无人机开发套件源码开源!具备:5G、边缘计算、物联网等多种功能

2021-04-28 12:52:03 来源:EETOP
进入2021年,5G发展迎来了井喷时代。与此同时,5G大带宽、高可靠低延时、海量连接的特性,为无人机的应用起到了很好的“修路搭桥”的作用。有了稳定的5G网络,无人机响应速度快、观察视角好、覆盖面广等优点全面显现。5G赋能之下,无人机行业也取得了很多飞跃的进展。

4月18日,杭州若联科技在浙江湖州召开了“5G 无人机系统开发者版发布会”。据介绍,i800-5G具备5G网联和边缘计算功能,不仅可以实现超远程飞行控制操作,还拥有定位信息、任务载荷数据融合处理,和自主导航运算的能力。该版本面向行业应用原型机研发和量产机型研发,适用于院所、高校、公司原型机预研团队、公司量产机型研发团队。能够帮助开发团队降低二次开发成本、缩短概念验证周期,提高整机集成度,并且可靠性已初步验证,有大量实际项目验证的飞行数据积累。据了解,i800-5G完整资料近期将更新到guide.robsense.com。

 

本次发布会还开放了包含飞控源代码、云服务源代码、边缘AI源代码、任务计算机API、各类设备与载荷驱动等在内的核心技术。

EETOP受邀参加了此次无人机发布会。会后,独家专访若联科技创始人金洁。

金洁介绍说:“如今行业应用已经经过了试水期,产品与市场匹配正在往需求的纵深处推进,无人机的保有量很可能马上会迎来爆发式增长,机器代人也需要提供更好的服务和客户价值。我们很期待能在某些细分行业,尽快与合作伙伴一起落地一些更加聚焦的系统级解决方案,加速产品市场匹配和价值闭环的迭代效率。”

 

 

金洁,若联科技创始人

i800-5G无人机核心技术

若联科技本次发布的5G无人机系统开发者版,主要是针对无人机突发事件的现场态势感知、巡逻巡检和低空物流运输等行业应用开发者,数据传输带宽、实时控制响应速度等进行了大幅度优化升级。通过5G网络实现智能感知环境、闪避障碍物、自主飞行等功能,并实现4K超清视频超远程传输与应用,提升巡检和巡逻效率,可以为系统集成商面向终端客户应用时,为客户解决人力短缺问题,并且响应速度提升10倍以上,工作效率提升10倍以上,大大降低了人力成本。

据介绍,若联科技2014年准备创业前,创始人使用的是现成的APM硬件,应用开发验证用的是ArduPilot软件,2015年与朋友合伙创办若联科技研发更高性能的飞行计算机硬件并优化飞控等机载软件,2016-2017年便致力于开发更加符合市场需求的飞控等航电硬件,同时适配和进一步优化ArduPilot软件。到了2018年,由于开源license和代码开发团队组织等原因,便开始同时尝试px4固件,并且迭代基于自研硬件、操作系统和控制律的自主体系Phenix,也是本次发布会i800-5G的核心大脑,本次发布的是开发者版。

Phenix包括了飞控、飞行管理计算机、任务计算机、接入网网关和云服务,本次发布会是Phenix开发者版。

其中飞控采用的是px4的若联优化版并公开源代码。飞控架构主要有三层,底层是基于Nuttx操作系统的设备驱动和系统调动、中间层是基于uorb的进程间通信与多线程调度中间件,上端主要是飞行控制、位置控制、以及外部控制的通信接口;飞行管理计算机主要是面向企业级客户,并没有在本次发布会中详细展开,里面包含了导航地图数据库、系统诊断数据库、任务计划管理、轨迹优化等高阶模块;任务管理器主要实现了IoT协议与IT协议转换、4K推流、无人机“云原生”遥感遥测等功能模块,将暂时以API方式提供给开发者,不久的将来有望开放源代码;云服务负责与任务计算机通过5G接入网网关进行互联互通,可以对5G无人机进行远程“云原生”遥感遥控、直播4K视频流、保存超清地融合了GIS信息的图片样本等操作,以及其他一些物联网功能模块,源代码是开放的。

2019年,若联科技拿到了国家发改委一个5G试点的应用项目,i800-5G正是在这个背景下,经过一年多的迭代完成的,不过各种机械结构、减震器、抗电磁干扰等系统级优化在若联创立之初就开始了迭代。

 

 

因为要把对无人机来说“笨重“的计算机、5G终端加装进原来i800的机舱内,并且保证整机的体积和重量严格控制在一定范围内,以对接国家在无人驾驶飞行器运营的法律法规标准,研发团队克服了很多困难。金洁展望说:“跨多学科的无人机系统做大简单,做小非常难,未来的无人机5G模块和各类机载计算机会越做越小,我们相信有一天,5G无人机系统会变得像手机一样安全灵巧、一专多能。”

下面我们具体来看看这款具备5G网联功能的无人机有哪些强大功能。硬件部分,下图是i800-5G无人机的航电系统图,包括飞控、任务计算机、边缘接入网、5G工业模组等(飞管计算机为企业级版本未含在内)。

 

 

其中任务计算机除了基础功能之外,还有一个作用,是将摄像头的数据和飞控数据进行融合产生时空数据,带有GIS信息的视频与图片才是行业应用的“金矿”。金洁特别强调说:“对于无人机应用来说,带有时间和空间信息的图片或视频更具商业价值。”系统还加装了一个交换机,核心设备通过有线网络进行连接。

系统融合产生的时空数据可通过交换机后由相连的5G模组转发到5G基站,然后再通过5G公网上传到云端。整个硬件里面的协议用的都是常见的物联网协议,并且协议进行了多次转化最终变成IT协议。其实5G无人机就是将计算机与计算机网络飞上了天,整个过程实现了物理世界与数字世界的一次次对话。“

 

据介绍,i800-5G是i800经过一年左右的升级研制,然而i800本身已经历经超过4年多研发升级,10次以上结构迭代、6家GNSS供应商适配,5家载荷厂家适配、8款相机适配、80+次飞控迭代Commit、5000+小时飞行测试时间,30+Gbyte Log日志总量,3次云服务迭代,以及其他各类软硬件和算法的升级和打磨。

在问到无人机迭代过程中的挑战时,金洁介绍说,若联科技从2018年开始做自己的Phenix系统,今天发布的是它的开发者版本。经过这几年的不断迭代,目前飞控的软硬件,包括控制算法都已经自主掌握。也是从那一年开始,若联科技开始使用自己更面向企业级应用的的软硬件系统Phenix适配行业应用主机。到2019年去迭代i800-5G时,就是将更高性能的计算平台、更大带宽的网络连接设备加装到i800里面,与原先的系统软硬件进行融合。每做一件硬件的加法,都是一个指数级的挑战,主要在于为系统本身引入可靠性挑战。加的虽然是硬件,带来的是软件层面指数级的问题和安全隐患,因为无人机系统迭代过程中涉及到大量系统工程学问题,是目前我们国家制造业积累几十年后需要转型升级的方向,行业急缺这方面人才,往往都在体制内。无人机行业也没有系统性标准,往哪个方向走完全需要凭团队自身能力和经验。

此外,为了实现飞机5G端到端的性能,还需要打通很多软件的互联互通,来自传统安防行业、电子计算机通信行业或汽车行业的模块都是封闭系统无法提供软件开发接口,千辛万苦打通软件接口后还要处理超清信息流时的性能优化。这些软件迭代工作都完成后,再组装一台完整的无人机并进行大规模测试。没有足够飞行数据的飞机是不靠谱的,没有客户敢使用一台刚组装起来并没有市场验证过的样机去解决自己的生产问题。

金洁表示:“时空数据才是真正有价值的信息。但是首先无人机要完成自主飞行,就需要借助雷达、摄像头、机载MEMS传感器、GNSS传感器等。这些部件的数据格式与坐标建立方式不一样,飞控系统进行数据融合和坐标转换后,才可以用于自身的定位和导航。时空数据在这个解算和融合的过程中,也同时被提取了出来,与无人机任务执行、航迹规划一叠加,物理空间、人、数字空间就有机地被统一了,这样的数据既可以用于垂直行业应用也可以拿来优化无人机可靠性和性能。基于我们拥有超过6年的飞行数据积累,若联科技已经从2019年开始进行了更深一步的机器学习算法开发,用于挖掘飞行器的数据价值,包括故障类型的分类识别、故障模型在线和离线预报预测。尤其是机械低频振动、板载传感器电磁干扰、航电设备温漂等关键性数据。这样的工作为的是在没有行业标准指引的情况下,保证民用无人机在有限的预算内实现可用的安全性和可靠性。”未来,若联科技还将推出不同机载设备的版本,以应对不同行业客户的可靠性与易用性需求。

若联科技提供的开源服务内容

无人机发展缓慢的关键原因之一就是迭代需要耗费大量的时间,以及承担巨大的“炸机“风险。从建模,到飞行控制器设计,到系统仿真,到生成代码后的仿真,到半硬件半物理仿真,再到室内实验室飞行测试,这些工作都完成了,那还不是真正意义上的成功。去开阔场地飞行才是考验的开始,室外实况飞行才是真正有价值的,而外部的气象环境、电磁环境等变了所以意外有可能瞬间发生。

从技术开发角度讲,5G无人机跨了多个学科,需要飞行器专业或者高可靠自动化系统专业的专家与电子信息计算机技术的专家互相协作,深度融合双方优势,这是一件费时费力且试错成本很高的工作。

因为,大家都知道测试阶段的无人车软件有bug最多就是停机或者撞到路障,但是无人机如果出问题往往出现自毁甚至伤人毁物。而本次若联也是开放了自己的技术积累,也包括大部分源代码,i800-5G开发者版中的飞控采用了公司早期开发阶段深度优化的px4固件(企业版为自主架构),6年来超过5000小时的飞行里程,30GB以上的飞行日志以及80次以上的程序迭代和10次以上高集成度电路系统的开发经验,以及将大部分bug修复并提供了诸多新功能,若联已经通过自身的试错,为行业做了很多可靠性方面的铺路石。

若联希望原型机开发合作伙伴可以降低试错成本专注应用开发,同时利用这些经验和数据积累为量产机合作伙伴提供更深一度的行业专用机型联合开发服务。

 

若联科技开放出来的云服务主要包括:

  • 物联网技术的无人机的远程操控,包括飞机状态的实时显示,及从云端下达指挥命令。
  • 4K超清视频流的实时直播。这个服务将真正实现远程操控,人不需要去到现场。甚至不久的将来可以在云端设计一个云端AI算法通过5G网络指挥无人机代替人去执行某些并不是很复杂的特定任务。
  • 对照片的管理。无人机拍摄的照片参数都会跟机载的飞控、GNSS等进行融合叠加,这些带GIS信息的照片再通过后台建模软件分析,就可以给出一个完整的有时空信息的模型,以便后端做出更多的诊断、分析和识别。同时,数据库会对这些数据进行保存,整个应用现场的时空积累会持续去迭代优化。若联科技已经打包整个云服务上的代码,并且为云服务上各个子模块都添加了相应的使用说明。

金洁进一步介绍说,若联希望开放自身在嵌入式平台、飞控算法、电磁与振动可靠性、功能安全、5G网联、传感器与载荷驱动等方面的专业知识、工程技术和实际运行优化经验与数据结论,与上游专业伙伴一起开放合作,联合打造可以服务于未来垂直行业的专用无人机系统,在当下无人机入网运行数量爆发式增加的压力下,不断夯实无人机系统自动化与自主化在可靠性、安全性方面的基础,并逐步形成一套“云原生”的数字化解决方案。

 

 

03

无人机迎来爆发式增长的拐点

万物互联是下一个时代的风向标。伴随着移动互联和5G时代的到来,万物互联迎来了真正意义上的爆发。不仅仅是人机和信息的简单交换,而是更加深入的生物功能识别和读取,以及物理空间的数字化。除了感知层,还需要强大的云平台作为助推器,将收集到的数据信息进行储存、计算、分析,进而发出指令给物联网应用层。

万物互联中的设备,自然少不了无人机和各类无人系统。对于无人机与物联网中其它设备环节的互联互通,金洁介绍,以前用4G去做的时候,因为4G主要还是面向人的技术会出现大量的可靠性和安全性问题,5G从覆盖到标准、到开发都是面向物联网时代的,但是亟需一个更开放的平台与5G技术本身共同成长,尤其是像无人机这样跨领域跨学科的系统工程,完全由自己全部开发是不现实的。

无人机的发展,在2015年的时候,曾经迎来过一次发展的高潮,但之后发展就比较缓慢,其中一个很重要的原因就是整个行业的供应链的不完善。进入2021年,在5G的加持下,无人机又迎来了发展的风口,首先是市场需求,其次是边缘计算、机器学习等技术进步的源动力。在聊到5G无人机最有可能的落地应用场景,金洁分享说,未来5G基站信号是要覆盖300米以下低空的,为了让无人机、飞行汽车、通航飞机等”5G终端“被广泛应用起来,势必需要了解5G信号在空中的质量分布情况。

 

 

因此,5G无人机用于空中5G信号的测绘也许是一个很好的应用,可以高效地帮助运营商找到”空中信号空洞“,并准确及时地通过网络优化填补这些信号空洞。若联科技也是在2019年参与了国家发改委的5G无人机示范项目,用5G无人机实施空中5G信号测绘和基站天线巡检建模,应该是行业首创的,并且早在2016年就与Nokia完成了相关技术合作和产品原型开发。

再比如,重大事件与活动的实时超清现场态势感知,如果能跨越时空障碍,真正实现”看得更清楚“、”看得更及时“,一定能催生一批应用,产生无法估量的经济效益和社会效益。另外考虑到无人机本身的可靠性和安全性要求,无人机很可能先在”无人区“爆发,大家也已经目睹了很多”田间地头“、”崇山峻岭“中的无人机数量逐年高速增长。

虽然无人机迎来行业发展的成熟期,不过是否能在这个风口把握住机遇,很大程度上是看企业是否有持续抵抗行业震荡的能力。从2015年创立至今,经历2015年市场初期的高潮,到后来的缓慢下行,再到今天的再次回暖,若联科技不管是顺风还是逆风一直能迎风而上,这其中得益于公司的两大砝码。金洁介绍说,一是紧跟市场需求结合最落地的应用,二是坚持技术迭代更新探索行业技术边界。

总结公司五到六年的迭代发展,金洁认为除了控制软件算法、通信协议等核心技术积累,最值钱的还有以下几点:

  • 嵌入式硬件和软件系统的开发。无人机容错率低,嵌入式软硬件开发有别于传统3C设备。无人机系统的嵌入式系统与算法开发,要平衡的因素更多,尤其是系统与驱动可靠性、震动、电磁干扰,体积重量、功耗、热管理等可靠性相关因素。
  • 边缘计算的开发。2018年,若联科技就尝试把轻量化神经网络算法的压缩在一颗硬币大小芯片中,整板功耗2瓦内。能够对图片实现纳秒级分类和毫秒级推理计算速度,并且达到98.5%以上的准度。无人机要做的可靠,它的功耗一定要低,并且保证这样的边缘或者终端计算处理能力,才能获得大面积应用的可能。
  • 还有一个比较重要的,就是震动的问题。自若联科技2015年创业之初,就认为震动是根本性问题。这几年,对减震器进行了三次迭代。最新一款,已经可以做到在三个轴上进行减震,并且不断深扎低频振荡难题。
  • 最后是磁干扰。若联科技在做系统集成的时候,会特别小心的去处理器件位置的摆放和EMI/EMC屏蔽设计。飞机的量级如果大了,一旦有这类bug,就是定时炸弹,一旦问题发生就是灾难级的事故,并且会指数级传递给同一款机型。所以这一点也是不能含糊的。
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