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浅谈水下无人机的技术难点

转载 2019-11-23 16:48 让我飞得更高 来源:雨飞工作室

水下无人机是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。目前,水下无人机在关键技术上不断取得新的进步,拍摄能力、下潜能力以及续航能力都持续增强,在水下搜救、海洋环保、科研考古、海底勘测、水下摄影、潜水娱乐、船舶检修、渔业养殖等诸多领域实现了愈加广泛的应用。

水下无人机(UUV=Unmanned Underwater Vehicle)可分为三大类:一类是有缆水下无人机,习惯称拖曳式水下无人机(Towing Underwater Vehicle,简称TUV),一类是遥控潜器(Remote Operated Vehicle,简称ROV);另一类是无缆水下无人机,习惯称为自治式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)。从第一代有人深潜器(20世纪60年代)开始,迄今已经过了ROV(20世纪70年代)、AUV(20世纪80年代)和混合类型的第四代(Hybrid Vehicles)的演进。

相对于航拍领域众多的品牌及种类,水下无人机的产品没那么繁多,因为水下无人机的研发比航拍无人机难太多!鉴于水下可视性远低于空中、水下阻力高于空气阻力,以及海水对于电磁波存在的衰减作用,水下无人机有不少技术难点:

1、无人机本体所需的各种材料及技术问题;

2、水下无人机控制问题;

水下无人机是在水中运动的具有六个自由度的刚体,其本身就是一个强耦合的非线性系统;由于在水中运动,水动力(阻力)系数和运动速度的平方成比例;采用螺旋桨推进,推力和螺旋桨转速平方成正比。这一切使得控制问题变得很困难,特别是要求在定点进行作业时,上述原因造成在零速时的“零增益、零阻尼”现象,使得动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求。这是一个有待研究的问题。

3、水下无人机的通信问题;

消费级无人机上常用的2.4GHz遥控器并不能在水下无人机上使用!电磁波在传导的过程中,最理想的状态是在真空中传播,此时在传播的过程当中,没有其他物质的阻碍,电波的传播不受到影响。而在水中,由于海水对于电磁波存在的衰减作用,电磁波在水中的传播存在着相当强烈的衰减,而且电磁波在水中不是线性衰减,是按指数规律衰减的,衰减很快。波长越短,衰减越大;水的电导率越高,衰减越大。2.4GHz遥控器,因为水分子对于这个频段的电磁波衰减效果更为强大,电波可能只入射进水中短短的一点距离后就衰减殆尽。

吉林大学国家千人计划特聘教授崔红军介绍:“目前,水下无线通信主要可以分成三大类:水下电磁波通信、水下量子通信和水声通信。

4、水下无人机的能源问题;

水中阻力大于空气阻力,阻力越大耗能越多,所以电池续航能力是无人机的一大短板。

5、水下4K拍摄难题;

人类对于画质的追求从未止步,从标清(720p)、高清(1080p)到超高清(4K),短短几年视频分辨率一路攀高,大有“高像素=画质好”的势头。4K分辨率有多高?网上说法是:4K分辨率是1080p的4倍,是720p的9倍,物理分辨率为3840*2160像素。

高分辨率的最大优势是分辨率越高,画质越细腻,能给人极致的视觉享受和舒适的观看体验。但是4K拍摄存在诸多瓶颈,抛开4K拍摄的单反和手机不说,仅从水下无人机的角度探讨4K拍摄的研发难度。

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对硬件性能的高要求。4K视频的帧速率为25fps,意味着短短一两分钟的录制,存储器就得记录数百兆的数据。此外,大容量的图像记录意味着高速稳定的数据运算和处理,这对核心处理器也是不小的考验。

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无线通信传输的信号问题。无线通信传输具备成本廉价、搭建周期短等优势,但信号往往随着距离的增加和障碍物的屏蔽等问题逐渐衰减。水下无人机随着下潜深度的增加,信号衰减十分厉害。往往需要调频来处理,十分不便。但是通过轻薄的缆线传输,就不存在信号衰减问题。Gladius水下无人机采用半缆绳设计,通过机身(有缆链接)-->浮标(配置无线模块)-->手机设备(无线接收端)三者连接,既能保证高速稳定的图像传输,也能最大化地扩展操控范围,最远操控距离为500米。

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拍摄稳定性问题。单反能借助三脚架,手机能借势固定,均能拍摄出稳定不抖动的优质画面。而无人机囿于种种因素,拍摄稳定性问题一直饱受诟病。航拍无人机而言,受风向、风速等影响,早期的航拍器材画质堪忧。后来通过优化防抖处理等方式,目前的航拍设备基本能保证稳定拍摄。但是对于水下无人机而言,实现水下拍摄要难很多。水下拍摄除了水流影响、鱼类撞击等因素,受重力影响如何保持机身稳定是亟待解决的技术难题。优秀的水下无人机会通过配置数量合理的推进器来改善水下航行时的稳定性问题。无人机玩家进行正确的机身操控,也能拍摄画面稳定且节奏适中的超高清水下影像。

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拍摄时参数设置问题。4K拍摄不仅要求曝光准确,而且画面要有精准白平衡。Gladius水下无人机能够通过智能辅助补光系统和水下暗光优化处理,采集到曝光精准且色彩还原真实的水下影像。

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如何在复杂水下环境中实现精准对焦。单反和手机可以通过自动对焦和手动对焦调整,那么远隔数百米外的无人机如何对焦?技术研发团队经过优化调整,水下无人机玩家能在手机操作界面,通过触屏实现快速对焦。

除了技术问题,人才也是重要的制约因素。相对于一般的消费级无人机,由于工作环境在水下,甚至是深海,水下无人机的技术要求要更为严格,技术水平也更高。无论是动力技术、通信技术、关键材料,还是人工智能等前沿技术的应用,都意味着水下无人机的发展需要巨大财力、物力、人力的投入,特别是高端、专业人才的支撑。与一些科技领域不同,水下无人机的发展难以走海外人才引进这条道路。因为相对于陆地、空中,发达国家对于海洋科技人才的保护政策更为严苛。因此,国内水下无人机企业需要依托国内人才资源,携手政府与行业一道推动专业人才培养。国内水下无人机企业也需要不断加强自身研发体系建设,在技术创新上打造核心竞争力,并深入推动与科研院所、高等院校的合作,以及行业内的技术交流,如此才能最大化弥补人才短缺带来的不利影响,这样水下无人机市场或将迎来真正的爆发。

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