“民用无人机”——创客们立的一个 Flag

发布于 2015-10-14  54 次阅读


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


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