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| 本文作者： 趙青暉 | 2017-04-11 21:10 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
近年來，民用無人機市場異常火爆。其中消費類無人機在過去的2016年得到了長足的發(fā)展，各家廠商紛紛發(fā)布各種尺寸和功能的無人機，而人工智能技術(shù)的蹤跡也在消費類無人機上出現(xiàn)，領(lǐng)頭羊DJI已經(jīng)實現(xiàn)了利潤與市場份額的大豐收。
相比于消費類無人機市場的如火如荼，百家爭鳴，行業(yè)用無人機因市場還處于萌芽階段，各種行業(yè)需求還有未能標準化、行業(yè)背景知識要求高等特點，并未呈現(xiàn)出消費類無人機市場那樣的爆發(fā)式增長。其中很重要的原因，就是行業(yè)無人機在飛控技術(shù)上需要有相當(dāng)高的開放性、安全性、智能化。在軍工飛控?zé)o法提供高性價比，工業(yè)標準的飛控又沒有大面積應(yīng)用的情況下，市場上主要流通的還是消費類飛控，來滿足不斷增長的農(nóng)業(yè)、電力等市場的需求。為此，本期硬創(chuàng)公開課，雷鋒網(wǎng)邀請了若聯(lián)科技（RobSense）創(chuàng)始人CEO金潔來為大家講解行業(yè)無人機市場以及對應(yīng)飛控的發(fā)展方向。
金潔，若聯(lián)科技（RobSense）創(chuàng)始人 、CEO & CTO。
愛爾蘭都柏林城市大學(xué)博士，曾獲劍橋大學(xué)NetFPGA設(shè)計比賽第一名，此前曾參與兩個歐盟項目（EcoNET, INPUT）以及法國空客公司、中國航天院的多個項目。在丹麥留學(xué)期間曾多次創(chuàng)業(yè)，對嵌入式機器人控制、計算機網(wǎng)絡(luò)有深刻的理解。
以下為金潔的演講全文實錄精編：
無人機從在消費市場爆發(fā)、到行業(yè)應(yīng)用進入萌芽階段，經(jīng)歷了大概三年左右的時間，我們來回顧一下無人機在行業(yè)應(yīng)用這塊的發(fā)展情況。
我們先來看一個Gartner的報告。
Gartner每年會抽取一千多項技術(shù)去分析這些技術(shù)的走勢，從14年開始，Gartner才將無人機技術(shù)放到這個報告中，正兒八經(jīng)開始分析這個行業(yè)。
在報告中，我們可以看到，智能機器人和無人駕駛技術(shù)也在其中。無人機的爆發(fā)，主要還是因為其技術(shù)模塊早期在智能機器人以及自動駕駛技術(shù)上的爆發(fā)，比如掃地機器人、無人駕駛汽車等，這些設(shè)備上面的傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等發(fā)展到一定階段，再加上智能手機將MEMS傳感器、控制芯片的成本、體積都優(yōu)化到了一定程度，從而可以部署在小型的無人機上，比如小型航拍和工業(yè)應(yīng)用等等，我們今天主要來談工業(yè)應(yīng)用。
從這張圖總結(jié)圖來看，未來五到十年，無人機才會走到相對成熟的位置。從媒體到資本，人們對這個領(lǐng)域的期待都是從漸進增長，再達到一個頂點，然后慢慢降溫，回歸到一個理性的狀態(tài)， 最后慢慢趨向一個成熟。
任何技術(shù)都是這樣一個發(fā)展的歷程。
無人機飛控現(xiàn)狀
總體來說，無人機在行業(yè)應(yīng)用方面有很多的可能性，比如說現(xiàn)在非?；鸨霓r(nóng)業(yè)植保。
中國目前大概有兩億畝耕地，當(dāng)然這個數(shù)據(jù)不一定準確，但是采用無人機噴灑農(nóng)藥的耕地比例很小，由此看來，這個增長空間非常大。另外物流無人機、電力巡線等行業(yè)應(yīng)用也一樣有很大的市場增長空間。根據(jù)第三方的一些數(shù)據(jù)顯示，行業(yè)應(yīng)用無人機在未來五年左右的潛力是非常大的，整個規(guī)模也會達到近千億人民幣，這些數(shù)據(jù)不一定十分精準，但也可作為一個參考。
而從無人機機體的成本來看，飛控和通信占了將近34%，飛控單一項占了20%，綜合上圖FAA的數(shù)據(jù)來看，未來五年飛控將占據(jù)整個無人機市場20%左右，有將近200個億人民幣的市場容量，而且這只是硬件方面，還不包括服務(wù)。所以整個市場潛力很大，但由于目前屬于發(fā)展早期，還有很多事情需要做。
我們先看一下農(nóng)業(yè)這塊的現(xiàn)狀。
在勞動力不斷上升的今天，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無人機是一個非常好的替代人力的方案。無人機在整個作業(yè)效率和成本都將會比人力有優(yōu)勢。
為了讓無人機更高效地去執(zhí)行植保任務(wù)，無人機的飛控系統(tǒng)還需要整合一些其他的技術(shù)。比如地形跟隨的毫米波雷達、或者激光雷達的一些技術(shù)， 來讓無人機與作物之間一直保持一個高度距離來作業(yè)。再比如高精度的RTK的導(dǎo)航技術(shù)，拿極飛為例，他們在進行植保操作的時候，會先有技術(shù)人員對田地進行測繪，拿到測繪地圖之后，通過RTK導(dǎo)航系統(tǒng)可以讓無人機精準的對農(nóng)田作業(yè)。
目前來說，人們對無人機植保的需求是遠遠大于植保無人機的產(chǎn)能和無人機服務(wù)的覆蓋面的。
剛才講的是農(nóng)業(yè)的機械化方面，接下來說說農(nóng)業(yè)無人機的信息化方面。
從圖中看，首先我們會在田中部署一些無源傳感器節(jié)點，去收集一些農(nóng)田的參數(shù)，主要是大氣、環(huán)境、水 文、土質(zhì)等各方面的信息，當(dāng)無人機飛過這個節(jié)點的時候，無人機的充電裝置會對傳感器進行充電，充電的同時又會將儲存在傳感器節(jié)點中的歷史數(shù)據(jù)收集回來，將這些日積月累的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)中心并且進行加工之后，該田地的歷史健康狀況、作物健康狀況都可以圖示化，并建立起來，人們就可以詳細地了解這塊農(nóng)田的狀況了。
上述這種方式是有拓展性的，假如說我們把同樣的系統(tǒng)放到鐵路的高架上面，通過無人機來收集這些建筑裝置的健康狀況，整個鐵路或橋的一些隱藏危機就可以被提早發(fā)現(xiàn)，并及時修補。再比如說無人機3D建模這一塊，無人機經(jīng)過自動飛行，在所測繪的建筑物外圍采集足夠多的圖片之后，將圖片導(dǎo)入后臺的軟件，經(jīng)過處理渲染之后就能生成3D圖像，人們就能得到一個片區(qū)的建筑物信息。另外一個就是藏得比較深的電網(wǎng)方向，在電網(wǎng)方面的無人機應(yīng)用技術(shù)壁壘還是挺高的， 它有自己的一些體系的要求，它的行業(yè)縱深深度是比較高的。
比如圖中，施工方需要對電網(wǎng)壓接部分進行測量，壓接線方面曾經(jīng)出現(xiàn)過很多事故，這個測量非常的重要，關(guān)于這方面的數(shù)據(jù)監(jiān)理方需要實時看到，為了防止施工方作弊，監(jiān)理方就需要看到測量的實時相應(yīng)數(shù)據(jù)。在測量中，無人機的作用就是把施工方測量的數(shù)據(jù)通過中繼回傳給監(jiān)理方，將采集數(shù)據(jù)的這個點采集出來。
除了這個之外，電網(wǎng)還有一些非常深度的一些需求。比如風(fēng)機的巡檢，在風(fēng)力發(fā)電廠，巡檢人員需要知道葉片有沒有破損、干體有沒有傾斜、避雷針是否失效等信息，風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)機設(shè)備都非常的昂貴，維護成本非常高，所以無人機對這類的巡檢有天然的優(yōu)勢。
總的來說，市場上有林林總總的需求，每個行業(yè)對無人機的需求都在提升，所以他們對飛控也有各種不同的要求。為了滿足這些要求，很多無人機公司也在提供不同的無人機方案和飛控。
這些方案解決辦法大概為以下兩種：
第一種是采用軍用無人機的飛控。軍用無人機飛控傳感器要求指標非常高，使用起來效果也非常好，但是其中也些問題，比如軍用無人機的飛控會非常的笨重，體積非常大，且造價昂貴，動輒百萬，價格成本不適合大面積的商用，所以，軍用飛控還會有很長的一個軍轉(zhuǎn)民的過程。
第二種就是目前市面上的主流，即用消費類飛控安裝在行業(yè)應(yīng)用無人機上。這種方法也會造成一些問題，比如說整個無人機的可靠性就不能完全保證，無人機在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中能否完成任務(wù)，對本身飛控的可靠性要求非常高。另外，行業(yè)無人機的需求是多種多樣的，面對林林總總的需求消費類飛控的二次開發(fā)的接口是否能夠滿足，也是一個問題。
工業(yè)無人機的要求很高，主要有三點：
第一，可靠性。在行業(yè)應(yīng)用的無人機上，其掛載的設(shè)備可能是熱成像儀等非常昂貴的設(shè)備，所以需要非常穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，對飛控的可靠性依賴很大。
第二，價格。由于是應(yīng)用生產(chǎn)力工具，價格不能非常高。
第三，電網(wǎng)等應(yīng)用需要專業(yè)的掛載體系，需要不同的應(yīng)用能力、不同的數(shù)據(jù)，所以無人機可定制、可擴展需求非常旺盛，目前很難出現(xiàn)一款標準的無人機或飛控能解決所有的需求。
飛控的進化
多旋翼飛控已經(jīng)經(jīng)過了十多年的迭代。
從上圖看，第一代控制飛控主要在2005年前后出現(xiàn)，算法主要運行在相對比較弱的單片機上，能夠讓飛機起飛和飛穩(wěn)，但是飄的還是很厲害，加之單片機的運算能力和擴展能力都很有限，所以整體較弱。
第二代飛控起始于2012年前后，主要運行在32位單片機上，性能更強，支持更多的接口，除了讓飛機飛行飛穩(wěn)意外還能執(zhí)行一些自動飛航點等簡單的任務(wù)。
第三代飛控在2015年前后開始，具有更強的嵌入式計算機以及多傳感器數(shù)據(jù)融合增穩(wěn)等特點，這一代的智能飛控具備有感知計算和現(xiàn)場運算能力，其中最核心的特點是能將飛行視覺整合到飛行計算當(dāng)中，能夠自動精準著陸等等。
基于前三代的發(fā)展，我們接下來就猜想一下下一代行業(yè)飛控的軟硬件架構(gòu)。之所以是猜想，是因為目前還沒有一個標桿式的飛控出來。
我們先看幾個主流廠商的飛控。
高通
高通芯片方案做得非常小，只有信用卡差不多大。
高通芯片把CPU、傳感器等目前所有航拍類所需要的零部件都整合到了一塊板卡上，在智能化這塊做得很不錯了，用戶拿到之后直接在上面迭代軟件算法就可以了。但是在安全性方面高通并沒有做太多的冗余機制，主要是因為其面向消費類電子。而開放性這塊高通沒有辦法做更深度的擴展。
英偉達
英偉達在之前也推出過用在無人機上的集成板卡。整個方案和高通大同小異。主要不同點在，英偉達有大規(guī)模的GPU去做一些基于視覺的高精尖的算法，缺點是功耗非常高。
Intel
Intel的飛控相對前兩者的特點是加了個FPGA，此前Intel收購了一家名叫AItera的FPGA公司，在這方面有更深入的研究。另外Intel的飛控在接口定制和算法定制方面有優(yōu)勢，可以擴展更多的接口。
另外，對于Intel值得一提的是，其不僅提供了飛行控制計算機，還提供了一個RealSence的視覺系統(tǒng)，讓無人機有個全向的視覺感知。
RobSence
我們RobSence也做了一點工作，在這里介紹一下，跟Intel不同是，Intel的跑飛控和跑計算的是兩顆不同的芯片，而我們把兩顆集成到了一個芯片中，從圖上看，單芯片內(nèi)三個處理器核心，第一個是控制飛行姿態(tài)的CPU1；第二個CPU0系統(tǒng)的作用是，當(dāng)整個飛行系統(tǒng)啟動的時候，它就會喚醒CPU1，讓飛控算法跑起來，同時它還要兼顧將其他大數(shù)據(jù)帶寬的傳感器接入進來，融合到整個飛控系統(tǒng)里面，做整個全局資源的管理。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)有些算法出現(xiàn)計算瓶頸的時候，我們就可以將這些算法部署到第三塊的FPGA里面進行加速，這對于無人機對周邊環(huán)境進行實時反映是非常重要的。
總體來說，第三代飛控主要做的是三件事情：
第一，飛行控制，這個第一代就已經(jīng)做了，第三代能完善更好。
第二，任務(wù)管理，也就是設(shè)置飛行任務(wù)。
第三，感知預(yù)算能力，遇到突發(fā)狀況是否有應(yīng)對能力，對障礙物目標進行一些識別。
上面四個廠商的四種方案的介紹，再對比之前第一、第二代的飛控，我們會發(fā)現(xiàn)之前早期的飛控大部分會將飛行控制放到MCU中去跑，雖然單片機在跑飛控方面已經(jīng)做得很好了，但是如果想要做一些額外的事情，就會顯得捉襟見肘。當(dāng)我們拆開早期的無人機系統(tǒng)時就會發(fā)現(xiàn)，飛控是一個板卡，信號處理會是另一個板卡，接口擴展等等都是分開的。所以總的來說整個上一代的思路就是將不同的系統(tǒng)部署在不同的處理器上面，造成整個系統(tǒng)非常龐大，導(dǎo)致無人機的體積也變得很大。
而第三代系統(tǒng)，將不再是一個簡單的控制器，更多的是可以將其定義為一個飛行的計算機，兼顧控制、計算、接口和通信，將所有計算的部分整合在一起。這么做有很多好處，比如在整個開發(fā)難度上只需要一個開發(fā)環(huán)境、板卡會很小很集成等等。
如果我們把它定義為一個計算機的話，那么它就可以完成很多事情，它除了可以完成簡單的控制，更重要的是還可以完成計算機視覺處理、深度學(xué)習(xí)甚至無線電部分做圖傳、大數(shù)據(jù)帶寬等一系列應(yīng)用。
基于上述這樣一個飛行計算機，因為它的計算能力更好、接口更豐富，我們就可以做很多的開發(fā)。比如在這個圖中，無人機的整個控制環(huán)分為兩部分。
由于目前MEMS傳感器的刷新能力和電機的響應(yīng)能力來看，從飛行數(shù)據(jù)、姿態(tài)的解讀到返回控制系統(tǒng)再到驅(qū)動電機去調(diào)整飛行姿態(tài)整個閉環(huán)走完，整個頻率能達到400hz，如果我們基于下一代的飛控系統(tǒng)去改進的話，就能夠?qū)⒄麄€控制周期縮短，比如將頻率提升，就能提升無人機的控制性能，并且能運行一些更加復(fù)雜的算法，讓飛機的控制更加精準以滿足行業(yè)需求。
另外，對于”飛行控制計算機“來說，除了要完成飛控的任務(wù)之外，還要充當(dāng)一個計算機的角色，其中就可以做一些算法的加速工作。
拿我們現(xiàn)在做的一個事情來舉例：我們將一幅1080P的圖像導(dǎo)到導(dǎo)入到最終算法里面，假如說整個過程分成四步走的話，用CPU去算，整個耗時接近400毫秒，這個時間對于低速飛行的無人機是沒有什么問題的，但是一旦無人機行進速度相對比較快的時候，它要躲避前面的障礙物的話，就需要更快的視覺處理的算法。
我們做的就是要把前三部放到FPGA里去加速，最后一步的分析算法放到CPU中，整個時間只用時10毫秒左右，整個性能就提升了一大截，能夠幫助飛機進行實時的環(huán)境感知，并進行決策。
剛才講了很多飛行控制和感知計算的問題，無人機已經(jīng)不是一個簡單的控制器了，更重要的是將其定義為一個計算機，這個時候我們就可以參考計算機的發(fā)展歷程來看待飛控。比如計算機從單體到組網(wǎng)的發(fā)展，無人機也會經(jīng)歷這樣一個過程，未來整個飛控會是組網(wǎng)控制器、組網(wǎng)計算機、組網(wǎng)飛控。其實業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)做了很多這樣的嘗試，包括15年Intel做了一百多架無人機的編隊，大家可以查一下他們當(dāng)時的效果。
無人機在編隊的通信過程中會遇到很多問題，其中最重要的是通信子系統(tǒng)的延時和抗干擾能力，因為無人機首先要保障穩(wěn)定飛行，如果無人機延時非常厲害，那么編隊過程中飛機之間就很容易發(fā)生碰撞。
另外，我們現(xiàn)在很容易通過一些無線電的裝置去學(xué)習(xí)無人機的2.4G的通信頻段，從而反向截獲無人機，就算是軍方的無人機也不是百分之百不可截獲的。
也就是說整個通信方面還有很多問題還要在下一代通信系統(tǒng)中去解決，目前還沒有一個關(guān)于無人機編隊方面的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果這個技術(shù)被突破，那么無人機的編隊會大面積鋪開，未來無人機集群用在測繪、搜救方面起到很大作用。
看這張圖，框圖下面最兩層是系統(tǒng)的硬件和軟件，基于這些硬件和軟件，開發(fā)者可以做很多事情，主要包括兩部分，一部分是現(xiàn)場的計算和控制、接入更多傳感器之后的目標追蹤、障礙物躲避。另一部分是，相對于局部的計算和控制，當(dāng)無人機有了組網(wǎng)能力之后，它的全局控制和通信就顯得非常重要。
從技術(shù)角度來講，未來無人機一定會集成更多設(shè)備和傳感器，這些設(shè)備和傳感器都通過飛控系統(tǒng)進行采集、存儲、預(yù)處理。如果這個數(shù)據(jù)還有全局價值的話，就會被發(fā)送到遠程，比如說地面站。當(dāng)數(shù)據(jù)越來越多，即會獲得更大的價值，使用到更多的領(lǐng)域里面。
由此，我們把無人機飛控作為很重要的一個物聯(lián)網(wǎng)端數(shù)據(jù)入口，無人機作為一個終端，等到市場真正成熟的時候，無人機將作為工業(yè)領(lǐng)域的一個生產(chǎn)工具價值將越來越大。
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