如果是在几年前说到“无人机”一词,大家脑海中浮现的都是一架架先进的无人战斗机,然而,时至今日,“无人机”在人们的印象已经转变为一个“能航拍的伸着几只爪子的飞机”(指多轴直升机),他们比起先进的无人战斗机,真的称得上“无人机”的称号吗?
(文章部分内容尚待添加,敬请谅解)
飞控——无人机的大脑
如果非要给航模和无人机划个界限,那一定是智能飞控(飞行控制)系统。航模不仅仅指能够飞上天的航空器,等比缩小的飞机也是航模。在固定翼和(传统)直升机中,所有舵面手动操控即可飞行,但是这在多轴直升机中发生了变化,由于有多个油门需要控制,人脑无法完全手动控制飞机了,需要引入飞控系统辅助保持平衡与控制方向。但创客们绝不会止于此,大家发现多轴直升机不仅结构简单,而且易于控制,很快,飞控上有了气压传感器来定高,GPS用来定点、飞航线,磁罗盘用来锁定航向……伴随着手机的发展,这些传感器变得更可靠、更小、更廉价。同样,传统直升机和固定翼也被装上了飞控用于各种用途。
FPV——航拍的前身
FPV是First Person View的缩写,即“第一人称视角”。在(无人)飞机上装上摄像机和图传(图像传输)系统,在地面配合接收端、显示器,甚至是视频眼镜,感觉如同自己在空中驾驶飞机一般。由于负载问题,并且多装在固定翼上,摄像机通常画质不佳,而且没有云台用来稳定图像、远程遥控视角,最多装上一个舵机左右移动一点点。随着多轴直升机的不断稳定以及无刷云台技术的发展,GoPro运动相机、微单,甚至单反都被送上了天,原来成本极高的“直升机航拍”,现在几千元的消费级多轴直升机就可以满足通常需求。
开源飞控兴起——令商品飞控胆战心惊的对手和老师
2011年,多轴飞行器在国内的航模圈开始流行。此后,商品飞控层出不穷,KK、FF、玉兔、DJI NAZA-M LITE等都是老模友们耳熟能详的名字。好的商品飞控往往价格较高,便宜的功能又太少,开源飞控MWC和APM便成了追求性价比的人们的选择。它们均基于Arduino,Arduino是一个开源的软硬件平台,它将繁杂的单片机代码封装,使人人都可以轻松和传感器“交流”,或是控制LED、电机等硬件。由于这两款软硬件均开源,国内许多工厂发挥价格优势,生产(“山寨”)出许多廉价飞控板,但由于元器件质量参差不齐,导致过许多飞机因硬件问题而坠毁。
APM项目由DIY Drones社区主持开发,其运营及赞助公司,3D Robotics(以下简称“3DR”)的CEO克里斯·安德森在2012年曾表示,对中国式山寨持开放态度,因为“社区不是一门生意,而是由社区成员组成,又面向成员的一种免费服务”,免费模式本身就包含了其他人山寨这个产品的可能性。一些受欢迎的产品“能够进入低价市场也是一种创新,这不是坏事。”他在一个讨论淘宝上的“山寨”飞控板的帖子下面评论道:“山寨最终或许是创新与改进的开始。记住我们的协议要求所有的衍生设计必须同样开源。如果一个中国小组创造了比我们更好的设计,那就太棒了,我们得反过头来制造他们的设计,把文档翻译成英文以便让中国以外的市场都能了解,人人都能得利!”
需要说明的一点是,例如KK、FF、MWC,以及现在流行的CC3D等飞控的原版只有最基本的自我稳定功能,不支持自动飞行等特性,所以笔者认为使用它们安装的飞行器不适合称为“无人机”,它们也不是无人机飞控(自驾仪)。笔者认为将多轴直升机全部说成“无人机”是有待商榷的。
2014年,无人机行业风生水起的一年,无人机概念全面爆炸,媒体的报道铺天盖地。就在年初,3DR与瑞士苏黎世联邦理工学院牵头的PX4开发团队发布了新一代无人机飞控硬件产品——Pixhawk。其底层使用了具备及时响应和高可靠性的实时嵌入式操作系统(RTOS)Nuttx,表层仍使用APM的代码。其不仅内置了大部分必须的传感器,还支持双GPS等特性,并配有故障保护协处理器,设计达到了先进的水平,树立了行业的新标杆。随着APM软件中飞行算法的稳定、搭配PC及手机地面站所拥有的强大自动飞行功能,以及APM控制板价格进一步下跌,从此,无人机飞控市场全面洗牌,消费级产品中主流的只剩下APM/Pixhawk、DJI,其次还有零度、极飞,以及Arkbird等公司的产品。
当今,在国内外以无人机为主产品创业的公司不计其数,不仅是概念正值炒作期,由于开源软硬件的存在,使得研发变得较为容易。据不可靠消息,DJI的飞控部分控制算法就是从APM的代码移植的。更有直接照抄代码,只改个名的“骗钱”型公司。
DJI曾被曾被克里斯称为“无人机领域的苹果”,既肯定了其领先又讽刺其封闭。2014年末,DJI在带来全新航拍一体机Inspire 1的同时,发布了DJI SDK(开发套件)。
DJI SDK——可能是第一个开放SDK的商品飞控开发套件
DJI已经推出经纬M100系统,提供机载处理器与壁障系统支持,欲了解详情请见官方网站:https://developer.dji.com/。
开发者的抉择——二次开发开源飞控,还是使用SDK?
3DR曾经一直在充当一个外包商的角色。用其IRIS+无人机举例,从其飞控Pixhawk,软件APM,到PC地面站Mission Planner,都不是其自己主要开发的,而是世界各地的贡献者们共同努力的成果。3DR只设计了机架并进行了组装,GoPro二轴无刷云台是中国企业飞越提供的。
2014年10月,Linux基金会与3D Robotics、Box联合发起了Dronecode(无人机代码)项目,帮助开发者避免重复开发无人机软件,上述产品全部加入该项目。Dronecode的“铂金”成员是3D Robotics和中国香港的YUNEEC,其中中国企业还有作为“黄金”成员的百度,另外老牌国产遥控器、现在也涉足无人机的华科尔是其“赞助商”成员。
2015年开始,3D Robotics从手机地面站开始入手,将所有对使用APM软件的无人机操作的底层代码整合到了“3DR服务”这一个软件中。Droid Planner将对无人机的具体操作通过调用3DR服务进行,于是软件体积大大减小,今后用于控制APM飞控的APP便可避免重复的代码,而使用3DR服务统一调度了。Droid Planner后来被更名为Tower,且在谷歌商店中被发布到了3D Robotics的名下(此前一直在其员工名下)。
3月,3DR正式发布了自己的SDK——DroneKit(无人机套件),并称在“空中”“地面”“云端”任意环节都可以轻松进行开发。“空中”是指在地面站中使用Python脚本调用SDK来进行操作。“地面”指上文提到的在移动设备(目前仅支持安卓,未来还将支持iOS)调用3DR服务进行操作。而“云端”则是可以通过地面站实时上传飞行日志甚至是实时图像,通过SDK开发Web应用。
有意思的是,早在2014年上半年,大部分DroneKit中的接口已能够实现,只不过这些资源没有经过整合,也没有编写完整的文档,更没有对它们进行推广。Dronecode项目的建立无疑加速了各个部分整合的进程。
与DJI SDK相比,DroneKit的劣势非常明显。DJI SDK适用于DJI的一体航拍机,其图传系统、电池电量信息等也一并在SDK中可被使用,而DroneKit目前主要用于自己组装的机器,其各套系统不是一个有机的整体,其仅限于控制飞行及获取飞控自带及连接的传感器的信息,对相机只有拍照一个功能,且不能接入图传,或是无线传输照片(Dronekit-android,即3DR服务,已支持视频流)。这在3DR的新机Solo(使用Pixhawk 2飞控和APM软件)有了改观,其新款遥控器和DJI的新款遥控器一样,集成了图传系统,搭配其自己开发的手机地面站(不是Tower,但同样使用云3DR服务),还完整支持了GoPro相机从设置到无线传输照片的所有功能。这些代码已经在开发版软件中测试。
DJI正通过各种形式的活动引起开发者的兴趣。但使用DJI SDK,开发者能且只能将精力集中在软件当中,其硬件部分的利润仍由DJI获得。开发者是需要盈利的,DJI正在构建这样一套像iOS一样的生态系统,DJI提供优质的硬件与SDK,开发者通过其SDK开发,自行寻找盈利点。DJI在未来很有可能推出其应用商店并引入分成机制,帮助开发者推广应用以便促进盈利。当前DJI已经举办了多次比赛,并使用奖金奖励有创意与实际运用价值的解决方案(多基于计算机视觉技术)。
相比DroneKit,开发者们更对APM软件、Pixhawk硬件及配套的地面站、数传电台、OSD(图像叠加)等软硬件感兴趣,重要的一点是它们都是开源的。很多公司通过修改它们的源代码或电路图,使其轻松“转化”为自己的东西,硬件部分,包括飞控、无人机、数传、笔记本电脑地面站等,都可以自己进行生产,对外可以出售整套无人机系统,获得最大化的利益。
APM软件的通讯层使用了开源的无人机通讯协议MAVLink,意在互相兼容所有使用MAVLink进行通讯的飞控与地面站。现在开发者如果选择两套SDK的一种进行开发,并不能兼容另外一套。如果SDK能够统一,那将为开发者大大减少移植方面的麻烦。遗憾的是,就像单反相机的镜头一样,各家为了自己生态系统的利益,不得不使用自己制定的标准,但是不乏第三方开发出转接环来相互兼容。这就像iOS与安卓中有例如Xamarin、Unity这样的第三方跨平台框架一样,如果将来有一套SDK兼容各个无人机系统的话,那么开发者的兴趣会更加浓厚。
无人机公司的进退——行业和消费级的抉择
2015年,零度智控与雷柏合资的子公司——深圳零度的第一款产品,XPLORER探索者正式上市,代表着零度智控从专业市场进入消费级市场,同时其专业市场的产品也暂缓了更新换代。究竟是专注行业、专注消费级、还是起头并进?
DJI在其官网是这么定义自己的:The World Leader in Camera Drones/Quadcopters for Aerial Photography(全球无人机控制与航拍影像系统先驱)。如今DJI对自己的定位已经十分明确,无人机+影像,从新发布的X5(M43相机+云台)也可看出,不需要刻意去碰如植保之类的“行业”应用,只需将无人机影像做到极致,在配合计算机视觉技术,就已经非常了不起。
来自瑞士的Parrot(也是DroneCode成员)与其收购的子公司senseFly则相互定位明确,Parrot出消费级四轴,senseFly出测绘用机eBee飞翼、eXom四轴等。
如今无人机公司井喷,这个行业、各个公司究竟如何发展下去,还需要时间的检验。
政府介入监管——无人机发展的必经之路
汽车需要驾照才能上路,路上有红绿灯、标识、交警来保证秩序。无人机使用的是空域,如不加监管,肯定会出乱子。然而法律法规,制定过早可能会限制行业发展,制定过迟会造成监管不便。
目前,轻小型民用无人机运行法规已经起草,中国AOPA的无人机监管软件UCloud已在测试阶段,让我们拭目以待。
展望未来——无人机还会给我们带来什么
零度CEO称无人机是“智能空中节点”。...
笔者认为,就现在这些飞机的水平, “民用无人机”这个词现在使用起来还有些“不好意思”。期待“民用无人机”这个FLAG被创客们满意得回收之时。
附1:权衡——各种机型的优劣
固定翼:续航长、起降场地要求高、同等级载荷小、不能定点
传统直升机:垂直起降,效率高、不易控制
多轴直升机:垂直起降,效率低、结构简单、易于控制
扑翼机:仿生,仍处于试验阶段