貴海

超乎想象!關于5G無人機的最強科普!

更新時間:2019年05月05日 08:39    來源:機器人大講堂    手機版

來源:鮮棗課堂

說到無人機,大家一定都非常熟悉。

是的,最近這些年,無人機可以說是爆發式發展。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。

我們身邊出現了越來越多的無人機愛好者

眾所周知,我們正在大步邁向5G時代。在各類媒體上,關于5G的報道蜂擁而至。

其中很多報道,同時出現了“5G”和“無人機”這兩個字眼。

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

今天的文章,就讓小棗君給大家做一個詳細的解讀。

一分鐘快速了解無人機

首先,我們還是先來了解一下無人機的一些基本知識。

無人機,其實就是無人駕駛飛行器(UAV,Unmanned?Aerial?Vehicle)的簡稱。更準確來說,無人機就是一種利用無線遙控或程序控制來執行特定航空任務的飛行器。它和常規飛機最大的區別,當然就是飛行器上面是否搭載了人員。

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也有人說,無人機就是一種會飛的機器人

無人機這個東東的歷史其實并不算短。早在100年前的一戰時期,世界上第一架無人機就已經出現了。

最早期的無人機

在這之后的漫長歲月里,無人機一直都是用于軍事用途,例如作為靶機、偵察機等。

老美的“火蜂”靶機無人機

進入21世紀,軍用無人機發展到驚人的程度,成為戰場的主角,也成為萬眾矚目的焦點。

大名鼎鼎的美國MQ-9死神無人機,偵查打擊樣樣精通

無人機技術的不斷成熟,加上市場的迫切需求,開始刺激它向民用領域發展,從此一發不可收拾,衍生出各種各樣的民用機型和應用。

這些無人機,種類繁多,特點鮮明,用途廣泛。

按飛行平臺構型,可以分為固定翼無人機、旋翼無人機、撲翼無人機、傘翼無人機、無人飛艇。

還有按尺寸的分類(民航總局管理時,主要依據這個):

按任務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。

棗君一直想拔草,可惜沒空(qian)

這類無人機,目前被廣泛用于各個社會領域,給我們的工作和生活帶來了很大的改變。例如無人機播撒農藥、無人機物流、無人機拍攝電影、無人機燈光秀,等等。

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無人機播撒農藥

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無人機配送快遞

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無人機曬內褲。。。

什么是“網聯無人機”?

民用旋翼無人機通常由以下幾個部分組成:機架、動力系統、飛控系統、掛載系統。

旋翼、電機,還有機架內的電池,都屬于動力系統

當然,除了無人機本身,還有地面的控制系統。

目前的無人機,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,都是使用遙控系統進行操控。

就像這樣:

這種操控方式,屬于點對點通信。遙控器和無人機之間的數據傳輸,是采用Wi-Fi或藍牙的方式。

正如大家所知道的,Wi-Fi或藍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(特定條件限制下,可以達到1公里以上)。藍牙就更不用說了。

所以,這種方式很大程度上約束了無人機的飛行范圍。

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

墜毀的無人機

于是,人們想出了一個全新的無人機通信方式,那就是——網聯無人機。

網聯無人機,其實就是利用蜂窩通信網絡,連接和控制無人機。更簡單來說,就是利用基站來聯網無人機。

無人機+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,將使無人機的通訊更加靈活、可靠。

大家如果對無人機稍有了解的話,一定聽說過“圖傳”和“數傳”這兩個詞。

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

無人機的相機吊艙

“數傳”,就是傳輸數據。無人機上面有很多傳感器數據和飛行數據,將這些數據傳回到地面,就是數傳。

無人機與地面的通信,主要是三種目的:圖傳、數傳和遙控。

圖傳對無人機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,號稱圖傳距離可以達到7公里(1080p)。

如果用網聯無人機,4G LTE蜂窩通信技術,當網絡基站覆蓋到位的話,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。

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無人機圖傳回來的圖像

如果是無人機航拍,因為距離較遠,720p或1080p的分辨率并不算清晰,一些特定場景下(例如查看設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,現有4G網絡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用方面(例如園區物流配送、復雜地形導航等),必須考慮增加基準站提供輔助,才能實現。

在覆蓋空域方面,4G網絡只能覆蓋空域120米以下的范圍應用。在120米以上(一些高空需求,例如高空測繪、干線物流等),無人機容易出現失聯狀況。

總而言之,目前4G網絡和Wi-Fi網絡下的無人機,應用場景限制太多,用戶受眾規模太小,導致它在消費市場難以得到普及,也制約它的長遠發展和價值發揮。

5G和無人機

當當當當!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,那就是5G。

5G究竟會給無人機帶來什么?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,當然就是超寬帶。

5G的理論帶寬可以達到20Gbps以上。目前已建設的實驗網絡中,也普遍達到了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。

相比于地面傳統攝像頭靜態、低緯度的視角,無人機搭配5G,將實現動態、高緯度的超高清廣角俯視效果,也就是超高清的“上帝視角”。

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無人機航拍

更厲害的是,相比于傳統無人機只能用單鏡頭相機拍攝,在5G的加持下,無人機可以吊裝360°全景相機,進行多維度拍攝。

VR全景相機吊艙

地面上的人員,可以通過VR眼鏡自由進行全方位多角度觀看。

換句話說,無人機真正成為了“天眼”,非常清晰而且一覽無余。

只有帶寬當然是不夠的。

5G網絡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,甚至達到1ms,4G LTE是50ms以上)。這將使無人機響應地面命令更快,地面飛手對無人機的操控更加精確。

5G還可以提供的厘米級定位精度,遠超LTE的十米級和GPS的米級。如此一來,完全可以滿足城區這樣復雜地形環境的飛行需求。

5G所采用的Massive MIMO大規模天線陣列,以及波束賦形技術,可以靈活自動地調節各個天線發射信號的相位,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的信號覆蓋,滿足國家對500米以內低空空域監管要求,和未來城市多高樓環境下無人機120米以上的飛行需求。

在無人機的飛行數據安全保障方面,相比4G或Wi-Fi,5G也有明顯的優勢。5G的數據傳輸過程更加安全可靠,無線信道不容易被干擾或入侵。

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

一個完整的無人機系統包括空中部分和地面部分。

傳統Wi-Fi點對點通信,地面部分只有遙控器和手機,能力非常有限。

而網聯無人機,可以提供強大的平臺支撐:

結合云計算,網聯無人機的地面平臺可以提供更大容量的數據存儲,更彪悍的計算能力,為異地的更多地面人員提供服務(例如視頻觀看)。

憑借5G的海量連接特性,5G網絡可以接入的無人機數量,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。可以在5G基站附近設置邊緣計算中心,無人機相關的數據,可以在邊緣計算中心完成計算,而不用送往更遠的云計算中心,從而保證了低時延(未來服務于無人機的自動駕駛)。

甚至,5G所提供D2D(Device to Device)通信能力,可以讓無人機與無人機之間實現直接通信,更好地服務于自動駕駛和機群協同。

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,可以幫助無人機補足短板,解鎖更多的應用場景,滿足更多的用戶需求。

簡單來說,兩個字,牛逼!

5G無人機的應用場景

說了那么多,我們來5G無人機的具體應用案例。

首先我們來看看線路巡檢,這也是現在5G無人機應用中經常被提到的。

現在我們國家的電網輸電線路設備,還有運營商的宏站設備,經常位于野外荒無人煙的地區,甚至是崇山峻嶺地區。對這些設備進行運營狀況檢查,以往只能采用人工巡檢的方式,成本高,風險大,時間久,效率低。

為了檢查到位,人員往往需要高空爬塔,有很大的風險

采用無人機進行巡檢,可以對設備進行360度全方位高清視頻檢查,4K甚至8K的清晰度,足以查看設備的各項細節(甚至儀表參數和指示燈),也能夠完成數據采集和存檔。

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無人機巡檢

本月初,東莞聯通和供電局進行的配電站5G無人機巡檢

而且,無人機可以根據需要選擇不同的相機吊艙,例如高清變焦相機、紅外相機、夜視相機、激光雷達等,獲得更為準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無人機還可以搭載特殊吊艙,在低時延精準操作下,進行一些特殊的處置:

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無人機噴火清障(燒掉風箏之類的雜物)

除了電網巡檢和基站巡檢之外,輸油管道巡檢現在也開始采用無人機。

對于我們通信行業來說,除了可以使用無人機巡檢基站之外,還可以使用無人機進行網優路測。

在南京青奧公園的無人機網優測試

再來看看交通管理和陸空協同方面的5G無人機應用。

相比于傳統道路監控,5G無人機的機動能力更強,靈活性更高,可以在第一時間到達現場。

5G無人機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無人機還可以在巡線過程中,及時發現道路違法情況,對違法停車、違法占用應急車道、違法變道等行為進行4K超高清拍照取證。5G無人機還集成了遠程喊話的功能,可以對現場車輛進行疏導和警告。這無疑將大幅節省警力,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無人機在應急通信和救援方面的應用。

當發生災害(例如地震、泥石流、洪水)的時候,傳統通信基站往往會發生損毀,無法正常工作。

這個時候,就可以采用無人機,搭載通信基站,為災區提供臨時的通信信號覆蓋服務。

中國移動的無人機高空基站

一方面,可以保障災區的通訊正常。另一方面,可以對被困人員提供定位服務,確認被困人員的位置。此外,5G無人機還可以實時拍攝并回傳災區現場的超高清視頻畫面,幫助政府救災人員更有效地組織救災。

5G無人機所能發揮作用的地方遠不止上述這些。包括無人機物流、無人機消防、無人機邊境巡邏等等,各行各業都能夠找到和5G無人機的交集。

5G無人機的應用領域

可以說,5G無人機的潛力非常巨大,市場前景非常廣闊!

5G無人機的發展現狀

雖然目前無人機的發展較為成熟,但5G無人機還處于起步階段。

5G網絡剛剛開始建設,各地主要以試驗網為主。5G芯片和5G終端也還沒有到位。

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

5G CPE,重量大約2Kg

5G CPE,就是負責和5G基站進行通信,然后將信號通過網線,再傳遞給無人機以及無人機上面的高清相機等設備。

未來,5G芯片和5G通信模塊到位,將直接內置到5G無人機,就不再需要CPE設備。這將大大減輕無人機負荷,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無人機本身,還是5G無人機的地面平臺,技術成熟和建設到位都需要時間,需要耐心,需要循序漸進。

無人機的續航問題

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

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。

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現在新出的智能手機,陸續開始支持無線充電

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

無人機的無線充電底座

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

無人機的“黑飛”問題

除了電池續航之外,無人機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沒有取得合法身份的飛行,也就是未經登記的飛行。這種飛行有很大危險性,會對公共安全造成威脅。

目前,有關部門對無人機飛行主要是通過以下方式來管控的:

對于5G無人機來說,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,根本就入不了網,也就聯不上網,根本飛不起來。。。

其次,當無人機在空中飛行時,從一個基站小區飛到另一個基站小區(發生小區切換),基站側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,通報網絡側的管理平臺,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)的掌握更加準確,設置電子圍欄和禁飛區會非常方便和靈活。

網絡側設置禁飛區

總而言之,網聯5G無人機時代,黑飛現象將得到有效遏制,安全系數將大大提升。

5G無人機的未來

在5G、云計算、大數據和AI人工智能的支持下,無人機未來一定會朝智能化的方面發展。

以無人機的飛行控制為例,以前的無人機是遠程遙控飛行。后面就有了傳感器輔助,能夠更好地控制飛行姿態。再后來,就是現在,無人機可以實現初步的自動飛行和避障。將來,無人機將全面實現自主飛行。

也就是說,它的飛行軌跡和過程,完全將由無人機系統自己來設定。這個就有點像車聯網里面的完全自動駕駛。

無人機想要實現安全自動駕駛,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、飛行環境感知、智能避障,等等,都是基于平臺實現的。

5G還可以幫助無人機更好地實現集群協同作業。讓很多無人機可以一起完成某項工作,減少人為的干預。

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大家新聞里經常看到的無人機群表演,其實就是一種集群協同作業

最后的話

根據專業機構預測,2020年,全球的消費無人機數量將達到1600萬臺,整個無人機行業的產值將達到1273億美元。如果5G起步順利,無疑將進一步刺激這些數字的增長。

現在很多公司和研究機構都在喊“數字天空”這個概念。5G無人機,就是未來數字天空的重要組成部分和載體。

5G和無人機之間的跨界融合,實際上也是全行業數字化轉型的一種創新,也許能夠給我們5G在工業物聯網等領域落地,帶來更多的啟示。

END

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