多旋翼飛行器設(shè)計(jì)與控制理論 -第15講-展望V2

第十五講展望 2024/5/2832024/5/2841.新技術(shù)展望2.需求和技術(shù)創(chuàng)新方向3.風(fēng)險(xiǎn)分析4.機(jī)遇和挑戰(zhàn)2024/5/285翼翼2024/5/286采用燃料電池的EnergyOr四旋翼（1）新型電池。采用燃料電池的EnergyOr四旋翼的EnergyOr技術(shù)有限公司報(bào)道采用燃料電池的四旋翼進(jìn)行了3小時(shí)43分鐘續(xù)航飛行。此外，石墨烯、鋁空氣電池、納米點(diǎn)電池這三項(xiàng)電池技術(shù)有望成為未來電池世界的希望。人們對這些新的電池技術(shù)有著十分迫切的需求。它們將首先會(huì)被應(yīng)用到手機(jī)和電動(dòng)汽車，隨后可配備于多旋翼。EnergyOr燃料電池2024/5/287（2）混合動(dòng)力。2015年，司TopFlightTechnologies報(bào)道自己開發(fā)混合動(dòng)力六旋翼。該六旋翼僅需要1加侖汽油，便可以飛行兩個(gè)半小時(shí)，約160公里的距離，最高負(fù)重達(dá)約9公斤。另外，一家來自德國的公司Airstier推出了一款多旋翼。該多旋翼采用油電混合動(dòng)力，有效載荷5公斤，可飛行1個(gè)小時(shí)。2024/5/288（3）地面供電。系留多旋翼，采用地面供電，通過電纜將電能源源不斷輸送給多旋翼，比如：以色列公司Skysapience六旋翼。2024/5/289（4）無線充電。來自德國柏林的初創(chuàng)公司SkySense在無人機(jī)戶外充電方面提供了一種解決方案。SkySense研發(fā)出一塊可以為無人機(jī)進(jìn)行無線充電的平板。SkySense的最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，無人機(jī)的降落-充電-起飛全過程可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，不需要有人在現(xiàn)場進(jìn)行干預(yù)和輔助。如果充電時(shí)間更快，那么無線充電技術(shù)將會(huì)極大地幫助多旋翼進(jìn)行長途飛行。2024/5/283)UWB(UltraWidebanSwiftNavigation公司開發(fā)的P[1]JDHol,etal.TightlycoupledUWB/IMUposeestimation.In:ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonUltra-Wideband.NewYork,USA:IEEE,2009.2024/5/28（2）測速技術(shù)。從安全的角度來說，旋翼在飛行過程中，快速且準(zhǔn)確的獲取自身速度十分重要。這是因?yàn)樗俣确答伳苡行岣叨嘈砜刂频姆€(wěn)定性（提高阻尼），從而達(dá)到更好的懸停和操控效果，提升了飛行器的可操控性。常用的測速方法大多基于光比較精確的測速方案是通過“視覺（光流）+用該項(xiàng)技術(shù)的多旋翼飛行器，極大提升了飛行器的可操控性，獲得了巨大的成功。PX4自駕儀開源項(xiàng)目提供了開源的光流傳感器PX4Flow。該傳感器可以幫助多旋翼在無GPS情況下精確懸停。大疆公司推出的“悟”和“Phantom3”同樣采用了該項(xiàng)技術(shù)。2024/5/28RealSense視頻RealSense傳感器3）“視覺+憶阻器”RealSense視頻RealSense傳感器4）雙目視覺避障技術(shù)。2024/5/28第一，深度相機(jī)避障技術(shù)。深度相機(jī)由常規(guī)相機(jī)、紅外線激光投影儀和紅外線相機(jī)組成。紅外線投影儀對場景投影結(jié)構(gòu)光，進(jìn)而通過分析紅外傳感器接收的反光得到深度信息。微軟在2010年11月推出了深度相機(jī)Kinect。然而它體積還是較大，并且兩米之外才能更好的識(shí)別用戶手勢。在2015年國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)上，英特爾把RealSense技術(shù)也應(yīng)用到了多旋翼身上，用于感知周圍環(huán)境，進(jìn)而供多旋翼進(jìn)行自主避障。與Kinect相比，因特爾的RealSense相機(jī)更小更輕，只有4毫米厚，8克重。除此之外，還有聲吶系統(tǒng)避障技術(shù)、“視覺+憶阻器”避障技術(shù)、雙目視覺避障技術(shù)、小型電子掃描雷達(dá)、激光掃描測距雷達(dá)和四維雷達(dá)等相關(guān)技術(shù)。2024/5/281）GPS跟蹤2）視覺跟蹤視覺跟蹤視頻2024/5/28常見的跟蹤方式為在被跟蹤者身上放置GPS接收機(jī)，從而進(jìn)行定位和跟蹤。然而，對于非合作目標(biāo)，比如罪犯，該方式是行不通的。新的技術(shù)可以依賴視覺和雷達(dá)。在視覺跟蹤方面，3DRobotics公司推出了具有“FollowMe”模式的“TowerDroneControlApp”，該模式能夠使飛行器跟隨用戶，并將用戶保持在攝像頭中心且跟蹤用戶運(yùn)動(dòng)。不僅如此，相機(jī)的角度也可以在無人機(jī)跟隨過程中調(diào)整。OpenCV開源軟件也同樣有很多跟蹤算法供飛行器開發(fā)。盡管視覺跟蹤廉價(jià)，但是它容易受到復(fù)雜天氣和光線的影響。對比來講，雷達(dá)跟蹤更為魯棒。在2015年，雷達(dá)傳感器開發(fā)商Oculii發(fā)布了RFS-M，并宣稱其為第一個(gè)實(shí)時(shí)四維跟蹤移動(dòng)傳感器平臺(tái)。2024/5/28腦電波控制飛行視頻手勢控制臂帶控制AR.Drone視頻手勢控制臂帶控制AR.Drone浙江大學(xué)CCNT實(shí)驗(yàn)室腦電波控制飛行器2024/5/28在2014年國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)上，有人演示了利用MYO手勢控制臂帶控制AR.Drone四旋翼。類似地，智能手機(jī)、手環(huán)、手表和戒指等內(nèi)置慣性傳感器，可以識(shí)別操作者的手勢，同樣也可以用于控制多旋翼。另外，腦-機(jī)接口的技術(shù)是指在人腦與計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備之間建立直接的連接通路。通過對于傳感器獲取的腦電信息的分析解讀，用計(jì)算機(jī)芯片和程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為相應(yīng)的動(dòng)作，這就是用“意念”操控物體的基本原理。國內(nèi)外學(xué)者都嘗試該技術(shù)控制無人機(jī)。然而，從安全的角度來講，這些多旋翼離商業(yè)應(yīng)用仍然差得很遠(yuǎn)。2024/5/282024/5/28通訊技術(shù)十分重要。該項(xiàng)技術(shù)有助于信息共享，可以進(jìn)一步用于交通管（1）4G/5G通訊技術(shù)在2015年11月，有報(bào)道稱美國希望達(dá)成一個(gè)全球協(xié)議來重新分配無線電頻段，以迎接移動(dòng)設(shè)備“5G”時(shí)代的到來。這將引發(fā)世界范圍內(nèi)的飛行跟蹤系統(tǒng)和民用無人機(jī)發(fā)展的新高潮。在未來的十年中，僅僅在美國就會(huì)因此出現(xiàn)800億美元的商機(jī)。2013年，德國的卡爾斯魯厄理工學(xué)院開發(fā)出了一項(xiàng)新的Wifi技術(shù)，利用更好的硬件配備240GHz無線電頻率，實(shí)現(xiàn)了在0.6英里內(nèi)用戶的鏈接速度達(dá)到40Gbits/s（5GB/s）。這種技術(shù)可以通過無人機(jī)的視頻發(fā)射器提供與地面設(shè)備的高速連接。2024/5/2820基于高通驍龍?zhí)幚砥鞯臒o人機(jī)自主導(dǎo)航飛行視頻2024/5/2821（1）2014年CES上，高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器。例如，高通CES上展示的SnapdragonCargo無人機(jī)是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來的飛行控制器，它有無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。2015年9月，據(jù)美國科技新聞網(wǎng)站Engadget報(bào)道，高通已經(jīng)為無人機(jī)市場推出了一個(gè)芯片解決方案，名為“驍龍飛行平臺(tái)”。英特爾CEOBrianKrzanich也親自在CES上演示了他們的無人機(jī)，采用在在機(jī)器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入到無人機(jī)領(lǐng)域。（2）3DR發(fā)表聲明與Intel英特爾共同合作開發(fā)Edison芯片，這是一種新型微型處理芯片。它只有一個(gè)硬幣的大小，卻具有個(gè)人電腦一樣的處理（3）目前，包括IBM在內(nèi)的多家科技公司都在模擬大腦，開發(fā)神經(jīng)元芯片。而一旦類似芯片被應(yīng)用于無人機(jī)，自主反應(yīng)、自動(dòng)識(shí)別有望會(huì)變2024/5/28222024/5/2823 2024/5/2824NASAAmes研究中心舉行。此次會(huì)議給NASA空中交通概念圖2024/5/2825“U“UCloud”無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)“UCare”無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)2024/5/2826無人機(jī)空管系統(tǒng)視頻2024/5/28272024/5/2828從事多旋翼開發(fā)，無外乎從需求、方案、技術(shù)三個(gè)角度入手。從入手的角度，找到一個(gè)靠譜的新需求是上策；同樣的需求，尋求好的方案是中策；同樣的需求和同樣的方案，只是通過技術(shù)改進(jìn)，則是下策。需求到技術(shù)，遵從2024/5/2829（1）需求創(chuàng)新不僅需要對用戶需求的把握，還要綜合把握方案和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)的可行性。需求創(chuàng)新將會(huì)帶來新的問題和特色，這樣會(huì)立刻形成與其他產(chǎn)品的差異性。新的問題引發(fā)新的設(shè)計(jì)，從而形成新的產(chǎn)品。（2）從解決問題的角度，方案是十分重要的。方案創(chuàng)新需要廣闊的知識(shí)面，包括軟件、硬件和算法。在某些情況下，合適的方案會(huì)減小技術(shù)難度。比如：內(nèi)置慣性測量單元的智能設(shè)備和攝像頭都能實(shí)現(xiàn)手勢識(shí)別。操控多旋翼方面，用智能終端還是視覺識(shí)別手勢就是兩種方案。前者開發(fā)難度不會(huì)太大且魯棒較好，而工程上用于手勢識(shí)別的視覺算法往往受限于其應(yīng)用場景。當(dāng)然最后應(yīng)當(dāng)指出的是，在選擇方案時(shí)特定的應(yīng)用環(huán)境也需要考慮（3）技術(shù)創(chuàng)新需要本領(lǐng)域很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，難度最大。難度在于需要對多旋翼某種性能有很大提升，讓用戶真正能感受到。比如：基于光流的測速是一項(xiàng)重要技術(shù)，然而，精度上沒提高一個(gè)百分點(diǎn)都會(huì)帶來成本的提高。2024/5/2830亮度=新穎程度深度=被追趕時(shí)間加速度=發(fā)展速度看好領(lǐng)域看好領(lǐng)域1)玩具、教育、2）可穿戴四旋翼、3）農(nóng)2024/5/28+++++++-+++++++-+++++++-+++++++-++++++++---++++++---++++++-+++++++++2024/5/28是對系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，以使建模方法支基于文檔的系統(tǒng)工程相對應(yīng)，擬在利用先進(jìn)的系統(tǒng)建模語言代替可計(jì)算性等。進(jìn)而，從“以文檔為主、模型為輔”向“以模型主公司，如波音、空客、洛克希德馬丁，設(shè)計(jì)飛機(jī)的流程。至今，有這樣才能夠滿足國際的適航標(biāo)準(zhǔn)。對于目前有一定實(shí)力的多旋2024/5/28332與外部系統(tǒng)獨(dú)立的導(dǎo)航（無GPS）在無外界系統(tǒng)幫助下，如GPS，自身傳感和狀態(tài)估計(jì)，提前感知故障作好安全保護(hù)。感知和態(tài)勢認(rèn)知由飛控手著陸和跟蹤。提前報(bào)告故障如遙控器故障，傳感器故障和動(dòng)力系統(tǒng)故障等1控制預(yù)編程或上傳飛行計(jì)劃如航點(diǎn)、參考軌跡等。由地面站或飛控手進(jìn)行分析、計(jì)劃和決策。簡單的故障保護(hù)大部分傳感和狀態(tài)估計(jì)由多旋翼完成，感知和態(tài)勢認(rèn)知由飛控手判斷。統(tǒng)計(jì)算控制指令利用GPS，它可以懸停、跟蹤目標(biāo)?？梢詸z測遙控器故障、GPS、電子羅盤故障或電池功率高低。可以切換模式如著陸模式0遙控所有決策功能都是由飛控手完成的基本的傳感可能由多旋翼完成；所有數(shù)據(jù)由飛控手處理分析給出控制指令可以由飛控手控制完成懸停、著陸和跟蹤目標(biāo)任務(wù)2024/5/284劃3應(yīng)2024/5/282015年1月29日多旋翼闖入白宮2015年4月24日墜落日本首相官邸自遙控航拍飛行器在教堂頂部拍攝，并在慌亂之中操作失誤，讓飛行器撞到了教堂外側(cè)，令教堂輕微受損。2015年9月，在美國網(wǎng)球公賽暫時(shí)中斷2024/5/281）提高飛行器本身的可靠性。2）減少飛行器下降帶來的沖擊。3）為飛機(jī)編寫ID號（飛機(jī)編號）。4）設(shè)置禁飛區(qū)。5）防欺騙和防入侵。1）培養(yǎng)合格的多旋翼飛控手。2）保險(xiǎn)3）限制飛行器飛行范圍。2024/5/28(1)硬件產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本下降為民用或消費(fèi)無人機(jī)爆發(fā)創(chuàng)造條件。地利。中國大陸，特別是珠三角地帶，具有較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。(2)老齡化社會(huì)。人力成本會(huì)越來越高。(3)無人機(jī)交通網(wǎng)的新建。在這個(gè)大環(huán)