改寫俄烏戰(zhàn)爭？無人機，一個飛行的傳感器集群

2月24日，俄羅斯突襲烏克蘭，我們見證了歷史：俄烏戰(zhàn)爭打響了。

到10月24日，俄烏戰(zhàn)爭已經(jīng)打了足足8個月。

期間風起云涌，各種高科技武器層出不窮，除了高精制導(dǎo)武器，現(xiàn)在媒體出現(xiàn)最多的字眼是：無人機，一個飛行的傳感器集群。

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世界上“首次”無人機戰(zhàn)爭：中國成背后贏家

近日，美國著名軍事媒體TheDrive的Warzone欄目中，發(fā)布了一篇“標題黨”文章：《人類歷史上第一次無人機空戰(zhàn)完成了》，文章中的視屏被上傳到社交媒體上，引起廣泛熱議。

據(jù)文章介紹，該視頻拍攝于頓巴斯地區(qū)頓涅茨克上空。

畫面顯示一架由烏克蘭軍隊控制的大疆四旋翼無人機在鏡頭中發(fā)現(xiàn)不遠處懸停著一架由俄羅斯方面控制的另一架大疆無人機，隨后俄方無人機向烏方無人機移動，似乎要主動碰撞，結(jié)果在碰撞時俄方無人機損壞了一個螺旋槳葉片，然后墜毀。

因此，TheDrive網(wǎng)站戲稱這是人類歷史上首次無人機戰(zhàn)爭：一架無人機試圖擊落另一架無人機。顯然，如果這也算“空戰(zhàn)”的話，層次也確實太低了一些。實際上，各國設(shè)想的無人機空戰(zhàn)，應(yīng)該是一方無人機發(fā)射導(dǎo)彈，或者使用機炮，擊落另一方的無人機。

但毫無疑問，隨著這場戰(zhàn)爭的發(fā)展，無人機已經(jīng)成為“明星”武器，越來越多地出現(xiàn)在俄烏戰(zhàn)爭中。俄烏戰(zhàn)爭的下半場，已經(jīng)進入到以無人機為主導(dǎo)的交鋒中。

無人機：一個飛行的傳感器集群

無人機的形態(tài)多種多樣，我們一般所見的，軍用無人機以固定翼無人機為主，載重、航程較大。民用無人機則以多旋翼無人機為主，主要是四旋翼。

此外還有無人直升機、垂直起降固定翼無人機等。本文主要討論民用旋翼無人機。

為什么說無人機是飛行的傳感器集群？

因為在一架無人機里，你找不到比各種傳感器更多、更重要的器件！

飛行控制系統(tǒng)（簡稱“飛控”）是無人機最核心的技術(shù)，是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，也是無人機區(qū)別于一般航模(飛行玩具)的最主要標志。

簡單點說，飛控就是無人機的大腦，無人機的飛行、懸停，姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運算和判斷下達指令，由執(zhí)行機構(gòu)完成動作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

這就類似于人體的大腦，對身體各個部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運算后發(fā)出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因為水太燙而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會根據(jù)實際情況重新發(fā)送新的指令。

飛控系統(tǒng)由傳感器、機載計算機和伺服作動設(shè)備三大部分組成，其中，傳感器是使用最多的器件。

一架無人機要平穩(wěn)地飛行，至少需要持續(xù)測量15個狀態(tài)量，包括：三維位置、三維速度、三維加速度、三軸角度和三軸角速度等。

一架無人機至少需要用到包括慣性測量單元（IMU）、GPS、氣壓計、地磁指南針（磁羅盤）、超聲波傳感器、雙目視覺感知等傳感器，此外還有激光雷達、傾斜傳感器、電流傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、發(fā)動機進氣流量傳感器、位置傳感器和一些溫度傳感器等等在各種無人機有所應(yīng)用。

可以說，一架無人機除了外殼，內(nèi)里幾乎都是由各種傳感器組成的！

各種傳感器在無人機中的應(yīng)用

各種傳感器在無人機中有什么應(yīng)用？這是我們所好奇的。

慣性測量單元（IMU）

首先我們來說慣性測量單元（IMU），這是無人機最核心的傳感器之一。有沒有想過一架無人機在空中怎么保持平衡？不會搖搖晃晃、忽上忽下？沒錯，這就是IMU的作用。

IMU是一個傳感器模塊，包含不止一種傳感器。一般的，一個IMU內(nèi)會裝有三軸的陀螺儀和三個方向的加速度計，來測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。

為了提高可靠性，還可以為每個軸配備更多的傳感器。一般而言IMU安裝在無人機的重心上。

加速度計

加速度計是用來提供無人機在XYZ三軸方向所承受的加速力，它以g為單位測量加速度，決定無人機在靜止狀態(tài)時的傾斜角度。

如果加速度計不受任何外部加速度的影響，則無人機將僅測量相對地球的加速度，即重力。假設(shè)3軸加速度計的放置方式是X軸上的傳感器指向左側(cè)，Y軸上的傳感器向下，Z軸上的傳感器向前且不受任何力的影響，則加速度計將返回以下值：X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g。如果將同一加速度計向左偏轉(zhuǎn)，則其讀數(shù)將顯示：X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g。同樣，當向右傾斜時，X平面將返回X = -1 g。

給定的加速度測量相關(guān)性，由監(jiān)控加速度計工作的系統(tǒng)算法來實現(xiàn)。

陀螺儀

陀螺儀傳感器能監(jiān)測三軸的角速度，因此可監(jiān)測出俯仰(pitch)、翻滾(roll)和偏擺(yaw)時角度的變化率。即使是一般飛行器，陀螺儀都是相當重要的傳感器。

角度信息的變化能用來維持無人機穩(wěn)定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅(qū)動器，通過動態(tài)控制馬達速度，并提供馬達穩(wěn)定度。陀螺儀還能確保無人機根據(jù)用戶控制裝置所設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)

除了在無人機上，IMU大多用在需要進行運動控制的設(shè)備，以及需要用姿態(tài)進行精密位移推算的場合，如如汽車機、器人、潛艇、飛機、導(dǎo)彈和航天器等等都能找到IMU。

地磁指南針（磁羅盤）

顧名思義，地磁指南針（磁羅盤）就是為無人機指明方向的傳感器，其原理與我們的指南針是一樣的，都是根據(jù)地磁效應(yīng)來指明方向。

不同的是古時的指南針是很大一個的機械裝置，現(xiàn)在的無人機上的磁傳感器都是基于MEMS技術(shù)，通過各向異性磁性電阻材料，感受到微弱的磁場變化時會導(dǎo)致自身電阻產(chǎn)生變化來感應(yīng)方向。

一般來說，磁羅盤數(shù)據(jù)還需要加速度計提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補強信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù)，就能計算出正確方位。

同時，磁傳感器容易受到四周磁體和鐵的影響，因此可以用來偵測四周的情況，例如電極、電線、車輛、其他無人機等等，以避免事故發(fā)生。

氣壓計

氣壓計運作的原理，就是利用大氣壓力換算出高度。壓力傳感器能偵測地球的大氣壓力。由氣壓計所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無人機導(dǎo)航，上升到所需的高度。準確估計上升與下降速度，對無人機飛行控制來說相當重要。

超聲波傳感器

無人機采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質(zhì)會反彈這一特性，進行高度控制。前面就提到過近地面的時候，利用氣壓傳感器是無法應(yīng)對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠?qū)崿F(xiàn)高度控制。這樣一來氣壓傳感器同超聲波傳感器一結(jié)合，就可以實現(xiàn)無人機無論是在高空還是低空都能夠平穩(wěn)飛行。

GPS（GNSS）

GPS，或者準確的說是“衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”，只是因為美國人最早開發(fā)出了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)并且沿用至今，成為全球使用最多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，因此很多時候我們以GPS代稱，我國的北斗系統(tǒng)也是其中一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前許多衛(wèi)星導(dǎo)航芯片都已支持GPS、北斗等多模導(dǎo)航。

GPS的原理即使通過衛(wèi)星協(xié)助進行定位、導(dǎo)航，但無人機運動情況復(fù)雜，容易受到建筑物與磁場的影響，存在接收不到GPS的情況，因此常需要與IMU等傳感器數(shù)據(jù)融合計算，通過算法以盡可能準確地獲得無人機的位置信息。

雙目立體視覺感知系統(tǒng)

隨著無人機的發(fā)展日益成熟，近幾年，雙目立體視覺感知系統(tǒng)已經(jīng)成為無人機的標配。

雙目功能可以讓無人機在飛行過程中較好的識別周圍環(huán)境，有利于避障和飛行，無人系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)υ摴δ艿氖袌鲂枨蠓浅４蟆?/p>

雙目立體視覺（Binocular Stereo Vision）是機器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應(yīng)點間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。

融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別（視差圖像），使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應(yīng)關(guān)系，將同一空間物理點在不同圖像中的映像點對應(yīng)起來。

簡單點說，就是利用兩個攝像頭來模擬出人的雙眼效果，從而判斷出目標三維信息，達到有效避障的目的。

以上這幾種傳感器可以說是無人機的核心傳感器，缺少這些傳感器，無人機的飛行功能很可能無法保證。

除此之外，還有許多特定傳感器用在無人機的各種特別需求中。

譬如激光雷達，激光雷達是一種發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，無人機通過搭載激光雷達，可以進行精確測繪，能夠更好的服務(wù)于電力巡線、林業(yè)調(diào)查、帶狀測圖等應(yīng)用。

還有MEMS麥克風，是一種能將聲音頻號轉(zhuǎn)換為電子訊號的音頻傳感器。MEMS麥克風正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風，因為它們能提供更高的訊噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性，面對震動時也更加穩(wěn)健。這類傳感器可用在無人機的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動等應(yīng)用。

▲無人機搭載激光雷達進行測繪效果

消費級無人機：我國高科技產(chǎn)業(yè)少有的亮點

集成了數(shù)量眾多的各式傳感器的無人機，是我國高科技產(chǎn)業(yè)少有的亮點，有數(shù)據(jù)顯示，在全球消費級（民用）無人機市場，我國大疆公司占據(jù)了超過70%的市場份額，所有中國民用無人機廠商占據(jù)全球超過80%市場份額。

這世界只有兩種無人機，一種叫大疆，一種叫其它！

2020年12月18日，美國商務(wù)部以“違反美國國家安全” 為由，宣布將大疆公司列入所謂出口管制“實體清單”。

一家企業(yè)被列入美方“實體清單”，意味著這些企業(yè)要從美國供應(yīng)商那里接收貨品時，必須從美國商務(wù)部申請許可證，這個過程將面臨嚴格審查。但被列入“實體清單”的企業(yè)并不被禁止在美國銷售產(chǎn)品。

因此即使大疆被列入美國的“實體清單”，但憑借過硬的技術(shù)和產(chǎn)品實力，大疆的無人機產(chǎn)品在美國市場仍然大賣！

甚至在美國政府提高對大疆等中國公司的關(guān)稅后，大疆對旗下無人機大幅提高售價，市場份額一度沖破80%，因為許多美國人趕在關(guān)稅提高前大量購買大疆無人機。

▲大疆此前在美產(chǎn)品售價調(diào)整清單（部分）

結(jié)語

為什么消費級無人機能夠誕生？

這是因為傳感器、芯片等技術(shù)進步，尤其是MEMS技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)⒁郧昂艽蟮臋C械傳感器做小，并且大大降低功耗，因此無人機、手機等智能設(shè)備的應(yīng)用才成為了可能。

以傳感器等“硬科技”組成的基礎(chǔ)，才是無人機、手機等應(yīng)用設(shè)備生長的沃土。

無人機等智能設(shè)備帶給普通人，能看見這個星球上不一樣的美好。但同樣，在不同使用者手中，無人機也發(fā)揮著冰冷的作用。

希望科技進步，是用在更好的生活。

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審核編輯 黃昊宇