无人机中的城堡:无人机技术的当下与未来

2017-07-16 13:36 搜图网-最新科技时讯 阅读 148

@无人机中的城堡(以下简称城堡)是华南理工大学控制理论与控制工程在读博士。城堡不是他的本名,他在知乎专栏的简介是——“一座关于无人机的城堡”。他在知乎、环球网等网站开设专栏,陆续发表了几十篇文章及相关书籍,并在2016DronecodeChina大会、华创证券上海、北京策略会等发表演讲,是无人机这个新兴领域少有的懂理论又懂新媒体传播的意见领袖。

无人机中的城堡:无人机技术的当下与未来

城堡的大学本科所学专业为电气工程及自动化,但他逐渐发现自己并不喜欢这个专业——这个专业的对口工作主要是各种电力设计院、供电所等——还好专业中有一门他喜欢的课程是自动控制原理,他也做过相关项目的实践,所以硕士专业跳到了控制学专业,一直读到博士。

如何学习无人机?

就读控制理论与控制工程专业,城堡的研究方向是无人机,但他提醒网友,无人机本身并不是一个“专业”,而是一个交叉领域的学科,它包括硬件、软件、制造、设计、原理、实现等,现阶段很少有高校有专门的无人机专业。

“到现在我也并不认可无人机专业”,城堡结合自身的学习经历告诉大家,无人机在学科研究中一般有两种角色,一是作为某一个学科的研究方向,以城堡所在的华南理工大学的实验室而言,无人机是从自动化领域出发的一个研究对象。二是作为某一个学科进行研究的一个实现平台,以农业研究所为例,研究的是如何通过无人机这个平台来完成农业生产过程中的科技实现。

在此前与网友的交流中,城堡遇到这样的情况,有的学生抱着深入学习无人机的目的报考了某学校的无人机专业,但是结果令他们失望。

城堡建议想学习无人机领域的学生们,对于一个高校的无人机相关专业,可以从以下几点进行考察:

第一看开设时间。如果这个专业的开设时间没有超过五年,基本可以断定它是在无人机行业火爆之后,高校所新开设的专业,这也许意味着专业的师资力量值得怀疑。

第二看培养计划,每一个专业的培养计划都会有相应的课程,如果看到培养计划他都没有出,那么意味着校方可能不知道如何教学,“他都不知道怎么教你你怎么去学呢?”

第三看这个专业是否有过一轮毕业生,如果有那么看他们是怎么就业的。很多长期开设的专业会和企业签订人才输送合同。但是如果没有过一轮毕业生,签订合同的企业等学生毕业时还在不在?这也是需要学生们关注的。

现阶段,很多高校陆续开设的无人机专业,更多是属于技术操作类型的,城堡做了一个比喻,就像以前存在的机床操作、汽车驾驶这样的专业。如果网友要学无人机的操作,不一定去大学花四年时间学一个操作的文凭,也可以去找一个类似无人机世界培训平台上的机构,花几个月的时间考一个基础的证书。同时还要考虑到,不同的无人机的操作和环境的问题,比如有的女孩子学习植保操作是很辛苦的。有了这样的判断后再去决定学习目标,能减少一些差错。

所以城堡给想要深入学习无人机“专业”的网友的建议是,要去了解无人机当中可能包含哪些工作,比如说有无人机设计师,算法工程师,硬件工程师,嵌入式的编程人员,产品经理等角色。网友要考虑的是,这些角色,各自需要哪些专业知识?找准自己喜欢的、擅长的领域去学习,并结合相应的专业知识去考虑如何应用在无人机系统上。

改为:单以学习资料为例,如果想在控制、算法、飞行器设计等方面去发展,好的学习资料都是该领域大家的‘顶级’书籍,入门比较困难,但是如果进行无人机系统开发,具备一定的软硬件基本知识和实际经验就可以有很多相关书籍、线上线下实践项目直接应用或阅读理解。所以城堡认为,首先要去做的是去找在这一方面从事这些工作比较了解的人,或者找到一些平台,比如说无人机世界、知乎上的专家。了解这些东西到底是什么、背后有哪些东西,才能选择某个方向上顶级的学习资料,否则把一本关于控制方面顶级的书拿给用户,他可能都不知道两者之间的关系、在无人机中如何应用的。

无人机的概念

提到无人机的概念,城堡首先给我们做了一个细分的普及。由于无人机的发展之迅速,在当下从不同的角度、不同的行业看无人机系统,就会发现,对无人机的理解,需求,关注点都是不同的。在美国,FAA一般习惯称无人机为UAV、UAS(UAS:UnmannedAircraftSystem),这也是国内用的比较多的,但在欧洲一般被称为RPAS(RemotelyPilotedAircraftSystem);FAA对无人机的定义比较强调没有载飞行员,要求三轴完全可控,而美国的国防部(DOD)则特别强调无人机和其他军事装备的区别。欧洲的EASA(欧洲航空安全局,EuropeanAviationSafetyAgency)则强调无人机系统的结构,比如必须有无人的飞行器、地面站等。

在这样的概念划分之下,具体的应用场景对无人驾驶系统的要求也有很大的差异,从而影响对具体指标的需求。以植保无人机和竞速无人机对比,植保无人机比较看重载重能力、稳定飞行能力;竞速无人机则比较看重飞行速度、执行器的性能。所以两者对电池的核心指标要求也不一样,植保要求放电比较平缓,放电倍率就可能要比较适中或者偏低;但竞速无人机就要求比较高的放电倍率,以便在运动过程中产生足够的动力。城堡说,作为消费者,会比较购买无人机的一些参数,比如续航时间、载重能力、飞行速度、抗风等级等,作为他本人,比较看重的则是整体系统和性能的稳定实现。

无人机的行业应用和任务载荷

城堡建议,在行业应用方面,从两个角度来观察无人机,一是无人机作为“承重平台”本身可以搭载各种重量的东西,实现条件就是满足物理受力关系及飞行可控性)。二是无人机作为“任务实现平台”,需要搭载“有效负载”,这是与应用场景最相关的东西。无人机作为一个独立系统是与应用场景不那么相关的东西,进行行业应用时是需要开发人员进行匹配的。无人机系统在不同行业当中进行转换时,可能需要进行专门的设计,比如,一台应用于航拍的无人机肯定不能拿到植保领域直接应用,因为他们的载荷不一样。

因此,在一个特定的行业中,企业和个人需要理解这个行业、理解无人机系统,无人机系统可以匹配这个行业,在功能和设计上面做得很有“鲁棒性”,比如植保无人机可以搭载不同的药箱,也可以搭载精准拍摄相机,这是可以实现的。

城堡最看好无人机的哪个应用领域?出乎我们意料的是,他的答案是军事领域。因为在这个领域回报率是最高的,而且受到的限制比较少,系统的实现、性能方面可以做到极致,不需要有太多的妥协。

当然,专业行业的应用也非常有前景。比如安防、测绘、植保,城堡认为,这些领域行业基础比较好,行业需求量非常大,更容易标准化。在这样的行业,企业可以做一个大系统,除了无人机系统,还涉及人员如何去配备等,可以形成一个非常规范的方式,容易标准化。

城堡指出,无人机系统是为了实现任务而存在,要去做什么样的系统,取决于所面对的任务要求或者计划任务指标是哪些。“无论哪一种,我都希望这款无人机系统性能是稳定的可靠的,功能是与任务匹配度比较高的。”

飞控研发的难点

无人机最核心的系统,当属飞行控制系统。国内如拓攻、大疆、零度、极飞等厂商都有成熟的飞控,考察飞控比较重要的标准,就是是否大量应用并且非常稳定。然而从飞控应用的广泛性来看,成熟的无人机开源飞控是城堡更加看好的,比如3dr的pix系列等,这样的开源飞控强大的地方在于,可以被用户修改各种各样的代码,应用到各种领域,而品牌飞控往往专注于某个特殊领域。作为一款飞控产品,在多个领域能够成熟稳定应用是非常难能可贵的。不仅如此,开源飞控在硬件和软件的扩展上面也有非常丰富的选择。

而飞控的研发难点,首先在于系统的稳定性;其次是针对某一个行业进行专门的飞控研发的时候,对无人机的理解和对行业应用的理解之间的衔接。城堡以植保和航拍无人机应用举例说,作为开发者对航拍无人机系统的理解是,只要能够获取稳定的影像数据就可以了,因此即便航拍无人机容易发生抖动、晃一晃、甚至不断向前点头需要不断调整姿态,用户还可以通过减震云台等手段来进行处理。但如果是用于喷撒农作物的无人机,出现抖动、晃动、点头等情况,可能同一片农田里喷洒的效果不一样,这样就无法达到要求。“所以对于不同行业的应用决定了你理解无人机的局限在哪里,难点在哪里,如何设计出相应的功能来实现相应的功能,这是真正难的地方。”在实验室里搞研究,做出一个一次飞出效果的项目成功很容易,但要想做出一个有成千上万套,能在不同行业被不同人使用、都能够有比较稳定表现的飞控,这是非常难的。

无人机的动力系统

动力是一切机械系统最核心的部件之一。如何评价无人机的动力系统?城堡说,主要看两点,一在完成任务方面的限制,二是对无人机的本身限制,意思是说,它不单决定了无人机能够飞多长,它有时还决定这架无人机的飞行情况。

以电动无人机为例,虽然控制大型无人机使用电动力的成本很高,但是我们如果应用在它该应用的场合,比如消费级别无人机,用去航拍等,它的单次飞行成本就比较低,实现起来比较容易。在一段时间之内,它的性能稳定性比较好,生产链比较完整,适用范围也比较有优势,小型的无人机,无论是多旋翼、涵道机、固定翼、直升机等各种机型都可以使用电驱动,不需要对飞机做太多的更改设计。

但它的缺点是续航时间比较短,受天气的影响也蛮剧烈。同时,你很难考察电池会对无人机动力造成什么样的影响。比如一块电池用了几个月时间,它的续航时间逐步由20多分钟降到10多分钟。我们虽然知道续航时间,但是很难掌控它每次放电的情况。而在无人机执行一些专门任务的时候,如果电池的放电情况跟之前不一样,很可能会使得无人机的姿态快速发生变化,在狭小的空间就可能造成无人机的坠毁或报废。

城堡介绍说,油动的动力系统,用在机械设备已经很多年,它的机械成熟度很高,配套的东西也非常多。但是它适用的机型比较有限,比如说在大型的固定翼、大型中型直升机,或一些涵道机,但如果要对目前应用较多的多旋翼飞机移植油动系统,就会比较麻烦。由于油动动力系统结构比较复杂,单机的实现成本比较高,控制难度也比较高。油动系统有火花塞、油门驱动,开发时要对油、发动机都要建模,无人机在飞行中有可能产生晃动,还会产生火花,干扰频率可能会与无人机的飞行产生共振。

油动系统相对电力系统,在布置上难度也高很多。它不像电池,可以在飞机上想怎么放就怎么放,而且电池的重量不会发生变化。油箱往往无法放在无人机的重心上面,或者很难放置的离重心比较近。有时候要把它放得离重心比较远,同时它比较重,作为设计人员无法忽视其存在。在空中,油箱随着油的消耗,重量也在不断变化。现在的控制都是线性方式控制,都有一个飞行的envelope(包线),因此会导致在飞行控制中,当油变化比较快或者变化量较大的时候,重心有可能发生调整,这时候重心和开始线性化控制的时候对比,平衡位置就发生了变化,有可能给自动飞行带来很严重的影响。

无人机的机型设计

城堡告诉我们,虽然此前一直存在飞行器设计这样的专业,但这并不是设计无人机的,更多是设计大型载人机,不是侧重于自动化设备和自动控制飞行,偏重于流体力学方向。

机型设计是一个专门的学科,它考虑的因素比较多,不同的机型要去面对的设计因素也不一样,比如固定翼比较偏重于翼型设计,涉及到很多空气动力学知识。城堡说,前一段时间丹佛大学有一款小型固定翼无人机叫CCW,它的设计最核心的地方就在翼型上面,设计目的是滑翔起飞的距离缩短60~90%,它在翼型上面进行了大量的结构设设计,会用到Coan效应等原理,它的设计会用到openfoam(一个跟Fluent,CFX类似的CFD软件)、solidworks等软件。这个领域的开源软件比较多,比如测试飞行器、控制器,这些开源软件的仿真软件中都有大量的飞行器数学模型,比较容易实现。

无人机的监控怎么做?

城堡说,无人机监控是比较麻烦的,因为每一种技术都会有它的极限,监控的难点是对无人机的理解,以及如何构建一个系统,构架一套规范的流程,把技术、实现渠道的管理都放到大的系统,进行合理的调配和使用,而不是说出现什么问题后随便拿一个东西就来处理,这个是很难的。

如何看亿航184

我们在采访中也提到亿航的184,这是一个容易引起大家兴趣的话题。城堡说,它有两个难点,一是如何定位,二是市场需求。首先从定位上来说,定位会影响系统的功能设计与功能实现,如果说它是无人机,在很多定义和我们对无人机的基本理解中,这意味着没有机载飞行员,如果是有机上操纵人员的,这就是有人机,比如现在各种类型的客机,直升机,其实它们上面都有安全稳定辅助系统(SAS),还有空中交通警戒与防撞系统(TCAS),以固定翼客机而言,起飞降落阶段已经可以自动完成,大部分时间飞行器处于自动导航控制中,飞行员的功能主要是对于特殊情况下进行判定和操作。

但是回到亿航184,就很难定位了,“你说这怎么算呢?”坐上去的人,必须按照预先设定的自动飞行程序被搭载过去而不让人进行操作,但如果能控制了还能管它叫无人机吗?我们很难把它与小型飞行器区分开,现在固定翼、直升机型的小型载人飞行器很多也同样具备一定自稳定甚至自控能力,但我们一般不会称它们为无人机系统)。如果我们把184看做无人机,就要按照无人机来设计,此时的控制优先级如何处理呢?这都会带来很多困扰。因此对亿航184很难进行定位:如果人可以操控,你有一些辅助控制系统,它和我们现在的载人飞行器没有区别。它不能够进行操控,“我感觉真的是要很有勇气才敢坐上去的。”

第二个难点就是市场需求,市场对于这样的一个飞行器到底是什么需求?如果需求只是把载人飞行器做的更小,做成单人飞行系统,但是以美国为例,有很多富人也有自己的小型飞行器;如果需求是自动飞行,比如它已经编好了自动飞行的程序,或者是飞行器受控于一个大系统让它去飞,人上去以后只是被这套系统运载人成为了“负载”,而人作为负载是对资源的浪费,无人机的优势之一就是把人从负载身份中解放出来,从而可以搭载更多“有效负载”,感觉这样的需求可能并不是很明确。

所以,面对亿航184,城堡说出了很多可能从技术上存在的疑问。是不是要需要人控?人控是可以高于机器的优先级还是要低于机器的?如何去实现它?除此之外,还会涉及具体应用场景中面对的问题——当飞机在空中不断晃动时怎么办?飞机这么小,如果乘客害怕后移动,容易使重心发生偏移。同时,由于机型设计采用的不是固定翼或直升机——即便发动机停了都可以让它继续飞下去——多旋翼本身是发动机驱动的,发动机停止后这个东西它不是桨结构的,它不是变距的就坠下来了。

所以,城堡总结这款机器涉及到三个问题:系统包含哪些、怎么对它的每个环节定位、如何去实现。城堡对这个产品的结论是:“这个系统确实是很奇怪。”虽然这些技术问题,可能亿航都已经考虑,并处理了,但作为消费者还是需要自己考察清楚。当然,出于严谨的表达考虑,城堡也说,“任何东西可能开始的时候都很奇怪。”

无人机的未来有哪些研究方向?

城堡给我们介绍了一下无人机领域目前的研究方向,或者说一些黑科技。

一是传感器的数据融合,比如无人机,通过强磁计、三轴陀螺仪、三轴加速度计、GPS传回无人机的状态信息,这些数据本身如何构成无人机在闭环上面的状态反馈?在不同的环境下如何去应用这些数据,比如在室内没有GPS,有单目、双目、图像传感器,如何通过不同的传感器运行无人机?飞机的设计上有GPS、有陀螺仪,但是飞起来时没有了GPS信号,如何进行控制?当某一个传感器发生了变化,由四五个变成两个的时候怎么去控制,比如强磁计和陀螺仪两个传感器,如何把两者的数据进行相互补偿、当一个受到干扰后如何去进行处理?如何把两种传感器结合起来能够产生一些新的传感数据的控制方式?城堡介绍,香港科技大学前一段时间有研究,使用单目传感器结合陀螺仪放在一起,进行无人机的姿态控制。

二是无人机系统的控制,无人机系统控制要求可能会有不同的实现方式,现在大家可以看到的很多控制算法,还是在无人机对它进行某一个平衡点上面线性化之后采用现有的控制器,比如PID控制、或其它线性算法。那么,如何进行非线性的控制?这意味着,当无人机飞行范围比较大、对它的速度限制比较小的情况下,去实现相应的任务。

第三是关于智能系统搭建,如何在系统架构上把更高层次的决策给到一些智能算法。这个智能算法可能是无人机的机载电脑来做出的,也有可能是一个下位机的电脑来做出的。我们之前所进行的一些无人机的决策可能是通过人来的,比如说操控它定点飞行在哪里,定点的飞行是它进行自动实现的,以后逐步把这种工作交给无人机自己去判断。城堡举例说,如一架植保机在一些农田里飞的次数多了,开始知道在不同的情况下应该有几架无人机来飞,每一架的路线应该如何规划。如果把无人机移动到一个新的农田中,它短时间内又可以快速学习如何进行决策和部署。

第四是无人机与环境的交互。一种是通过获取周围的一些数据来实现一些自动控制功能),比如避障功能或者利用障碍物进行飞行或任务规划),第二种是与环境的交互、对环境进行重现,还有的做法是把环境的数据提取出来,不进行重现,但是进行其他方面的利用,比如规划路径。前一段时间MIT就通过地下室室内的这个固定翼,通过快速飞行非线性控制算法,来规划在地下室当中复杂环境,只用一个小雷达在线规划它的飞行路径。

第五种方向是多机器人平台系统的融合,比如无人的编队、无人机与地面小车系统的融合,地面小车可能是一个机械站、充电站、提供降落的平台。汽车平台画上可识别的标识,无人机通过数据交换,辨识位置后降落。还有一种叫做系留无人机,它跟汽车之间本身是连接的。除此之外,还有协同系统之间的控制。多机器人系统可以提供的功能会更多,比如很多地面小车,很多无人机,可以充电、提供可变的平台。举例而言,在山路中地面环境在不断变化,汽车顶不能够随意倾斜,按照实现水平无人机降落位置,可变平台可以让小车根据斜坡的倾角提供水平平台,供无人机降落、充电等。

最后,城堡强调说,无人机本身的技术是一点,还有很重要的一点取决于我们对它应用方式的理解上,它在哪些行业当中能够去应用、应用的时候有哪些要求等。

中国的无人机处于什么水平?

总体而言,中国在产业链上有非常明显的优势,在系统的整合与实现上都做得不错。城堡说,很难说全世界国家在技术发展上面平均怎么样,比如中国的消费级无人机,大疆已经占据了一半以上的市场份额,这样的表现不仅仅与无人机技术相关,还与我们国家的供应链优势有关。再比如,“美国目前农业高度机械化,给它打分可能是70分,加上无人机可能从70提到80,但是它这一套设备如果全扔掉换无人机成本也很高,而中国本身可能机械化程度和这个集中性并不是很高,那从40分提到80分,它的意义就大很多了。”城堡总结说,我国无人机还处在一个快速发展阶段,无人机系统的实现水平在国际上来看比较高,但如果单论到创新能力和对无人机系统的理解,相较于我们的系统实现,可能还存在一些不足。

我们也聊到了《无人驾驶航空器系统标准体系建设指南(2017-2018年版)》

那对于无人机制造企业有什么建议?

城堡说,一是建议无人机企业关注这些制度与自己当下或者未来系统的衔接,即产品方向。因为(透过通知)可以看出这个制度的一个大方向,功能设计、产品实现、售后服务上,用户需不需要了解某些事情?如果他认为没有告诉他清楚这些情况,出了事情是谁的责任?他(因为某事)被抓进去了,但你的说明书里面没有写这些具体的要求。一旦产生了法律纠纷怎么办?消费者可能会觉得作为企业“你没有及时告知我,没有避免这个东西,那说明这是你的问题”

二是通过这个行为来思考行业和无人机,为什么会出这些制度,这表明当下市场是怎么样的?体制是如何去认识无人机的?无人机的局限和功能,厉害的地方和需要监督的地方到底在哪里,如何在我们的产品中去体现它?

城堡觉得,可能很多企业会有危机感,所以他也善意提醒:“看上去像是危机的东西对一些人是一个新的机遇,看上去像是给了一些限制,如果能够利用好、适应好这个东西,有可能能够给企业带来很好的效果,而不是相反的效果。”

城堡的口头表达清晰富有条理,待人接物也很Nice,除了完成日常的研究和项目,他也在努力进行无人机知识的传播。除了在知乎、环球网等网站发表文章、参加无人机领域的活动发表演讲,他的一本以控制学为主题的电子书《从刻漏到无人机:摘下控制学理论与工程的面具》已在知乎上架,另一本与机械工业出版社合作的以无人机为主题的实体书《城堡里学无人机:原理、系统与实现》进入了最后校对阶段。在他看来,每天的项目研究和学习都蛮有趣,“当对某一个东西到了一个新层次的时候,那种感觉就是豁然开朗的舒畅”。每天七成的时间他会花在无人机系统的研究上,这也构成了他能持续向外输出无人机知识的基础。

城堡的博士生涯按照计划今年将结束。博士生涯已经进行到第四年,他说,“总觉得没有学够、没有学通透。”这也是他对于所有知识的态度,只有觉得学够了,才算完成一个阶段。我们问到城堡未来的计划,他说有很多不确定性,但确定的是,他会把无人机和机器人的设计,尤其是控制和系统设计看作是自己一生的事业,去学习和实践。

城堡推荐的国内外在无人机领域水平领先的大学:

亚洲:

中国:北航、香港科技大学,

华南理工大学:无人机控制系统、无人机自主飞行和智能飞行系统的研究、无人机图像识别别小组、无人机测绘建模(用于海监规划、灾害处理等)

新加坡:南洋理工大学

欧洲:

苏黎世理工大学

美国:

斯坦福大学,数据利用和处理的工程性非常强,和理论结合非常紧密,实现性又非常好,每年获得的奖项也很多。

宾夕法尼亚大学

德州农机大学

德州农机大学以前是做大型载人农用电动飞机的,后来在农用小型无人机方面做得非常好。http://www.langfangsx.com

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