層出不窮。在2016年CES展上，有多家無(wú)人機廠(chǎng)商就展示了最新的壁障技術(shù)。
目前無(wú)人機多用超聲、紅外和視覺(jué)等方式結合進(jìn)行避障。不同的避障技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，針對之前避障方式魯棒性（Robust）差的問(wèn)題，Aerotenna把微波雷達技術(shù)引入了無(wú)人機，并基于此技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于微波雷達技術(shù)的無(wú)人機高度計和360度全向避障模塊。
對于無(wú)人機的安全性來(lái)說(shuō)，會(huì )避障將是一個(gè)巨大的提升，也會(huì )讓?xiě)妙I(lǐng)域更廣泛。避障的實(shí)現方式有很多種，除了上述提到的微博雷達技術(shù)外，計算機視覺(jué)技術(shù)也可以應用于避障。依靠計算機視覺(jué)芯片，未來(lái)的無(wú)人機將具備自動(dòng)飛行的能力（無(wú)需地面操控員利用設備控制），它們能夠自動(dòng)躲避高壓線(xiàn)、尋找著(zhù)陸范圍、自動(dòng)在異常氣候條件下修正飛行路線(xiàn)。隨著(zhù)計算機視覺(jué)系統不斷完善，未來(lái)的無(wú)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(jué)(Binocular Stereo Vision)是機器視覺(jué)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備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過(guò)計算圖像對應點(diǎn)間的位置偏差，來(lái)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(guān)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，建立特征間的對應關(guān)系，將同一空間物理點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對應起來(lái)。雙目視覺(jué)深度恢復技術(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(jué)的無(wú)人機還可以完成諸多功能，例如手勢操作、光流及聲吶定位、電子穩像等。
除此之外，在跟隨功能上，被應用到VR設備HTC Vive的Lighthouse光學(xué)位置追蹤系統可替代目前機器人追蹤巡航系統。特別是室內遠距離精準追蹤?？梢詫?shí)現在室內跟蹤四旋翼無(wú)人機，不必再花5萬(wàn)美金買(mǎi)一套Vicon光學(xué)運動(dòng)追蹤系統。
新需求促使MCU升級處理器
傳統的民用無(wú)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。直到最近幾年，電池動(dòng)力多軸旋翼與機載攝像裝置的結合讓新手也可以快速學(xué)會(huì )無(wú)人機操控，同時(shí)也對無(wú)人機自身的電子設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據；最好擁有障礙探測與規避能力以彌補操控者經(jīng)驗的不足；無(wú)人機要和其他電子設備很好地協(xié)作，方便操控與實(shí)現各類(lèi)用途，等等。加上上面提到的機器視覺(jué)、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(wú)人機的主控平臺提出了越來(lái)越高的要求。
傳統的單片機（MCU）已經(jīng)無(wú)法再滿(mǎn)足無(wú)人機的需求，而處理器廠(chǎng)商正在對無(wú)人機領(lǐng)域虎視眈眈。由于無(wú)人機的機體通常不會(huì )很快損壞，使用年限較長(cháng)；但核心電子器件的換代會(huì )很迅速，每隔一兩年就會(huì )有更新、更強的芯片面世，提升無(wú)人機的綜合能力。為無(wú)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(zhù)巨大的商機。此外無(wú)人機控制系統需要用到應用處理器，這和手機內部的處理器并無(wú)本質(zhì)區別，另外空中飛行的無(wú)人機需要和地面控制人員和設備進(jìn)行通信，也將給通信芯片廠(chǎng)商帶來(lái)巨大的商機。
一架售價(jià)一千美元的無(wú)人機安裝的處理模塊可能賣(mài)到三百美元，相當于一顆PC CPU的售價(jià)。未來(lái)價(jià)值數百億美元的無(wú)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(wú)人機的很多技術(shù)與無(wú)人駕駛汽車(chē)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(wú)人機芯片領(lǐng)域獲得領(lǐng)先優(yōu)勢，進(jìn)而就可以在更重要的自動(dòng)駕駛汽車(chē)產(chǎn)業(yè)成為關(guān)鍵角色。
也因此包括高通、英特爾在內的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(lái)無(wú)人機發(fā)展中的重要性不可忽視，芯片也成為了未來(lái)無(wú)人機產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心組件。和智能手機時(shí)代一樣，無(wú)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(lái)用戶(hù)在選購無(wú)人機時(shí)也要在意其使用了什么等級的CPU，乃至在專(zhuān)用測試程序中的成績(jì)；也許“不服跑個(gè)分”的適用范圍又要擴大了。
主流的無(wú)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(wú)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(kāi)發(fā)板，專(zhuān)門(mén)針對消費級無(wú)人機和機器人應用而設計。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(jìn)的無(wú)人機軟件和開(kāi)發(fā)工具，雙通道Wi-Fi和藍牙模塊，支持實(shí)時(shí)飛行控制系統，擁有全球導航衛星系統(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(lái)了最前沿的移動(dòng)技術(shù)以打造全新級別的消費級無(wú)人機。據了解，這款芯片可把4K無(wú)人機的平均價(jià)格從約合人民幣7791元拉低至約合人民幣1948-2597元，續航從20分鐘延長(cháng)到45-60分鐘。另外，高通還設立了內部實(shí)驗室，研發(fā)無(wú)人機可以使用的計算機視覺(jué)芯片。
2016年，采用高通芯片平臺的無(wú)人機可能會(huì )越來(lái)越多，這種一體化的芯片平臺，也會(huì )大大加快無(wú)人機的研發(fā)和制造。據報道，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(wú)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(shí)感技術(shù)的Yuneec TyphoonH，內置了高達6個(gè)英特爾的“RealSense”3D攝像頭，采用了四核的英特爾凌動(dòng)（Atom）處理器的PCI-express定制卡，來(lái)處理距離遠近與傳感器的實(shí)時(shí)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(dòng)立體成像原理”，它模仿了人眼的“視差”原理，通過(guò)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(lái)計算出3D圖像中的“深度”信息。
三星在無(wú)人機產(chǎn)品線(xiàn)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(jìn)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(gè)CortexA71.5GHzCPU、雙核GPUMaliT628、Trustzone安全架構等特寫(xiě)。LC1860于2014年第三季度正式上市，是國內首顆面向公開(kāi)市場(chǎng)商用的28nm4GSoC芯片。發(fā)布短短一年時(shí)間，出貨量就已經(jīng)超過(guò)千萬(wàn)，產(chǎn)品穩定性經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)檢驗。這個(gè)平臺最大的優(yōu)勢是SDR軟件無(wú)線(xiàn)電，可以自定義和修改無(wú)線(xiàn)電頻段。采用SDR自定義無(wú)線(xiàn)電頻段，可以獲得比主流的2.4G WIFI更遠的傳輸距離。
在剛剛結束的2016年香港春季電子展上，rockchip也首次推出了高清無(wú)人航拍一體機解決方案。這個(gè)方案采用RK3288芯片，其特點(diǎn)是沒(méi)有搭載云臺，而通過(guò)超強防抖高清航拍穩像技術(shù)實(shí)現圖像穩定?；谕勇輧x角度及位移校正并采用優(yōu)化的運動(dòng)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機械云臺?？蓪?shí)現13M的Camera數據采集，輸出1080P?30fps本地高清以及480P?30fps的遠程傳輸雙通道穩像碼流。RK3288芯片主打超強防抖穩像技術(shù)與高速圖像處理能力，在航拍算法防抖技術(shù)上進(jìn)行極致設計從而提升航拍影像表現力并且縮小無(wú)人機體積，更適合個(gè)人便攜應用。
此外，MTK在最近舉行的CITE2016展上，也展示了基于Linkit smart7688平臺的無(wú)人機方案。不過(guò)MTK工作人員表示，目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對無(wú)人機市場(chǎng)增設產(chǎn)品線(xiàn)的打算。
集成化“交鑰匙”將主導無(wú)人機行業(yè)
由于目前國內的無(wú)人機廠(chǎng)商魚(yú)龍混雜，不少廠(chǎng)商在硬件平臺搭建上實(shí)力是有所欠缺的。之所以大部分采用單品機+圖傳、視覺(jué)模塊的方式，是因為Cortex-A甚至X86處理器開(kāi)發(fā)難度大。
然而當高通、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，游戲規則就會(huì )悄然發(fā)生改變。首先，硬件研發(fā)和制造成本轉移到了平臺的采購成本，只要硬件平臺的價(jià)格沒(méi)有高到離譜，總還是值得的。此外，當這些小無(wú)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)需要特殊設備才能完成的計算（如視頻編碼壓縮，目標識別，視覺(jué)定位等等）在這一個(gè)平臺上就可以完成。
此外，除了高通之外，MEMS傳感器廠(chǎng)商如ST、ADI等廠(chǎng)商也在考慮推出他們的硬件平臺，到時(shí)候可能會(huì )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(shí)候無(wú)人機的開(kāi)發(fā)門(mén)檻將進(jìn)一步更低。
這些MEMS傳感器主要用來(lái)實(shí)現飛行器的平穩控制和輔助導航。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(guò)程中的俯仰角和滾轉角變化，在檢測到角度變化后，就可以控制電機向相反的方向轉動(dòng)，進(jìn)而達到穩定的效果。這是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統。
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(lài)加速度計，也不能單純依賴(lài)陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說(shuō)陀螺儀輸出的是角速度，要通過(guò)積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數的疊加，受此影響，在積分的過(guò)程中，必然會(huì )引進(jìn)累計誤差，積分時(shí)間越長(cháng)，誤差就越大。這就需要加速度計來(lái)校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過(guò)重力加速度在不同軸向上的分量來(lái)判斷傾角。由于沒(méi)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(dòng)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(jiàn)的算法就是利用互補濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出來(lái)算出角度變化。
ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)和應用經(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角速度變化，但實(shí)際上受設計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數據手冊上常見(jiàn)的deg/sec/g的指標。對于多軸飛行器的應用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會(huì )帶來(lái)較強烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì )在飛行過(guò)程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會(huì )帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達就會(huì )誤動(dòng)作，最后給終端用戶(hù)的直觀(guān)感覺(jué)就是飛行器并不平穩。
除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會(huì )造成輸入轉速超過(guò)陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應該是飽和輸出，待轉速恢復到陀螺儀量程范圍后，陀螺儀再正確反應實(shí)時(shí)的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過(guò)量程，陀螺便會(huì )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(huì )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的陀螺儀在設計的時(shí)候，也充分考慮到這種情況，利用雙核和四核的機械結構，采用差分輸出的原理來(lái)抑制這種“共模”的沖擊，準確測量“差模”的角速度變化。但某些陀螺儀在這種情況下會(huì )產(chǎn)生非常大錯誤輸出，甚至是產(chǎn)生震蕩輸出。
“未來(lái)飛行器上的MEMS產(chǎn)品也會(huì )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(jìn)去，直接提供角度輸出供后端處理器調用。由于飛行器的應用場(chǎng)景一般都是戶(hù)外，客戶(hù)勢必會(huì )做全溫范圍內的溫度補償，而在出廠(chǎng)前就對MEMS產(chǎn)品做好了全溫范圍內的溫補，或者是設計超級低溫漂的傳感器，都會(huì )是MEMS產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。當然可靠性依然是最重要的指標。”他認為。
隨著(zhù)無(wú)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(lái)越多地被用到無(wú)人機上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)出可自動(dòng)避撞的無(wú)人機，以滿(mǎn)足將來(lái)相關(guān)法規的要求。集成了GPS傳感器的無(wú)人機則可以實(shí)現一鍵返航功能，防止無(wú)人機飛行丟失。而內置了GPS功能的無(wú)人機，可以在軟件中設置接近機場(chǎng)或航空限制的敏感地點(diǎn)，不讓飛機起飛。
