无人机系统分析,启明创新团队举行11月份沙龙

“这个无人机外形好像水母啊。”“空载续航近一个小时,是同类产品的三四倍,这究竟是怎么做到的?”11月30日下午,启明学院团队沙龙第五期“无人机”活动现场,武汉猎隼科技有限公司两位校友创始人的介绍引发了现场观众的热烈讨论。

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■ 记者团 汤子凡 尤金瑞

无人机系统分析

据悉,该公司两位创始人都是华科“学长”。他们所研发的无人多旋翼任务系统,作为搭载各种传感器的平台,可广泛应用于商业航拍、电力巡线、地理测绘等多个领域。公司创始人之一、技术总监刘奇博士介绍了无人机的三大功能特性:持久续航、主动防御、全自动化。对于如何突破同类产品续航时间短的瓶颈,刘奇笑称这是各种方案综合优化的结果。仅就机身重量来说,他们竭尽所能把飞行器重量降到最轻,并采用了新型材料,在实现续航久的同时造价也比同类产品高。

2011年,以大疆创新为代表的中国消费级民用无人机企业,依靠多旋翼无人机迅速崛起。在航拍、物流领域,多旋翼无人机被广泛应用,顺丰、阿里巴巴、圆通等测试无人机送货;《爸爸去哪儿》、《智取威虎山》航拍镜头,歌手用无人机求婚事件;民用无人机领域投资案例频发,都让民用无人机成为近几年最受关注的领域之一。相比消费级无人机市场的红海,国内专业级无人机市场正呈爆发性增长,预计2018年,市场规模将达到 110.9亿元人民币。

11月12日上午9点,由启明学院主办的启明学院第四届学生创新团队开放日活动在启明学院亮胜楼外围正式开始,今年共有18个学生创新特色团队、117个项目参展。这个由启明人自办的年度活动,吸引了不少参观者。

无人机系统介绍

无人机
: 无人驾驶飞机简称无人机,英文名Unmanned Aircraft,从技术角度可以分为无人固定翼飞机,无人垂直起降飞机,无人飞艇,无人直升机,无人多旋翼飞行器等。

在目前国内外,无人机行业发展迅速,尤其以多旋翼飞行器为代表。飞行器的用途也十分广泛,可以用于侦查、战斗机、农业、气象、测绘、巡查等方面。

常见的无人机系统组成主要有以下部分:
飞行器部分(飞行平台、动力装置、导航飞控、电气系统、任务设备)、控制站(显示系统、操纵系统)以及通讯链路(机载、地面)。
就目前的多旋翼multirotor而言,其飞行平台是具有三个及三个以上旋翼轴的特殊直升机,通过改变不同旋翼间的相对转速来改变单轴推进力的大小,从而控制飞行器的运行轨迹。目前而言,多数微型无人机采用电动系统,A电动系统由动力电机、动力电源以及调速系统组成。活塞式发动机是一种内燃机,其动力输出较大,常用于农业、工业用途。

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电动系统示意图

其它常见的动力系统还有活塞式发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、冲压发动机、火箭发动机等,民用无人机一般是电动机与活塞式发动机。

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发动机性能

导航与飞控系统是无人机的核心部件,导航子系统向无人机提供相对于选定的坐标系的位置、速度、姿态角以及姿态角速度等姿态信息。导航系统对信息进行解算交付给飞控系统,飞控系统负责飞机的起飞、空中飞行、执行任务、降落等整个飞行过程。而飞控系统的核心部件就是飞控计算机,其具备如下功能:
姿态稳定与控制、导航与制导控制、自主飞行能力

而飞控计算机一般需要包含微处理器、数字信号处理器(DSP)、可编程门阵列(FPGA)、二次电源、通信接口(RS232、CAN、I2C等)、模拟量输入/输出等。而飞控计算机上面搭载的软件是一种运行于计算机上的嵌入式的实时任务软件,要求其功能正确、性能好、效率高、而且具备较好的鲁棒性、可维护性。
软件需要具备如下模块:硬件接口及驱动模块、传感器数据处理模块、飞行控制律模块,导航与制导模块,飞行任务管理模块,余度管理模块、数据传输记录模块、自检测模块、其它模块。

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飞控软件构成

无人机的电气系统分为机载电气系统与地面供电系统,一般来讲机载电气系统由主电源、应急电源、用电设备组成。目前市面上常见的无人机都是选用锂聚合物电池为主要动力,续航能力只有20-30分钟,充电时间较长,一般需要一个小时以上。
无人机的任务设备主要是按照无人机的用途来装配的,常用的有航拍相机、测绘设备、SRA雷达等。
控制站主要由地面站软件以及遥控设备组成。

现场很多观众都注意到了无人机水母状的外形。当有人问及原因时,他们介绍说起初并没有刻意为之。在设计时为力求无人机外形符合流线型,从而减少阻力,保证续航时间和稳定性,设计稿几经修改,最终发现其外形竟然和水母有着异曲同工之妙。

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无人机研究现状

当嘉宾问到有什么商业目标时,另一位创始人、公司总经理王志鹏不假思索地说,要上市——保守估计三板,现场笑声一片。谈到市场竞争,王志鹏表示,他们对自己的技术非常有信心,德迅1250万元的投资也是对其技术认可的体现。只是公司目前在市场营销和推广方面还略有不足。

在中国武汉,一家依托华中科技大学、武汉大学等高校国家级科研平台的无人机企业迅速乘势而上,迅速崛起。它的创始人王志鹏近日接受了众创网(www.zhongchuang365.com)的独家专访。

正在观察3D打印照片的参观者

多旋翼无人机研究现状

多旋翼飞机的发展历史可以追溯到1907法国科学家Charles指导下生产的第一架多旋翼飞机“旋翼机一号”,其是一架有人机,总重量达578kg。
自此一直到二十世纪90年代,MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技术、无刷电机技术以及微处理器的发展,多旋翼飞机才重新成为科研工作的热点。
多旋翼飞机可以按照旋翼数目分为四旋翼、六旋翼、八旋翼等类型,其旋翼成对出现,并且每队旋翼的方向相反,用来抵消彼此的反扭力矩。多旋翼飞机相对于其它种类的无人机具有很多优点:可以垂直起降,可以定点盘旋,机械结构简单,安全性较高,成本较低。
世界上对于多旋翼无人机的研究集中于三个方面,基于惯性导航的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制接自主飞行系统方案,主要典型代表是瑞士洛桑联邦理工学院(EPEL)的OS4,宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMRAS。
EPEL自动化系实验室开发出一种电动小型四旋翼无人机,其研究的重点在飞行控制算法,其使用一个Xense的MT9.B的MEMS惯性单元,在一个飞行测试平台上对PID、LQR、Backstepping自适应控制、Sliding-mode control算法进行了实验,实现了姿态的控制。
HMX4飞行器底部拥有5个彩色标记,地面摄像头跟踪并测量标记的位置以及面积,利用Backstepping自适应控制实现了自主的悬停,这种基于视觉的控制方法可以很好的应用于某些特殊的场景,如固定平台起降、与地面机器人配合等。
GTARS是佐治亚理工面向火星探测任务设计的无人机系统。
除了对飞控的研究以外,二十世纪末斯坦福大学设计制造出的Mesicopter是世界上最著名的微型飞行器,其旋翼直径1.5cm,电机重量325mg。

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Mesicopter

随后来自启明学院的三支团队代表上台介绍本团队的项目。智能机器人团队的“混合实时四旋翼飞行器设计平台”,电子电工基地飞控团队的“通用多旋翼飞控设计平台”,机械创新基地思飞工作室的“四旋翼无人机”,三支团队虽然都聚焦无人机领域,但是在技术和方向上各有不同。

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商业无人机

目前国内外无人机公司非常多,比较出名的有大疆(DJI)、昊翔、亿航、飞豹、零度智控等公司。
深圳DJI成立于2006年,主要经营多旋翼一体机Phantom、Inspire系列,经纬M200系列飞行平台,Naza系列、A系列飞控。其飞控价格在400-1000左右,能够实现自稳、定高、姿态控制等功能,调试也比较简单,但是其二次开发难度比较大。
零度智控主要做无人机整体解决方案供应商,产品主要覆盖飞控、云台、图传、视觉等领域。

介绍完毕后,三位团队代表与企业代表、特邀嘉宾以及现场观众,就无人机问题做了一系列探讨,现场气氛十分热烈。校友创业者对团队作品从技术到方向做了细致点评,并表示愿意支持他们相关项目研发,提供实习实践机会。同学们也表示,通过与不同团队和企业的交流,视野更加开阔,受益匪浅。

猎隼无人机CEO创始人王志鹏接受众创网专访

参观者与羽毛球机器人对打

多旋翼无人机技术热点难点

“这个沙龙我也是第一次来,挺不错的。特别是猎隼那个长得像水母的无人机,感觉还蛮厉害的。”来自机械创新基地的一位观众如是说。

瞄准专业级无人机 年销售额过千万

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飞行控制算法的研究

飞行控制是多旋翼飞行器的核心,它主要负责实时收集传感器的测量数据,通过控制算法控制电机运转。一般多旋翼系统会有加速度传感器、陀螺仪以及电子罗盘等传感器,微处理器一般采用STM32系列的微处理器。一般处理方法是采用四元数坐标转换,将各传感器的数据通过一定的算法解算出正确的飞行器姿态,姿态解算算法要求快速性较好,准确性高。
在姿态解算算法中,有很多的研究方向:加速度计与陀螺仪的互补滤波算法及优化、基于梯度下降的数据融合算法、卡尔曼滤波算法。
并且在对姿态解算算法研究之后,也可以应用于遥操作机器人的姿态解算,护理机器人的姿态结算等方向。
另一方面,当姿态解算完毕,接下来需要研究的就是姿态控制算法,其算法可以使自适应滑模控制、模糊PID控制,也可以使用其余算法进行测试,对于飞行器的算法也可以应用于卫星等被控对象。

王志鹏,2009年从华科光电材料专业毕业后,进入中元华电,担任硬件工程师,期间,他打基础、谋创业。2013年华科软件工程硕士研究生毕业后,拿着父亲投的100W,他从自家车库开始,创办了猎隼科技;3年时间,他将公司年销售额做到1000万;他今年29岁,带领着50余人的创业团队,活跃在专业级无人机市场。

布林机的宣传海报

图像制导的研究

多旋翼的飞行环境是不确定的,因此对于其在复杂条件下的导航与制导就成了一个难点,特别是在复杂条件下的图像制导同时也是计算机视觉领域的研究热点,一定程度上也可以应用于武器的精准打击。

清晰的思路、对技术的执着,对产品的理性分析,创始人兼总工程师王志鹏满足了众创网记者对理工男的所有想象。这是家技术驱动的创业企业,团队80%以上都是研发人员。王志鹏向众创网介绍时如数家珍,他说,做无人机的厂商很多,但国内拥有全套自主研发技术的公司凤毛麟角,不超过10个,我们是其中之一。

信息安全守护者 虹膜识别技术

无人机自主飞行

多旋翼无人机想要实现图像精准制导,就需要实现无人的自主飞行,使得无人机在飞行过程中自主检测障碍物并采取一定的规避策略,使得其不需要预设飞行轨迹,主要算法有基于单目视觉的特征匹配避障、基于激光雷达的的势场法避障、基于超声测距与图像的融合算法、基于双目视觉的多阈值分割的避障算法等。
对于无人机自主飞行的研究同样可以应用于机器人的自主行走、无人机编队的研究。

从市场规模角度,警用无人机、农业植保无人机、测绘与巡线无人机由于是刚性需求、政策障碍小、技术相对成熟。王志鹏利用研发优势,带领团队紧抓机遇,将无人机视为生产工具,帮助行业用户提高生产力。猎隼无人机目前专注电力行业,业务涉及到电力巡线、架设线路、核辐射监测和电子设备设施故障监测,未来也将在植保和其他领域发力。

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无人机的其余通途

无人机可以开发用于遥感测绘、农业植保等方向,比如基于无人机采集图像的植被识别方法研究、农用无人机多传感器遥感辅助小麦育种信息获取、无人机在电力线路巡视中的应用、基于仿鹰眼视觉的无人机自主空中加油、基于辅助信息的无人机图像批处理三维重建方法。

定制载荷产品 节省90%研发时间

“目前,生物识别技术中虹膜识别是最安全的。从生物学角度看,相比指纹识别,虹膜必须活体采集,不可复制,而指纹可被仿制。”项目组成员余乐正在给体验的群众答疑。

参考文献

[1]代君,管宇峰,任淑红.多旋翼无人机研究现状与发展趋势探讨[J].赤峰学院学报(自然科学版),2016,32(16):22-24.[2017-08-07].DOI:10.13398/j.cnki.issn1673-260x.2016.16.008
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[11]多无人机协同编队控制的研究现状与发展前景[J]. 周绍磊,康宇航,万兵,周超,尹高阳,孙聪. 飞航导弹. 2016(01)
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[13]郭复胜,高伟. 基于辅助信息的无人机图像批处理三维重建方法[J]. 自动化学报,2013,39(06):834-845. [2017-08-07].

未来,专业级无人机将广泛应用到更多行业、场景中,因行业的差异性需求而产生定制化的硬件、软件服务将释放巨大市场。猎隼无人机瞄准专业级无人机,产品精准定位行业用户,通过定制化载荷解决行业多样化需求。

本项目是Dian团队与北京释码大华科技有限公司的合作项目。释码大华公司是团队老队员王晓鹏的创业公司,是一家拥有虹膜识别核心技术及完全自主知识产权、提供专业化虹膜识别产品和应用解决方案的高科技公司。

必威app手机下载,用王志鹏的话说,无人机载具只是飞行器,载荷是“干活儿”的那一部分。猎隼目前已有云鹏、云雀等无人机系列。

Dian团队虹膜识别项目分为软件和硬件两部分,软件部分致力于提升完善虹膜识别过程的算法,硬件部分则将虹膜识别与嵌入式设备相结合在相关领域进行探索。虹膜识别技术的应用将利于为政府、企业或个人提供专业化、个性化的整体解决方案,为客户提供算法级、芯片级的技术支持和开发服务,为生物识别和信息安全保驾护航。

王志鹏向众创网介绍,猎隼无人机续航时间长达1个小时,是同行业同类型的机器的2-3倍,最高飞行时速达80km/h,能对抗5~7级大风。例如,此次武汉洪涝灾害,猎隼无人机协助省水利厅、防总等部门在暴雨下顺利完成长江汇入口水文监测、实时预警任务。

追求性能最优化 FSAE方程式赛车

而载荷则是为客户量身定制的。由于载具与载荷间接口的标准化,研发和测试速度非常敏捷,可节省90%的时间。基于标准化的接口,用户也可任意替换载具和载荷,节约成本。与此同时,载荷上安装增稳减震器,支持拍摄图像实时回传地面站,用户可第一时间获取现场状况。

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自主研发数据链协议与信息处理技术

FSAE方程式赛车属于新能源与节能减排大学生创新活动基地,用于参加全国大学生方程式汽车大赛,本赛车完全由学生设计制造并亲自驾驶参加该比赛的各种动态项目。

中国民用无人机企业过于偏重硬件,目前还缺乏在无人机软件领域的重要企业。在美国,Airware和DroneDeploy已经多次拿到风险投资。Aireware的目标是成为无人机领域的微软,重在操作系统;DroneDeploy的目标是要成为无人机领域的SAP或者Oracle,重在行业应用。

赛车整车由车架,悬架,转向,制动,发动机,传动,车身,电控八大系统构成。整车力求在满足赛规和保证安全性的前提下,得到良好的操控稳定性、动力性和空气动力学特性。在设计中,尝试通过多方案对比、大量的CAE分析验证及优化来选取较优方案、提前预测赛车可能的失效形式并通过针对性的优化提升赛车性能。

飞机控制技术是民用无人机的核心技术之一,1-2年内,掌握优势飞机控制技术的企业将提前抢占市场。

机械学院的杨光宇是方程式赛车队的车手,也是今天产品展示的负责人。说起他们的团队,杨光宇一脸自豪,“现在我们的团队有3辆赛车,我们每年都要参加比赛,今年是第六次。虽然我们做的东西也许已经有人做过了,但亲自动手做一辆能参加比赛的车子却能培养我们做一个合格的工程师的能力,这也是启明对我们的希望。”

王志鹏告诉众创网,猎隼无人机自主研发的自主研发数据链协议与信息处理技术,是一套复杂的协议。在天上的部分,划分为飞行控制系统、链路管理系统、载荷管理、远程控制管理,通过无人机网关,跟地面站网关链接;地面站划分为任务规划模块、远程遥控模块、载荷数据处理模块。值得关注的是,数据链路系统中的模块均为猎隼科技自主研发,目前共拥有国家发明专利、外观专利及软件著作权等20余项知识产权。

远近高低大不同 旋翼飞行器

据透露,近期猎隼科技正在测试自主研发的无人机集群化控制技术,实现单套地面站系统同时操控多架无人机协同作业,年末将发布并投入应用。

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盈利模式:我们卖的是一整套解决方案

在开放日上由思飞工作室带来的HUST灵翼旋翼飞行器,和智能机器人及智能系统仿真科技创新基地分别带来的混合实时六旋翼飞行器,引起了不少现场参观者的浓厚兴趣。

从商业模式看,由于民用无人机具有重复购买周期长、对飞控要求高、单价高等特点,产品销售盈利之外,服务盈利也是该行业重要的盈利模式。

与传统旋翼式飞行器不同的是,HUST灵翼旋翼飞行器在其飞行过程中,四只旋翼可以相互抵消反扭力矩,而不需要反扭矩桨,使其结构更紧凑、产生更大升力。同时因其飞行空间小,效率高、易控制等优点,在军事、民用方面有广阔前景。

王志鹏表示:“我们销售的是一整套解决方案,而不是单个无人机。客户需要的不仅仅是一个机器,他需要解决问题”。目前,猎隼科技已先后与南方电网、中石油、中石化、中国铁路,以及各大高校、测绘院、各地公安、消防、电视台、农机站等建立了长期合作关系。专业级无人机已涵盖电力监测、油气巡检、航测航拍、公共安全、农业植保、抢险救援等无人机应用核心领域,尤其在电力巡线、杆塔检查、通道测量等方面独树一帜。

混合实时六旋翼飞行器平台是基于Zybo设计的一种功能完善、架构合理、组件化设计的飞行器平台,结合微软的Kinect传感器实现室内环境的三维地图构建。其中拟在PS端的CPU上移植ubuntu操作系统,基于ROS,运行ROS节点,进行数据采集预处理和发布;同时在PL端进行Kinect图像数据的加速处理,并运行部分较为复杂的算法。结果显示,软硬件协同处理架构的设计下的六旋翼飞行器可以应用于研究生室内环境建模,图像处理等诸多领域。

市场估值4亿 年底进行A轮融资

创业沙龙:不止于创业

王志鹏在15年2月年初接受湖北卫视记者采访时说:“我们公司(今年)的销售额将达到五百到一千万”。而市场反馈大大超出预料,仅15年一年营业额就过1000万。距15年7月完成1500万人民币Pro-A轮融资已有一年时间。王志鹏表示,公司将在16年年底进行A轮融资,市场估值在4亿人民币左右。

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不破不立。这句话无论是对民用无人机企业,还是对行业用户,都同样适用。唯有从思维上先自我革命,才有可能洞悉无人机可能带来的深层变革,才有可能把握未来的商业机会,成就事业。王志鹏的猎隼无人机计划在提高系统市场占有率后,开放数据链技术,供行业用户和公司自由使用和再开发,成为专业级无人机行业内协议和规范的制定者,帮助和成就更多公司。

下午两点,团队项目沙龙在亮胜楼一楼报告厅举办。作为启明学院创新团队常规性活动,该沙龙已成功举办了22期。此次沙龙从启明学院创新团队中选取4-5支优秀的创业项目进行展示交流,旨在为同学们提供一个相互沟通、分享交流的平台,从而营造一个良好的学术氛围。

《青春创业季》是众创网全力打造的创业系列报道,旨在讲述创业者故事,展示他们对于产品、团队、商业模式等诸多方面的创新和经验。如果你也是创始人,也有感人的创业故事,或者你的产品够炫酷,赶紧跟我们联系吧!

启明学院智能机器人团队的“室内移动机器人三维建模”、步灵科技的“布林机”游戏、冰岩作坊的“寻TA”等项目得到了评委们和观众们的广泛注意。尤其是近期获得“启明之星”荣誉的步灵科技团队引起了评委们的浓厚兴趣,4月末,他们获得微软“创新杯”游戏组一等奖。随后,又拿到了中国独立游戏大赛最佳学生作品第一名。“布林机打破了传统游戏的套路,采取了与人工智能相关的科幻背景,用类似魔方的可变地图和新颖奇幻的揭密元素,创新出一款新型解谜游戏”讲台上的步灵科技的演示者这样说道。

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