科普關(guān)于5G應(yīng)用的無人機(jī)

說到無人機(jī)，大家一定都非常熟悉。

腦海里是不是馬上浮現(xiàn)出這個畫面？

是的，最近這些年，無人機(jī)可以說是爆發(fā)式發(fā)展。以前，它僅用于神秘的軍事用途。如今，卻在我們的日常生活中見怪不怪。

我們身邊出現(xiàn)了越來越多的無人機(jī)愛好者

眾所周知，我們正在大步邁向5G時代。在各類媒體上，關(guān)于5G的報道蜂擁而至。

其中很多報道，同時出現(xiàn)了“5G”和“無人機(jī)”這兩個字眼。

那么，作為最受歡迎的通信技術(shù)和最被看好的“科技玩具”，5G和無人機(jī)之間，究竟有什么樣的關(guān)系？兩者的結(jié)合，會摩擦出怎樣的火花？5G，又是否會改變無人機(jī)的未來？

一分鐘快速了解無人機(jī)

首先，我們還是先來了解一下無人機(jī)的一些基本知識。

無人機(jī)，其實就是無人駕駛飛行器（UAV，Unmanned?Aerial?Vehicle）的簡稱。更準(zhǔn)確來說，無人機(jī)就是一種利用無線遙控或程序控制來執(zhí)行特定航空任務(wù)的飛行器。它和常規(guī)飛機(jī)最大的區(qū)別，當(dāng)然就是飛行器上面是否搭載了人員。

也有人說，無人機(jī)就是一種會飛的機(jī)器人。

無人機(jī)這個東東的歷史其實并不算短。早在100年前的一戰(zhàn)時期，世界上第一架無人機(jī)就已經(jīng)出現(xiàn)了。

最早期的無人機(jī)

在這之后的漫長歲月里，無人機(jī)一直都是用于軍事用途，例如作為靶機(jī)、偵察機(jī)等。

老美的“火蜂”靶機(jī)無人機(jī)

進(jìn)入21世紀(jì)，軍用無人機(jī)發(fā)展到驚人的程度，成為戰(zhàn)場的主角，也成為萬眾矚目的焦點。

大名鼎鼎的美國MQ-9死神無人機(jī)，偵查打擊樣樣精通

無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟，加上市場的迫切需求，開始刺激它向民用領(lǐng)域發(fā)展，從此一發(fā)不可收拾，衍生出各種各樣的民用機(jī)型和應(yīng)用。

這些無人機(jī)，種類繁多，特點鮮明，用途廣泛。

按飛行平臺構(gòu)型，可以分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)、傘翼無人機(jī)、無人飛艇。

還有按尺寸的分類（民航總局管理時，主要依據(jù)這個）：

按任務(wù)高度或者活動半徑的分類：

總之，五花八門，品類齊全。

我們見過最多的，同時也是我們這篇文章的重點研究對象，就是下面這種民用旋翼無人機(jī)。

這類無人機(jī)，目前被廣泛用于各個社會領(lǐng)域，給我們的工作和生活帶來了很大的改變。例如無人機(jī)播撒農(nóng)藥、無人機(jī)物流、無人機(jī)拍攝電影、無人機(jī)燈光秀，等等。

無人機(jī)播撒農(nóng)藥

無人機(jī)配送快遞

什么是“網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)”？

民用旋翼無人機(jī)通常由以下幾個部分組成：機(jī)架、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、掛載系統(tǒng)。

旋翼、電機(jī)，還有機(jī)架內(nèi)的電池，都屬于動力系統(tǒng)

當(dāng)然，除了無人機(jī)本身，還有地面的控制系統(tǒng)。

目前的無人機(jī)，主要還是人為控制的。所以，我們在外面看到別人使用無人機(jī)，都是使用遙控系統(tǒng)進(jìn)行操控。

就像這樣：

這種操控方式，屬于點對點通信。遙控器和無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，是采用Wi-Fi或藍(lán)牙的方式。

正如大家所知道的，Wi-Fi或藍(lán)牙的通訊距離非常有限。以Wi-Fi為例，通常只能控制在300~500米的視距范圍以內(nèi)（特定條件限制下，可以達(dá)到1公里以上）。藍(lán)牙就更不用說了。

所以，這種方式很大程度上約束了無人機(jī)的飛行范圍。

作為無人機(jī)的操控者（通常稱為“飛手”），一般是不敢讓無人機(jī)飛得太遠(yuǎn)的。如果飛遠(yuǎn)了，可能會導(dǎo)致無人機(jī)和飛手之間的通訊中斷，甚至“炸雞（墜毀）”。

墜毀的無人機(jī)

于是，人們想出了一個全新的無人機(jī)通信方式，那就是——網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)。

網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)，其實就是利用蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，連接和控制無人機(jī)。更簡單來說，就是利用基站來聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)。

無人機(jī)+蜂窩通信基站

相對于Wi-Fi，蜂窩基站擁有更廣闊的覆蓋范圍，將使無人機(jī)的通訊更加靈活、可靠。

大家如果對無人機(jī)稍有了解的話，一定聽說過“圖傳”和“數(shù)傳”這兩個詞。

“圖傳”，就是傳輸圖像，將無人機(jī)吊艙相機(jī)拍攝的視頻或圖像畫面，傳回到地面上。

無人機(jī)的相機(jī)吊艙

“數(shù)傳”，就是傳輸數(shù)據(jù)。無人機(jī)上面有很多傳感器數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳回到地面，就是數(shù)傳。

無人機(jī)與地面的通信，主要是三種目的：圖傳、數(shù)傳和遙控。

圖傳對無人機(jī)通信能力的要求可以說是最高的。

如果我們使用Wi-Fi點對點通信，通信距離一般不超過500米*，圖傳能力可以達(dá)到1080p（分辨率1920×1080，屬于超清），每秒30幀左右。

*像大疆這樣比較厲害的廠家，自己搞了一個OcuSync圖傳（類似Wi-Fi，也用2.4GHz頻段）的技術(shù)，號稱圖傳距離可以達(dá)到7公里（1080p）。

如果用網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)，4G LTE蜂窩通信技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋到位的話，理論上可以說是不受距離限制。圖傳能力的話，目前主要是720p（分辨率1280×720）左右。

無人機(jī)圖傳回來的圖像

如果是無人機(jī)航拍，因為距離較遠(yuǎn)，720p或1080p的分辨率并不算清晰，一些特定場景下（例如查看設(shè)備指示燈和人臉識別等），還是不能滿足用戶的需求。

除了速率帶寬之外，我們再看看其它方面。

在定位方面，現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)在空域定位精度約為幾十米（如果采用GPS定位，精度大約在米級），在一些需要更高定位精度的應(yīng)用方面（例如園區(qū)物流配送、復(fù)雜地形導(dǎo)航等），必須考慮增加基準(zhǔn)站提供輔助，才能實現(xiàn)。

在覆蓋空域方面，4G網(wǎng)絡(luò)只能覆蓋空域120米以下的范圍應(yīng)用。在120米以上（一些高空需求，例如高空測繪、干線物流等），無人機(jī)容易出現(xiàn)失聯(lián)狀況。

總而言之，目前4G網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)下的無人機(jī)，應(yīng)用場景限制太多，用戶受眾規(guī)模太小，導(dǎo)致它在消費市場難以得到普及，也制約它的長遠(yuǎn)發(fā)展和價值發(fā)揮。

5G和無人機(jī)

當(dāng)當(dāng)當(dāng)當(dāng)！我們的5G終于閃亮登場！

正因為4G和Wi-Fi的不給力，于是乎，我們需要更牛逼的蜂窩通信技術(shù)，那就是5G。

5G究竟會給無人機(jī)帶來什么？我們一個個來看。

首先還是剛才說的圖傳。

5G眾多特點中排第一位的，當(dāng)然就是超寬帶。

5G的理論帶寬可以達(dá)到20Gbps以上。目前已建設(shè)的實驗網(wǎng)絡(luò)中，也普遍達(dá)到了1Gbps的速率，這個速度是4G LTE的十倍以上。

在這個速率的支持下，別說720p和1080P，就連4K甚至8K的超高清視頻都能完美支持。

相比于地面?zhèn)鹘y(tǒng)攝像頭靜態(tài)、低緯度的視角，無人機(jī)搭配5G，將實現(xiàn)動態(tài)、高緯度的超高清廣角俯視效果，也就是超高清的“上帝視角”。

無人機(jī)航拍

更厲害的是，相比于傳統(tǒng)無人機(jī)只能用單鏡頭相機(jī)拍攝，在5G的加持下，無人機(jī)可以吊裝360°全景相機(jī)，進(jìn)行多維度拍攝。

VR全景相機(jī)吊艙

地面上的人員，可以通過VR眼鏡自由進(jìn)行全方位多角度觀看。

換句話說，無人機(jī)真正成為了“天眼”，非常清晰而且一覽無余。

只有帶寬當(dāng)然是不夠的。

5G網(wǎng)絡(luò)還具有超低時延的特性，能夠提供毫秒級的傳輸時延（低于20ms，甚至達(dá)到1ms，4G LTE是50ms以上）。這將使無人機(jī)響應(yīng)地面命令更快，地面飛手對無人機(jī)的操控更加精確。

5G還可以提供的厘米級定位精度，遠(yuǎn)超LTE的十米級和GPS的米級。如此一來，完全可以滿足城區(qū)這樣復(fù)雜地形環(huán)境的飛行需求。

5G所采用的Massive MIMO大規(guī)模天線陣列，以及波束賦形技術(shù)，可以靈活自動地調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，不僅是水平方向，還包括垂直方向。

3D-Beamforming

這樣的話，有利于一定高度目標(biāo)的信號覆蓋，滿足國家對500米以內(nèi)低空空域監(jiān)管要求，和未來城市多高樓環(huán)境下無人機(jī)120米以上的飛行需求。

在無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)安全保障方面，相比4G或Wi-Fi，5G也有明顯的優(yōu)勢。5G的數(shù)據(jù)傳輸過程更加安全可靠，無線信道不容易被干擾或入侵。

5G除了解決無人機(jī)和基站之間通信能力的問題之外，在無人機(jī)系統(tǒng)支撐平臺上，還有很大的改進(jìn)提升。

一個完整的無人機(jī)系統(tǒng)包括空中部分和地面部分。

傳統(tǒng)Wi-Fi點對點通信，地面部分只有遙控器和手機(jī)，能力非常有限。

而網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)，可以提供強大的平臺支撐：

結(jié)合云計算，網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的地面平臺可以提供更大容量的數(shù)據(jù)存儲，更彪悍的計算能力，為異地的更多地面人員提供服務(wù)（例如視頻觀看）。

憑借5G的海量連接特性，5G網(wǎng)絡(luò)可以接入的無人機(jī)數(shù)量，也幾乎是無限的（每平方公里可以接入100萬個終端）。

5G的邊緣計算能力也有用武之地?？梢栽?G基站附近設(shè)置邊緣計算中心，無人機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以在邊緣計算中心完成計算，而不用送往更遠(yuǎn)的云計算中心，從而保證了低時延（未來服務(wù)于無人機(jī)的自動駕駛）。

甚至，5G所提供D2D（Device to Device）通信能力，可以讓無人機(jī)與無人機(jī)之間實現(xiàn)直接通信，更好地服務(wù)于自動駕駛和機(jī)群協(xié)同。

D2D通信

總而言之，5G所賦予的高帶寬、低延時、高精度、寬空域、高安全，可以幫助無人機(jī)補足短板，解鎖更多的應(yīng)用場景，滿足更多的用戶需求。

簡單來說，兩個字，牛逼！

5G無人機(jī)的應(yīng)用場景

說了那么多，我們來5G無人機(jī)的具體應(yīng)用案例。

首先我們來看看線路巡檢，這也是現(xiàn)在5G無人機(jī)應(yīng)用中經(jīng)常被提到的。

現(xiàn)在我們國家的電網(wǎng)輸電線路設(shè)備，還有運營商的宏站設(shè)備，經(jīng)常位于野外荒無人煙的地區(qū)，甚至是崇山峻嶺地區(qū)。對這些設(shè)備進(jìn)行運營狀況檢查，以往只能采用人工巡檢的方式，成本高，風(fēng)險大，時間久，效率低。

為了檢查到位，人員往往需要高空爬塔，有很大的風(fēng)險。

采用無人機(jī)進(jìn)行巡檢，可以對設(shè)備進(jìn)行360度全方位高清視頻檢查，4K甚至8K的清晰度，足以查看設(shè)備的各項細(xì)節(jié)（甚至儀表參數(shù)和指示燈），也能夠完成數(shù)據(jù)采集和存檔。

無人機(jī)巡檢

本月初，東莞聯(lián)通和供電局進(jìn)行的配電站5G無人機(jī)巡檢

而且，無人機(jī)可以根據(jù)需要選擇不同的相機(jī)吊艙，例如高清變焦相機(jī)、紅外相機(jī)、夜視相機(jī)、激光雷達(dá)等，獲得更為準(zhǔn)確和詳實的影像信息。

高壓線路故障紫外圖像

如此一來，降低了風(fēng)險，縮減了時間，提升了巡檢效率，也能夠大幅削減成本。

5G無人機(jī)還可以搭載特殊吊艙，在低時延精準(zhǔn)操作下，進(jìn)行一些特殊的處置：

無人機(jī)噴火清障（燒掉風(fēng)箏之類的雜物）

除了電網(wǎng)巡檢和基站巡檢之外，輸油管道巡檢現(xiàn)在也開始采用無人機(jī)。

對于我們通信行業(yè)來說，除了可以使用無人機(jī)巡檢基站之外，還可以使用無人機(jī)進(jìn)行網(wǎng)優(yōu)路測。

在南京青奧公園的無人機(jī)網(wǎng)優(yōu)測試

再來看看交通管理和陸空協(xié)同方面的5G無人機(jī)應(yīng)用。

相比于傳統(tǒng)道路監(jiān)控，5G無人機(jī)的機(jī)動能力更強，靈活性更高，可以在第一時間到達(dá)現(xiàn)場。

5G無人機(jī)回傳的全景廣角高清圖像和視頻，便于交管部門及時查看道路擁堵情況和交通事故情況。

5G無人機(jī)還可以在巡線過程中，及時發(fā)現(xiàn)道路違法情況，對違法停車、違法占用應(yīng)急車道、違法變道等行為進(jìn)行4K超高清拍照取證。5G無人機(jī)還集成了遠(yuǎn)程喊話的功能，可以對現(xiàn)場車輛進(jìn)行疏導(dǎo)和警告。這無疑將大幅節(jié)省警力，縮短出警時間，高效完成交通管理工作。

另外值得一提的，就是5G無人機(jī)在應(yīng)急通信和救援方面的應(yīng)用。

當(dāng)發(fā)生災(zāi)害（例如地震、泥石流、洪水）的時候，傳統(tǒng)通信基站往往會發(fā)生損毀，無法正常工作。

這個時候，就可以采用無人機(jī)，搭載通信基站，為災(zāi)區(qū)提供臨時的通信信號覆蓋服務(wù)。

一方面，可以保障災(zāi)區(qū)的通訊正常。另一方面，可以對被困人員提供定位服務(wù)，確認(rèn)被困人員的位置。此外，5G無人機(jī)還可以實時拍攝并回傳災(zāi)區(qū)現(xiàn)場的超高清視頻畫面，幫助政府救災(zāi)人員更有效地組織救災(zāi)。

5G無人機(jī)所能發(fā)揮作用的地方遠(yuǎn)不止上述這些。包括無人機(jī)物流、無人機(jī)消防、無人機(jī)邊境巡邏等等，各行各業(yè)都能夠找到和5G無人機(jī)的交集。

5G無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

可以說，5G無人機(jī)的潛力非常巨大，市場前景非常廣闊！

5G無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

雖然目前無人機(jī)的發(fā)展較為成熟，但5G無人機(jī)還處于起步階段。

5G網(wǎng)絡(luò)剛剛開始建設(shè)，各地主要以試驗網(wǎng)為主。5G芯片和5G終端也還沒有到位。

大家現(xiàn)在看到的各地5G無人機(jī)實驗，有一個很明顯的特征，那就是無人機(jī)上面會綁定一個5G CPE，作為臨時解決方案。

5G CPE，重量大約2Kg

5G CPE，就是負(fù)責(zé)和5G基站進(jìn)行通信，然后將信號通過網(wǎng)線，再傳遞給無人機(jī)以及無人機(jī)上面的高清相機(jī)等設(shè)備。

未來，5G芯片和5G通信模塊到位，將直接內(nèi)置到5G無人機(jī)，就不再需要CPE設(shè)備。這將大大減輕無人機(jī)負(fù)荷，也降低了對電池的消耗，是終極的解決方案。

正所謂“心急吃不了熱豆腐”，不管是5G無人機(jī)本身，還是5G無人機(jī)的地面平臺，技術(shù)成熟和建設(shè)到位都需要時間，需要耐心，需要循序漸進(jìn)。

無人機(jī)的續(xù)航問題

大家都知道，目前困擾無人機(jī)發(fā)展的最大問題，就是電池的續(xù)航問題。目前的民用旋翼無人機(jī)，續(xù)航時間基本在20-30分鐘之間，這個顯然制約了無人機(jī)的使用和普及。

對于這個問題，目前有一種解決方案，那就是借助無線充電技術(shù)。

現(xiàn)在新出的智能手機(jī)，陸續(xù)開始支持無線充電。

以后，對無人機(jī)進(jìn)行充電，不再需要安排人工去更換電池，而是直接讓無人機(jī)停在充電平臺，即可進(jìn)行快速充電。

無人機(jī)的無線充電底座

無人充電平臺，可以設(shè)置在高樓的樓頂，占地面積并不大。在電池技術(shù)還沒有得到突破的情況下，這是最為合理的解決方案。

無人機(jī)的“黑飛”問題

除了電池續(xù)航之外，無人機(jī)還有一個很致命的問題，那就是“黑飛”問題。

黑飛，是指一些沒有取得私人飛行駕照或者飛機(jī)沒有取得合法身份的飛行，也就是未經(jīng)登記的飛行。這種飛行有很大危險性，會對公共安全造成威脅。

目前，有關(guān)部門對無人機(jī)飛行主要是通過以下方式來管控的：

對于5G無人機(jī)來說，黑飛管控將更加方便和靈活。

首先，你如果是未登記注冊的5G無人機(jī)，根本就入不了網(wǎng)，也就聯(lián)不上網(wǎng)，根本飛不起來。。。

其次，當(dāng)無人機(jī)在空中飛行時，從一個基站小區(qū)飛到另一個基站小區(qū)（發(fā)生小區(qū)切換），基站側(cè)可以通過多普勒頻移、飛行軌跡等特征，判斷出它是不是無人機(jī)，通報網(wǎng)絡(luò)側(cè)的管理平臺，把它管得死死的，不讓它亂飛。

地面平臺對飛行信息（位置、高度、速度、方向、電量）的掌握更加準(zhǔn)確，設(shè)置電子圍欄和禁飛區(qū)會非常方便和靈活。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)置禁飛區(qū)

總而言之，網(wǎng)聯(lián)5G無人機(jī)時代，黑飛現(xiàn)象將得到有效遏制，安全系數(shù)將大大提升。

5G無人機(jī)的未來

在5G、云計算、大數(shù)據(jù)和AI人工智能的支持下，無人機(jī)未來一定會朝智能化的方面發(fā)展。

以無人機(jī)的飛行控制為例，以前的無人機(jī)是遠(yuǎn)程遙控飛行。后面就有了傳感器輔助，能夠更好地控制飛行姿態(tài)。再后來，就是現(xiàn)在，無人機(jī)可以實現(xiàn)初步的自動飛行和避障。將來，無人機(jī)將全面實現(xiàn)自主飛行。

也就是說，它的飛行軌跡和過程，完全將由無人機(jī)系統(tǒng)自己來設(shè)定。這個就有點像車聯(lián)網(wǎng)里面的完全自動駕駛。

無人機(jī)想要實現(xiàn)安全自動駕駛，肯定離不開飛行平臺的支持，包括傳感信息共享、飛行線路共享、飛行環(huán)境感知、智能避障，等等，都是基于平臺實現(xiàn)的。

5G還可以幫助無人機(jī)更好地實現(xiàn)集群協(xié)同作業(yè)。讓很多無人機(jī)可以一起完成某項工作，減少人為的干預(yù)。

大家新聞里經(jīng)?？吹降臒o人機(jī)群表演，其實就是一種集群協(xié)同作業(yè)。

最后的話

根據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測，2020年，全球的消費無人機(jī)數(shù)量將達(dá)到1600萬臺，整個無人機(jī)行業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到1273億美元。如果5G起步順利，無疑將進(jìn)一步刺激這些數(shù)字的增長。

現(xiàn)在很多公司和研究機(jī)構(gòu)都在喊“數(shù)字天空”這個概念。5G無人機(jī)，就是未來數(shù)字天空的重要組成部分和載體。

5G和無人機(jī)之間的跨界融合，實際上也是全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種創(chuàng)新，也許能夠給我們5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域落地，帶來更多的啟示。