多旋翼无人机市场调查
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目录
一、多旋翼无人机概述二、四旋翼无人
机概述三、四旋翼研究现状四、四旋翼
生产厂商五、DJI几款产品市场价格情
况六、多旋翼无人机投资策略
1.1 无人机定义
无人飞行载具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)或称无人飞机系统(Unmanned Aircraft S ystem,UAS),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机,俗称无人机或无人飞机。
从广义上讲有翼导弹也可以算一种无人驾驶的飞机,但本报告所提及的无人机主要是指没有驾驶员的飞机
广义无人机
狭义无人机航模
1.2 无人机分类及特点介绍
注:飞艇及伞翼机不做重点介绍
1.3 多旋翼飞行器的组成
电机
多旋翼飞行器动力系统
主体
动力(锂电及充电器)
电子调速器
桨
机架
脚架
云台
遥控接收器
手动控制
遥控
FPU
OSD(On
Screen Display)
图传
控制系统
飞行控制器
地面站
主控图传接受器
GPS 监视器
IMU
电子陀螺
LED状态显
示
其它辅助设备:电台、Wifi模块等、增益天线、跟踪天线、HDMI转AV模块
1.4 多旋翼控制系统改进历程
20世纪90年代之前,惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩;
20世纪90年代之后,随着微机电系统(MEMS)研究的成熟,几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来,使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了;但是MEMS传感器数据噪音很大,不能直接读出来用,于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法;这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行,于是人们又等了一些年时间,等速度比较快的单片机诞生;接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构,给它建模、设计控制算法、实现控制算法;直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。
1.5 多旋翼飞行器评价要素
安全性
负载
效率
灵活性
维护及扩展性
稳定性
2.1 四旋翼特点
四旋翼无人飞行器是一种能够垂直起降、以四个旋翼作为动力装置的,不载操作人员的飞行器。
优势特点:
体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性好,适合多平台,多空间使用, 可以垂直起降,不需要弹射器、发射架进行发射,可悬停、侧飞、倒飞;
飞行高度低,具有很强的机动性,执行特种任务能力强;结构简
单控制灵活,成本低,螺旋桨小,安全性好,拆卸方便,且
易于维护。
2.2 四旋翼飞行原理
四旋翼是一个4输入6输出的欠驱动系统
2.3 四旋翼控制方法
PID控制鲁棒控
制模糊控制非线
性控制
自适应神经网络控制
2.4 四旋翼应用
航空摄影:摄像、照相等
农业:农作物监测、喷洒、牧群监测与驱赶
海岸警卫:搜寻、海岸巡逻、海界标监测
环境保护:污染及土地状况监测
海关与税收:非法走私监视
电力公司:电力传输线检查
消防与森林防护:火情检测、偶发事件控制
渔业:渔业保护
天然气与石油供给公司:地面监测、输油管路安全
信息服务商:新闻与图片、特殊野外生活图片
救生船协会:事故调查、导航与控制
地方政府:普查、灾害控制
城市服务:大气参数采集与检测、分析
交通管理部门:道路交通检测与控制
警察部门:失踪人员搜寻、安全与突发事件监视
普查机构:地理、地质、考古勘定
河道管理部门:水路即水情监测、洪水与污染控制
水务部门:水务与水管道监测
3.1 四旋翼研究历史
四轴飞行器的概念几十年前就已经出现,但是因为同时期的技术水平限制,大型的四轴飞行器制造难度很高,性价比远远低于固定翼
飞行器和直升机飞行器,因此历史上前期一直没有大型的四轴飞行器
诞生;
2002年前后,随着微机电系统(MEMS)的成熟,以及电池和无刷电机等技术的发展,电动微型(直径小于1米,重量小于2kg)四
轴飞行器被发现是一种效率极高的飞行器,引起了学术界极大的关注;
2005年之后小型四轴飞行器研究日趋成熟,一些商用产品开始面世。
3.2 国外研究机构(一)
瑞士联邦理工学院洛桑/洛桑联邦理工学院(EPFL)
室内自主飞行、自动避障;
代表:OS4
研究的重点:机构设计方法和自主飞行控制算法,目标是要实现室内和室外环境
中的完全自主飞行。
OS4I最大长度约73cm,质量为235g;它使用了DragardlyerIII的旋翼和十字
框架,4个Faulhaberl724电机,以及一个sense的MT9-B微惯性测量单元。研
究人员通过万向节将它固定于飞行测试平台之上,使其只具有3个转动自由度;能
源供给、数据处理、电机驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供;至
2004年,已经分别基于多种控制算法(例如:PID、LQ、Backstepping、
Sliding-mode),实现了飞行器姿态控制。
OS4II的机身最大长度72cm,重520g;机载230g的锂电池,能提供自主飞
行30min的能量。它与OS4I的区别主要有:使用了桨叶面积更大的新旋翼;使用
了更轻、功率更大的LPK无刷电机BLDC;使用皮带减速装置代替了电机减速箱;
控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都直接安装在机体上,不再由机体外
部提供。
2006年1月EPFL已经实现了OS4Ⅱ在室内环境中基于惯导的自主悬停控制;
2013年,EPFL教授Raffaello D'Audrea的团队(Federico Augugliaro/Dario
Brescianini/Markus Hehm/Sergei Lupashin/Mark Muller/Robin Ritz)在TED 展示
了其四旋翼飞行器。
3.2 国外研究机构(二)
美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室
Daniel Mellinger, Nathan Michael, Vijay K umar等人设计的一种能够在室内飞行的四旋翼无人飞行器,这中飞行器通过室内的红外光辅助惯性测量单元(Inertial measurement unit, IMU)进行姿态检测,能
够在室内实现稳定飞行、翻转、避障、目标识别和着陆等功能,具有极强的控制稳定性和鲁棒性。另外,该实验室还完成了多飞行器协同工作,室内飞行器定位与3D建图,图像视觉与目标识别以及一些极端条件下的飞行试验。
2012年,印度人Vijay K umar教授在TED展示了其四旋翼无人飞行器,一场充满数学公式的演讲吸引了来自全世界的科技爱好者,并引爆了全球多旋翼无人飞行器市场。
代表:HMX4
3.2 国外研究机构(三)
麻省理工:
A braham Bachrach, Nicholas Roy等人设计了一种能够完成室内定位、
建图和避障的四旋翼无人飞行器,该飞行器通过激光雷达获得周围
的环境信息,并通过SLAM(simultaneous localization and map
building, SLAM)算法进行飞行器室内定位,并建立环境的3D地图,根据环境信息进行障碍物判断和路径规划,进而在室内无法接收到
GPS信号的情况下进行自主飞行,并能够实现避障等功能。研究重
点:自主飞行、编队飞行
代表:Kinect Quadrocopter M IT(麻省理工和华盛顿大学合作)、
MIT Q uadrocopter(麻省理工计算机科学和人工智能实验室)
3.2 国外研究机构(四)
斯坦福:
斯坦福大学Gabriel M.Hoffmann, Steven W. Waslander, Michael
P.Vitus等人设计了一种能在室外自主飞行的四旋翼无人飞行器,该
飞行器通过扩展卡尔曼滤波算法对GPS/INS/Ec提供的信息进行融合,
从而进行飞行器的稳定控制。该飞行器能够通过预先设定好的航路
点在室外完全自主飞行,并通过Wi-Fi将飞行参数和图像信息实时传送回地面飞行控制站。
重点:自主航点跟踪、多机协同飞行代表:
STARMAC I是由Draganflyer I II改造而成,地面站通过无线控制四旋翼飞行器飞行,
机载电子单元完全由斯坦福大学自主设计研发的电路板取代,集成了自主飞行时所需要
的测量和通信功能。STARMAC I使用GPS和惯导传感器可以跟踪预定航点轨迹飞行。
STARMAC II是STARMAC I的改进型,采用碳素纤维结构,推力更大,飞行时间更
长,在飞行过程中能自主控制高度和姿态,主要应用于复杂环境中搜索、营救、监视和
网络中移动传感器。STARlMAC工程的目的是四旋翼系统有可靠的、完全自主的航点跟
踪能力,使其成为一个测试平台,具备多飞行器协同飞行水平。
3.2 国外研究机构(五)
澳大利亚国立大学(Australian National University, ANU) 重点:升力与稳定性问题、俯仰和横滚模态耦合、抗干扰研究人员:Paul Pounds、Robert Mahony
代表:X-4 Flyer Mark I和X-4 Flyer Mark II
3.2 国外研究机构(六)
DraganFlyer X4是美国Draganfly Innovation I nc.设计的一种超级遥
控摄像飞机,具有惊人的性能和良好的稳定性,它轻便小巧易于携带,质量为680g,最大长度约77.5cm,有效载荷为250g。可用来测量、工业测绘、军事侦察、空中摄影等;机载高性能处理器可以运行数千行代码并且接收传感器(三个加速度计,三个陀螺仪,一个气压传感器)输出的信息并加以处理。操作者使用手持式控制器可以控制它飞行的方向、速度大小,也可以调整飞行的高度。可以做到自动平衡, 4 定点悬浮,如果控制失效自动着陆系统,同时
这个设备可以通过无线向你的手机发射视频信号,可以通过控制器实时进行放大查看等操作。
代表:E4、X4
3.2 国外研究机构(七)
MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器,机体和云
台完全采用碳纤维材料制造,这种材料拥有更轻的重量和更高的强度,也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力,如图1.2所示。飞行时间不低
于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS(姿态、高度及航向参考系
统),集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计
等多种高精度传感器和卓越的控制算法,md4-200的操控因而变得非
常简单。可制定飞行航线规划,让飞行器按照预设的航线自动飞行。
采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能,还可
以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行
数据,所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心,包括电池状态、
高度、姿态、位置、飞行时间等,用于航后的数据分析。
MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁,它能够在电量不足和失去
控制信号时自主降落。
3.2 国外研究机构(八)
AR.Drone直升飞机是法国派诺特(Parrot)公司开发的一款飞行器
AR.Dron类似于一款无人驾驶直升机,拥有四个独立旋翼,操作员
可以使iPad、iPhone、和iPod T ouch上的软件对其进行飞行控制操
作。由于整个飞机的操作都是基于飞机自身发出的Wi-Fi信号,因
此操控距离可达50米。该飞行器的下方还加装有重力感应装置、陀螺仪、机械控制芯片等部件,利用智能飞行技术可以纠正风力和其他环境误差,平衡AR.Drone的飞行速度和角度。这款航模的驾驶舱前部安装有一个摄像头,可以将第一人称视角的画面通过Wi-Fi信
号传回 iPad(或iPhone、iPod Touch),这样就能在iPad上看到逼真的模拟驾驶舱画面,而Parrot公司还提供有SDK,游戏开发者可以针对该产品设计开发虚拟空战游戏。