大疆首款随身无人机「亲生」设计工程师:Mavic目前一骑绝尘,没有对手

作者:黑板报值日生

本文内容首发于知乎,作者 雨眠 ,Mavic设计工程师。原文链接:http://t.cn/Rc1JbNB


产品终于发布了,近两年的努力终于与世人见面,此刻非常激动。

正在连夜赶一篇长篇干货回答,写完了贴上来。

写完更新:

阅读知乎多年,一直没有回答过什么问题,这次作为 Mavic 的设计工程师,对它了解得比较全面,所以试着回答一下这个问题。第一次认真写回答,希望大神们轻拍。

我会比较详细的介绍这款全新机型的设计。利益相关就不用多说了,我是 DJI 的员工,但这篇文章代表我的个人意见。我会本着工程师的信誉,实事求是的叙述。一个人的知识有限,下文中如果有不符合事实的地方,欢迎指出,我会及时更正。

消费无人机市场还非常的年轻,现在随着越来越多的新晋厂商入局试水,水准参差不齐,不少厂商本身缺乏技术积累,靠夸大宣传和酷炫的视频来吸引注意力,让不明真相的小白用户掏腰包却拿不到宣传中所承诺的产品(比如破产的 zano,一直跳票的 lily,等等),所以这次顺便也会科普一些无人机的技术知识,让大家能看破一些华而不实的宣传,做更好的购买决策。

DJI 的 Phantom 系列从无到有的开创了消费无人机的市场,第一次让消费者可以买到到手即飞的无人机,把航拍从少数专业玩家和摄像师的独门绝技,变成了一项人人都可以尝试并享受其中乐趣的活动(大家可以上 http://skypixel.com 看看用户拍摄的精美作品)。几年来经过历代技术更新迭代,目前的 phantom 4 已经相当成熟,从易用性,智能性到影像画质,智能功能,都绝对是消费无人机的行业标杆,一直被模仿,从未被超越。它也是第一台拥有视觉感知和一定自主飞行能力的消费无人机。然而,对于普通消费者来说,Phantom 以及这种级别的其他无人机,有几个通病:

• 体积:需要几乎一整个背包,平时带出去玩还可以,但是出去旅行就麻烦了,除非是自驾游

• 重量:长途携带会比较累;对女性来说太重

• 麻烦:需要每次使用都拆桨,装桨,从背包到悬停要几分钟

而 Mavic 很好的解决了这些痛点,第一次将 phantom 这个性能和拍摄质量级别的无人机,做到了真正便携的程度,而几乎没有损失性能。我可以自信的说,它将会是一款消费级无人机中具有里程碑意义的革命性产品,让高质量的航拍普及到更广大的受众群体。

这么说有些抽象,我先把一些关键参数扔出来,之后再展开分析:

• 飞机折叠后的尺寸:83mm*83mm*198mm(接近一个运动水瓶的体积)

• 重量:734g

• 机械 3 轴云台,支持长曝光(效果不是 3 轴电子防抖能比,后面会细说。这应该也是目前量产的最小的机械 3 轴云台了)

• 27 分钟续航(在无风环境下以 25km/h 匀速飞行时测得。而在理想条件下悬停时间可以接近 29 分钟)

• 最高 7 公里图传和遥控距离,最高支持 1080p(phantom 的 5km 已经碾压群雄了,这个 7km 加上最高支持 1080p 实在是有些逆天。注 意是美国 FCC 标准,开阔无遮挡,无电磁干扰环境下。国内 CE 标准对功率限值更严,因此是 4km。)

• 1/2.3 英寸相机 sensor,4k 视频,最大码流 60Mbps(和 Phantom 4 同样面积的相机 sensor)

• 前视双目视觉避障+智能跟随等自动飞行功能(这个技术目前在消费无人机中是 DJI 独家,避障模式最高支持 10m/s 的飞行速度,远超其他厂商)

• 双超声波+双目的精准下视定位(悬停精度持平 phantom 4,有效范围稍微更远)

• 最高飞行速度:65km/h(比 Phantom 4 的 72km/h 稍低,但远高于其他便携无人机)

• DJI 飞控和导航系统(DJI 的核心技术,不用多说了,稳定,精准,可靠,多功能)

• 8.3 寸快拆折叠桨(应该是现在市面上唯一一款同时有快拆和折叠的桨,而且无螺丝,后面会细说)

说到这里,对无人机产品有了解的人就已经能看出 Mavic 的革新之处:现在市面上达到这些性能,体验和可靠性的消费无人机,只有 phantom 4。而市面上体积能做到 Mavic 这么便携的无人机,性能跟 Mavic 完全不在同一个等级(单续航来说,就只有 Mavic 的 1/3-1/4),就像玩具一样。可以这么说,在性能和便携性两个维度上结合考量,Mavic 目前是一骑绝尘,没有对手的。配合着我们新设计的全功能折叠遥控器,Mavic 是世界上第一款你可以无负担轻易带去任何地方,并可以拍摄高质量内容的智能航拍无人机,无论是记录你的生活,旅行,探险,还是大自然的绝美风光都驾轻就熟,区区自拍更是不在话下。(对之后的详细说明没兴趣的,看到这里放心买买买就可以了:)

价格方面大家也不要觉得这么小的飞机为什么不卖得更便宜点,因为科技产品并不是论斤卖,或者按体积卖的。相反,要将同样的技术和配置塞进一个小很多的空间内,难度和成本更高。配置完全相同的笔记本电脑会比台式电脑更贵就是这个道理。最终公司定的这个价格已经相当良心了,比我预想的还要低。

参数介绍完了,下面进入正题,讲一下这款飞机的设计。好的无人机机型设计,尤其是好的折叠机的设计,是一个非常复杂,需要来回迭代的过程,其中涉及到很多方面:

1. 便携性,折叠方式,包括体积的最小化,折叠展开步骤的最简化

2. 结构的简洁,可靠,耐摔

3. 续航

4. 外观

5. 整机布局,合理布置 pcb 和散热,各组件和传感器的位置,并保证他们能发挥性能,互不干扰。这是一大块

6. 云台和减震设计

7. 如何优化设计来优化生产和组装

这些因素之间会相互牵制和影响,而如何平衡取舍,或者如何跳出现有框架,想出新的解决方案做到两全其美,就是设计飞机的难点和乐趣所在。

折叠方式

先从一般人比较感兴趣的折叠方式开始说起吧。一开始我接到的要求是设计一款口袋无人机,不过稍做了一些调研分析后,当时我果断放弃了这个方向,因为:

1. 这样的产品虽然比较吸引眼球,但是实用性不高,口袋这个空间的竞争已经非常激烈,手机,钥匙串,钱包等等。几乎轮不到无人机这种偶尔用一下的东西。就我个人来说,除了手机,连钱包一般都不放口袋里的,不舒服,就更别提厚厚的无人机了。

2. 体积做得小本身是没有错的,但为了做到放在口袋里,牺牲了太多的画质和续航,在普通无人机 20 来分钟续航大家都嫌不够的时候,7-8 分钟的续航是不能接受的。画质也做不到合格的水平(我心目中的合格是持平手机的拍摄画质)。

因此这样的 trade off 不明智。我们要做的应该是在保证产品品质和体验的前提下做到便携,而不是为了便携牺牲产品其他更重要的品质。当时有个叫 Anura 的口袋无人机在众筹,我觉得不靠谱,后来果然失败了。(现在,将近 2 年过去了,市面上出现了一些量产成功的口袋无人机,不过续航,画质等还是很差,只能算是过渡型的产品,我觉得也不会赢得消费者的认可)

不做口袋无人机的话,应该把产品设计成什么大小和形态最好呢?我非常喜欢各种户外运动,有一次在 Yosemite 国家公园徒步的时候,我一边在想这个问题。走着走着口渴了,于是我拿出水瓶喝了一口水,然后心中就有了答案。口袋太小,但是水瓶的大小应该是足够容纳一个品质合格的无人机的。而且出去玩,谁不带瓶水呢?一般的背包,户外装备等,都会专门设计水瓶的存放空间,如果无人机折叠后大概是个水瓶的形态,出去旅行或者户外运动的时候,就能很方便的带上了。然后我就在脑海中大概构想了几种折叠方式,有了初步靠谱的想法,非常激动,于是放弃了下午的徒步,直接赶回机场,借了几张纸就在机场画了起来。这就是第一版设计的由来,而后来又经过了半年多的研发和改进,整机布局和折叠方式才逐渐定型为今天的样子。之间的过程和艰辛这里就不说了,我直接讲讲最终的设计。

很多人会觉得 Mavic 后翼下置的造型以及后支臂向下翻转展开的方式很特别很酷炫,但可能不知道我们这么设计并不是为了特别和酷炫,而是有着很实在的考虑:最小化折叠后体积的同时,最简化机构和折叠步骤。这话怎么说呢?大家都知道四旋翼飞行器有 4 个支臂,4 个电机和螺旋桨。最直接的想法就是直接把它们对折到机身,大概是这样(我们 Mavic 专利中的说明图,图中附带了一些说明文字):

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这个设计简单,直观,但是也有不少问题。大家都知道飞机的电子系统和电池等主要占体积的部件,都在机身内,机臂的空间基本上是放不了什么东西,纯粹只是为了撑开四个螺旋桨而已。因此我们会尽量把机臂做的细细的,这样才能尽少的阻碍螺旋桨的下洗气流。虽然机臂细了,但是电机和螺旋桨却得要那么宽,因为细了会牺牲动力系统的效率。因此可以看到,这种设计折叠后,中间能放电池和电子器件的主机身,只占整体体积的 1/3,而红框中的机臂,电机,桨 (合称动力系统吧),反而占了整体体积的 2/3,折叠后有大量空隙和没有利用上的体积,因此是相当低效率的折叠方式。

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还有一种,会好一些,就是把前后机臂上下错开(我最初想用的办法):

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这次,由于上下错开了,动力系统占得宽度就少了些。从 2/3 变到了 1/2 左右。不过上图有些理想化,因为实际折叠桨会比这个宽,就算在我们优化后(后面会细讲),折叠桨折叠后的宽度依然是机臂的 3 倍。因此,这个设计还有不少优化空间。因为折叠桨占用了大部分的宽度,机臂本身细很多,所以机臂和机身之间还会有比较大的空隙,没有利用到。

美国 Lockheed Martin 有一款无人机,设计就介于上面两种之间,是这样的(图片来自网络,侵删):

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没有地方放云台,形态也不美观,折叠后体积利用率不是很高。

那么应该如何最小化折叠后的体积呢?可以看看 Mavic 的机身(为了让大家看清,我先把折叠桨取下来了。图片都是我自己随便用手机拍的工程样机,晚些如果有空换些好看点的图):

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从上面看,机臂很细,减少了对螺旋桨下洗气流的阻碍,与机身紧密贴合,尽少占用宽度。机身后方两个凹坑,容纳电机。电机之间的 宽度刚好用来放置一块高性能 GPS 天线。几乎没有空间浪费。

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从下面看也差不多,机臂与机身贴合,云台后方两个凹坑容纳电机,电机之间的宽度刚好用来放置散热风扇(底部是一体化镁合金散热底壳,有时候会比较热,大家使用的过程中稍微注意一下)。唯一浪费的空间是云台左右两边比较空。
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从侧面看,机臂宽度较宽,增加了强度,同时也没有增加整机的体积。云台收纳在机身前面凹陷内,一体性和保护性都很好,也不需要每次拆下来才能储存运输。脚架也很巧妙的与机臂做成一体,收纳在了一个不占空间的地方。最巧妙的是螺旋桨,因为螺旋桨本身就是片状的零件,只要与其他面贴合在一起,是可以几乎不占体积的,因此我们让折叠桨平顺的贴合在了机身的上面和下面,几乎没有增加整机的体积。到这里,折叠后的形态就比较完美了,模块各司其职, 各安其位,紧凑的结合在一起,没有多少浪费的空隙和空间。

用 Mavic 模拟了一下对比图:左边是采用我们独特布局的 Mavic,右图是采用一般布局的 Mavic(上下错开了前后支臂,但是螺旋桨只是靠在了机身两边,没有贴合在机身上下表面),可以看到宽度差异相当大

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接下来就是如何展开了。前面的两个机臂,按照常规方式向前展开就可以。但是由于后面两个机臂的桨,是贴着机身下面的,如果按照传统的转轴翻开,桨面就会对着地面,离地面很近,那么地上有任何不平整的地方,或者下降有侧倾,都会损坏到桨,然后 DJI 就可以卖出很多桨配件: )

玩笑话,这当然是不行的,所以当时也想了很多办法,比如在支臂上再加一个转轴,展开支臂后,再把螺旋桨翻上来。比如这个早期 prototype 中显示的这样。

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或者在飞机尾部翻出一个很高的脚架来,让桨离地远一些。或者在机身主干上加个大转轴,一次把后面的两个支臂都翻上去(这些方案也都一并申请了专利)。这些方案虽然也能解决问题,但是并不是上策。因为它们都增加了机身结构的复杂性,重量,降低了可靠性,不是简洁优雅的解决方案。工程师一般都对简洁可靠的设计有着特殊的喜好,就像程序员喜欢简洁高效的代码和算法,数学家着迷于简洁优雅的解法一样。因此我对这些方案都不是很满意,于是苦苦思索了好一阵子。

有一天我想到一个平面几何的规律:对一个图形在平面上做任意次数的平移和旋转动作,从 A 位置位移到 B 位置,其实都能找到一个旋转中心,能用一次旋转来完成这个位移。也就是说,多步的旋转和平移动作,其实都可以归纳为一个旋转动作,只不过旋转中心不一定在图形内。于是我就想这个规律对于 3 维空间和物体适不适用呢?在稍微探索了一下后发现,除了一小部分特殊情况,是适用的!于是通过立体几何的办法定位了现在的这种斜轴的具体角度和位置,让机臂在展开到工作位置的同时,完成螺旋桨翻转到上面的动作,完美。

有些设计比较偷懒,折叠后需要把桨拆掉,虽然也可以做到体积紧凑,但是每次飞都要拆桨装桨,对于用户来说是很不方便的,因此我们没有做这样的设计。最后总结一下,四个支臂,四个转轴,从普通展开状态折叠到最紧凑的折叠状态,只需要四个动作,5s 之内搞定,从折叠结构和使用步骤来说,都几乎不能再简单再紧凑了,可以说是四旋翼折叠的终极方案。不服来辩。(开玩笑~如果真的有更好的方案,欢迎画几张简单的说明图私信我,确认之后可以给你一个 DJI 的工作 offer,过来把它实现)

转轴

折叠方式说完了,接下来具体谈谈折叠转轴。当时为了给用户一个最好的手感,我们参考了很多不同的转轴,包括 zippo 打火机,各种单车撑,翻盖手机,笔记本电脑……最终的结果也是挺满意:Mavic 的转轴是半自动的,也就是说,你掰开一定角度,它会自动弹开到展开位置,并且会有一个弹力一直压着,而不是靠机构完全锁死的。这样做有几个好处:

• 靠机构完全锁死的转轴,需要用户在打开机臂之后执行一个额外锁死的步骤。Mavic 的不需要,在 5s 内完成折叠,或者展开的全过程

• 一旦发生跌落和碰撞,完全锁死的转轴非死即伤。Mavic 的支臂在遭受足够的撞击后会自动弹回,卸掉部分冲击,转轴也不容易损坏

• 手感干脆爽快,大部分人在第一次拿到 Mavic 时候都会忍不住的来回掰它的机臂玩: )。这也是为什么我们要求折叠寿命至少是 5000 来回。

• 类似于汽车的悬挂,这样的设计可以滤掉一部分来自电机和螺旋桨震动,让云台和飞控更稳定。

缺点也有,一个是成本比较高,二是重一些,因为转轴基本上是全金属的,塑料材料承受不了这么大的压强。不过我觉得对于 Mavic 这样中高端的机型,这些代价是值得的。你会享受每一次展开 Mavic 的过程,并能充分的信任它的机构能够保证它在天空自由翱翔。

来张转轴的 X 光照镇楼:

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云台

懂拍摄或者懂航拍的人都知道 3 轴机械云台的必要性,下面先给不了解的人稍微讲解一下,老司机可以跳过。大家都知道,四旋翼无人机都是靠调整飞机的姿态来调整飞行方向的,也就是说,飞行的过程中机身会左摇右摆,各种颠婆。这是低频的,但是大幅度的晃动。还有螺旋桨和电机高速转动带来的高频,小幅的震动。这种晃动和震动对于录像和摄影来说,都是致命的。(对于摄影,如果把快门调的很高,倒还可以缓解这个问题,但还是会有果冻纹)。目前,对这个问题唯一靠谱的解决办法,就是机械云台。通过减震系统以及电机转轴的隔震,再加上精密的主动控制,机械云台能把这些晃动和摆动都隔离出来,让他们传不到相机,这样我们才能得到稳定的视频和清晰的照片。而且你还能够通过云台精密地控制相机的运动和指向,拍出柔顺的运动镜头。再者,有了机械云台后,一台稳定悬停的飞机(DJI 新一代的飞机停得最稳)就像一个空中 3 脚架,可以支持长曝光,3s 曝光成功率非常高(最长支持 8s,不过清晰的几率不高,空中基本上都会有风)。比如这张照片就是我之前用 phantom 3 advanced 随便拍出来的,3s 曝光,已经有汽车光流的效果:

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很多其他的无人机就算有 3 轴云台,因为飞机和云台的稳定性/精度不够,也做不到长曝光。拍夜景,暗光环境,没有长曝光还真不行。

而现在很多厂商或由于缺乏技术储备,或为了降低成本,放弃了机械云台,而采用了「3 轴」电子增稳或者电子防抖技术,在宣传上也有意混淆机械增稳和电子增稳之间的区别。实际上两者从手段到效果都有本质的区别。电子增稳,更准确的来说应该是「电子除抖」,因为它并不能使拍摄的原始视频更稳定,而是靠后期的动态裁切,从一个抖动震动的视频里裁切出一个分辨率更低的视频出来,而且抖动越严重,需要裁掉的画面就越多。它可以说是一种后期手段,是以画质和分辨率为代价的低成本方式。对画面有一点追求的摄像师都不会采用这种办法,只有预算低,或者没有其他办法时,才会使用。

尤其是无人机上,由于飞机姿态变化很大,一般电子防抖都 hold 不住,会要截取掉过多的画面,导致画面出现大面积黑边。一般厂商都是这两种办法解决:

1. 限制无人机的姿态,也就是限制飞机的加速性能和极速性能,让飞机本身飞的很慢,反应迟钝,这样画面自然不会这么抖。这样飞机的抗风性能会变差,就只能在地面附近飞飞,速度慢了也只能拍慢节奏的视频,飞行乐趣也无从说起。

2. 采用鱼眼镜头,让原始视频的视野特别大,这样就可以有充分的画面让电子除抖来裁切。然而,鱼眼镜头之后的相机感光元件,面积也就这么大(一般无人机上用的最大的也就 1/2.3 英寸),用了鱼眼再裁切,相当于视频只使用了不到感光器 1/4 的面积。因此画质是相当抱歉的,连你的手机自拍摄像头都不如。

最后,电子增稳只对视频有效,对于照片的长曝光完全没办法,喜欢摄影的同学也就不用考虑了。因此,就航拍来说,千万不要觉得电子增稳是什么高大上的东西,只是为了降低成本,减小体积而大大牺牲画质的妥协方案。

科普完了,具体介绍一下 Mavic 引以为傲的 3 轴机械云台:

1. 目前量产消费产品中最小的 3 轴机械云台(宽度 36.5mm)

2. 在目前搭载了 3 轴机械云台的量产消费无人机中,Mavic 是体积最小的(折叠后)

以上记录是以 2016 年 9 月底的时间为准。我没有做过全面的调查,如果谁知道有哪个产品超过了 Mavic,请指出,我会更新这个陈述。

它还有个比较特别的功能,就是 roll 轴可以旋转 90 度,让用户拍摄垂直构图的照片或者视频。另外,这个云台中搭载的 1/2.3 英寸的传感器,也是跟 phantom 4 同一级别的。至于那个透明的云台保护罩,主要是平时不用的时候,以及恶劣环境飞行的时候保护云台的,会让画质下降些,所以平时飞行的时候建议摘下来,画质和续航都会好些。

这云台够帅:

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续航

跟所有移动电子产品一样,由于电池长期以来没有突破,续航一直是无人机最大的一个痛点之一。DJI 虽然在续航方面也一直是行业标杆,但不到 30 分钟,还是 会让人意犹未尽,经常需要多带几块电池。而以 Mavic 折叠后的体积大小,要做到 27 分钟的续航,是挺逆天的(在无风环境下以 25km/h 匀速飞行时测得。而在理想条件下悬停时间可以接近 29 分钟)。其实要做好续航,不仅仅是高密度的电池,还有这些因素:

1. 桨要大,越大越好,将能量转换为升力的效率就越高。(稍微解释一下:根据动量守恒原理,螺旋桨靠把空气向下加速,而获得一个向上的动量,抵御重力带来的冲量。这个动量=m*v,就是排出空气的质量 m 乘以排出空气的速度 v。而这部分空气带走的能量为 1/2*m*v^2,这部分能量是由飞机提供的,是要耗电的。由于这部分能量损耗与 m 的一次方成正比,与 v 的二次方方成正比,因此在保证同样动量的情况下,增加 m,减少 v,能够减少这部分能量损耗。也就是说,同样都是让飞机悬停在空中,这种方式能让耗损的电能更少。那么如何在减少空气速度的同时增加排出空气的质量呢?增加桨盘的面积,也就是增加桨的长度。) Mavic 的 8.3 寸桨,长度是远超同类便携无人机的。加上我们有专业的螺旋桨和电机研发团队,致力于优化飞机动力系统的效率,才让 Mavic 的续航碾压同行。

2. 机身轻量化。这个要解释比较简单,就是保证功能,性能,可靠性的前提下,通过简化结构和机械设计,移除不需要以及效率低的材料,更换强度密度更高的材料等手段,让飞机尽可能的轻。这从两个方面对续航有利:一个是让飞机的需要提供的拉力减小,减少能耗,二是让飞机的动力效率更高,减少能耗。因为一般来说,同一个动力系统,需要提高的拉力越高,效率也会越低。所以我们的飞机除了前期设计尽可能的用简洁的结构机构,后期也都会经过几轮狠狠的减肥工作。

3. 机身机臂设计尽量少的阻挡螺旋桨的下洗气流,这个比较好理解。

4. 当然,我们用的电池性能和质量也是业界最高的。

有天我在外面吃饭,坐旁边的几个女生吃完后摆着各种姿势各种组合足足自拍了 40 多分钟,那时我就想,现在市面上的那些自拍无人机药丸。都不到 10 分钟的续航,根本不能满足自拍需求……

话说回来,那些自拍无人机虽然都比 Mavic 小,便宜,但是要达到 Mavic 一块电池的同等续航,你得带上 3-4 块电池,这样价格和体积优势就没了。而我刚才也说了,一般就算是二十多分钟续航的飞机,也是经常需要多带两块电池的。换到自拍无人机上,相当于十几块电池——画面太美不敢看。

快拆折叠桨

讲完了续航顺便再讲讲我们全新设计的快拆折叠桨吧。以 DJI E2000 做例子,传统折叠桨设计一般是这样的:

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可以看见,中心的电机转轴两端,各有一个银灰色的螺丝。这两个螺丝同时起着两个作用,一是把折叠桨叶固定在电机上,一是作为折叠桨的旋转轴。这个设计有几个缺点:两个螺丝要手工上上去,而且需要人工调整松紧度,松了不牢靠;太紧了也不行。更换比较麻烦,需要螺丝批,以及螺丝上需要上专业的螺丝胶,不然用一段时间后螺丝就会松动,飞行过程中有可能射桨(就是桨叶整个脱离机身飞出去,一般都会导致炸鸡)

因为这两点,我们只会在比较专业的机型用这种设计。无人机经常刮刮碰碰就需要换桨,如果在外面玩没带专用螺丝刀导致不能飞,那就郁闷了。其次,一般小白也不会上螺丝胶,也控制不好松紧,如果导致射桨,后果非常严重。现在其他厂家也在自己的消费无人机上使用这种设计,其实是不太好的,大家可以注意一下。

于是乎我们需要一个新设计,来改善这两个问题,让我们的 Mavic 用上方便靠谱的折叠桨。当我第一次知道要把折叠桨加上快拆功能的时候,其实我内心是拒绝的,因为我觉得把这么多功能加进去,结构会搞得挺复杂,对重量,体积都不好。当时想到一个挺好的方案,可以解决第一个问题,而且方案非常简洁,轻量,体积也小,在工程上来说很不错,就是解决不了更换桨需要螺丝刀和螺丝胶的问题。但是没办法,为了小白用户能够用得舒心,只得硬着头皮设计一个两个问题都解决的方案。看看最终的结果吧,史上第一款量产的同时兼有快拆和折叠的桨叶设计:

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从顶上看,两个螺丝换成了两个金属轴,固定在桨夹上。将桨按下后旋转 40 度左右即可完成拆卸,安装也一样,无需任何工具。

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卸下后的结构局部图。可以看到,整个装配零件数量也不多,是非常简洁的。像桨这种需要高速旋转并承受很大应力的部件,越简洁越可靠。

没有比较就没有伤害,为了让大家看到这款折叠桨设计在体积,外观,重量上的优化程度,我把压箱底的白色「珍藏版」prototype 拿了出来:

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看看右边的桨,增加了宽度(整个飞机宽了 1cm),同时桨叶也变短了,放在机身上比较小气,中间的那一坨也不太好看,没有左边最终版的修长优雅。

最后,说明书里建议用户手动把螺旋桨展开,是为了保证绝对安全,实际上,只要你能保证螺旋桨附近没有人和障碍物,直接启动电机就可以自动靠离心力甩开折叠桨了。注意这个过程中(不到一秒)机身会抖动一下。

传感器/飞控

我的同事硕哥以前就这个话题专门写过一篇很好的科普,大家可以直接去看他的回答:

小米无人机跟大疆无人机有多大差距?- YY 硕的回答

具体到 Mavic,采用的是和 Phantom 4 一样的双目立体视觉系统,双目加双超声波精准下视定位。这套系统的特点是能够感知和构建 3 维空间,以及可视距离很远,能够支持最高支持 10m/s 速度下的避障,以及 13m 高度内无 gps 也能精准的定位悬停。这套系统不仅需要很高的计算量,而且对传感器的固定精度有非常高的要求,是现在市面上消费无人机上最成熟最强大的避障系统;缺点则是和人类似,在晚上暗光的情况下视觉系统是看不见的。

有些厂商随意的在飞机上加了一对最简单的超声波,或者单点 TOF,或者红外线,就宣称避障了。这些简单的方案都很鸡肋:要么可视距离很近(相当于近视眼,那么飞机就只能龟速飞行),要么可视范围很窄(只能看正前方,飞机稍微斜着飞就看不到,会撞上),要么会被日光干扰,所以只能在室内或者晚上使用。这些避障系统都只能用来炒作一下概念,发挥不了什么实用价值。

还有现在大家都在说的智能跟随,我们的技术(视觉跟随)也跟其他厂商的 GPS 跟随有着本质的区别:

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仅凭着 GPS,飞机只能知道你的大概位置和方向,是非常不准的(尤其是靠手机的 gps,尤其是高度的信息),根据这个来跟随,飞机虽然能够大概跟着你,但是拍不出构图合格的视频,很多时候你甚至都不会在画面中,而飞机也不知道,所以这种跟随只能装装样子,出不来好的视频。视觉跟随就完全不一样了,飞机能看到你,知道你的准确位置,并会尽可能的保证在整个视频中把你拍在预设的构图位置(默认是画面中心,你也可以调到其他位置)。有了这个功能,一些以前专业飞手都很难飞出的跟随画面,一个初学者都可以做到,比如说跟随移动的物体同时环绕。

至于 DJI 的飞控,一直以来都是行业标杆,稳定,精准,可靠,多功能。其中,稳定可靠是最重要的,否则,再花哨的功能,遇上抽风炸鸡都是白搭。大家可以看看这个大疆精灵 4 的暴力测试随意感受一下:

大疆精灵 4 暴力测试【撞树、挂水、砸机、剪桨……】

具体到 Mavic,飞控 IMU 也是采用和 Phantom(精灵)4 一样的独立悬挂和传感器冗余,保证了一致的可靠性和稳定性。抗风性能在风洞做过测试,可以在 15m/s 的风速下悬停。一般用户保险起见最好不要在超过 10m/s 的风速环境飞行。

遥控器

既然把飞机设计得这么便携了,没有一款便携的遥控器搭配怎么说得过去?于是我们又全新设计了一款便携遥控器,而且设计原则跟飞机一样,那就是性能上不妥协。因此,这款便携遥控器是全功能的,和 Phantom 遥控器比,不仅没有削减功能和操控(霍尔摇杆和全套按钮和拨轮都有),反而还有提升:比如独立的小屏幕,紧急刹车键,和五维按键。

真正要把遥控器做小,有两个问题,一个是做小了后握持感变差,对精确操控飞机不利,用户的手也更容易疲劳;二是手机夹占用的体积比较大,难以做得很小又能把手机夹稳。于是就想了一个办法,让这两个问题互相把对方干掉:做了一个折叠设计,把人体工程部件和手机夹结合起来,利用手机夹的体积来给用户手部提供充实的支撑和握持感,同时手机夹折叠后又与遥控器主题融为一体,大大减小了体积。我把这个想法和负责遥控器的同事交流了一下,他也很认同,于是把之前已经做了好一阵子的方案整个推倒重做,又经过团队将近一年时间的努力,才让这款遥控器面世。

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可以看到图中箭头所指,手机夹同时作为握柄,给予手掌充分的支撑,对于手指精准操控和耐疲劳非常有利。

屏幕快照 2016-09-28 13.00.01.png

同时折叠完后大小也接近手机,不过有 4 厘米厚

这个方案其实还顺便解决了另外几个问题:

• 传统遥控器手机/平板夹持都在天线的上方,比较容易遮挡天线信号,影响图传和遥控;也导致操作的时候遥控器头重脚轻,拿久了容易手部疲劳。而这款遥控器手机在底部,完全不干扰天线;重心平衡,拿着没那么累。

• 由于手机屏幕离手指很近,触摸屏幕更方便,很多时候手不离开遥控器就可以进行触屏操作

我可以很自信的说,从便携性,功能,操控手感三个维度来衡量,这款遥控器是目前市场上最好的。不服再辩。(开玩笑~和上面一样,如果真的有更好的方案,欢迎画几张简单的说明图私信我,确认之后可以给你一个 DJI 的工作 offer,过来把它实现)别忘了,这么小的遥控器,这么小的飞机,全功能,7km 的图传距离,真不是开玩笑的。

现在不少小自拍机把纯手机操控,没有遥控器这个缺点作为卖点来宣传,是非常坑的。Mavic 也可以有纯手机操控的功能,不过我们内部一致认为这只能作为一个辅助功能,随便拍几张到此一游照还可以。主打的操控方式还是得用遥控器,因为体验好太多。具体我就不一一解释了,举个简单的例子吧,有两辆各方面完全一样的汽车,除了一点:一辆有方向盘,刹车和油门踏板等一应俱全;另一辆没有,只能用手机操控(没有自动驾驶功能);你会选哪一辆来开?

图传

无线通信这一块我比较外行,所以直接粘贴同事写的:

作为 MAVIC 的核心技术之一,OcuSync 也是 DJI Light Bridge 高清图传系列中的重要一员,相比其他多种常见图传技术表现出众。

• OcuSync 基于全新设计架构,从多个方面提升了用户的体验,还提供了不少新的功能。

• OcuSync 提供了强大流畅的图传遥控性能,在 HD(720p)的基础上提供了视像更加清晰的 Full HD(1080p)的图传体验(近距离无干扰情况下)

• OcuSync 为近场从飞机下载视频到手机提供了高达 40Mbps 的流传输,

• OcuSync 支持十分微弱的信号接收(可以在远达 7km 的地方接收图传遥控信号)• OcuSync 还提供了灵巧的干扰躲避机制 

• 在新架构下,OcuSync 还提供了多台设备之间灵活配置的通信组合。(比如像 Inspire 那样的双人操控模式

OcuSync 在多种速率下都远超 WIFI 和一般图传的链路性能。由于 OcuSync 设计中采用了大量当今通信领域最为先进的信道编码技术、多天线技术、分集技术、信道估计和均衡技术等,还有完整的上层协议栈,比如无线媒体接入控制、无线资源管理等模块,又与视频编解码模块深度耦合设计,因此无线图传性能不同一般。后来的多次测试表明,OcuSync 在理想条件下图传遥控有效的距离实际上并不止于 7km,有的时候超过 10km 也不是不可能。这个结果令大家都很兴奋。而 spec 设为 7km,主要是考虑到通信产品都有一定生产公差,需要预留一些裕量(OcuSync 的传输距离在 CE 标准下标称是 4km,美国适用的 FCC 标准下是 7km)。

目前市面上还有一类基于 WIFI 技术的图传方案,与 WIFI 方案相比,OcuSync 的图传体验显著不同。WIFI 主要考虑消费电子产品的局部互联,多数设备通信用于几米到数十米之间,WIFI 协议为了照顾到低成本应用,链路性能偏弱,导致 WIFI 的收发机链路性能偏弱,无法检测微弱信号或者在一定干扰环境中检测有用信号;而 OcuSync 设计中采用了大量当今通信领域最为先进的传输技术,对比过灵敏度、抗干扰性能、抗衰落性能、高速移动、多设备等多个场景,WIFI 均无法直接与 OcuSync 进行比较。对用户而言,这种差别对应着流畅与卡顿图传的不同体验,也对应着飞行范围远近的不同体验,还对应着干扰情况下或者信号遮挡情况下图传遥控的不同体验。另外由于 WIFI 采用传统协议栈,建立链接或者失步后重新建立链接时间较长,约在数秒到十多秒,OcySync 则采用跨层设计,建立链接和重新建链时间可以低至 1 秒以内。

有些产品为了提升性能,故意额外增加功率或者采用强指向性发射天线,使得某些方向上的辐射强度提高来弥补性能偏弱的问题,号称也可以传数公里。各国官方机构无论是 FCC 还是 CE,都对消费产品规定了各个方向上的最大辐射强度(EIRP),因此上述做法其实是违法违规的,增加了干扰破坏其他设备通信的风险。

结束语

这篇文章主要讲了 Mavic 的基础技术和底层机械结构,没有讲太多我们飞机上的各种丰富的智能功能和背后的算法(这方面有其他人可以介绍的比我更好)。不过就像买汽车一样,最重要的是三大件(马达,变速箱,车架),其次才是建立在这个扎实基础上的各种丰富的配置和功能。不过现在很多人都不看车的基础,只关心比较表面的配置,也让不少国产厂商钻了空子,生产出一些三大件很差,但是配置超级丰富的华而不实的车。而现在无人机市场也有这个风气,就是不把飞机本身基础搞好,浮夸吹嘘一大堆所谓智能功能来忽悠消费者。这样的飞机流通在市面上,轻只是欺骗了消费者,重则伤害他人人身和财产安全,对于消费者以及整个行业来说都是一种极其不负责任的行为。国内厂商就先不说了,免得被水军淹没,就说国外众筹的 ZANO,视频宣传中吹嘘的各种牛逼,手掌大小,手上起飞,四面避障,甚至 Swarm(机器人集群)都能吹出来,也是脸皮够厚。最后连飞机都飞不稳,整个公司破产,众筹支持者的钱全部打水漂,产品都没拿到。这是现在互联网时代,企业普遍浮躁风气的一个比较极端的例子: 不好好做产品,总想靠概念营销一夜暴富,左忽悠消费者,右忽悠投资人……汽车行业,这么多年了至少行业标准已经比较成熟,低于这个标准都不能上市,而无人机现在暂时还没有通用的标准来监管,导致很多不合格的无人机产品也能推向市场,所以只能靠消费者自己鉴别。这也是我写这篇文章的目的之一,以后大家看到很酷炫的无人机宣传视频的时候,可以用这些标准审视一遍。

这篇长文终于要结束了,希望阅读后大家能对 Mavic 的设计有着更深入的了解,也希望大家能喜欢。其实我说的这些只是冰山一角,还有太多的技术细节是无数工程师夜夜加班一点一点抠出来而我没有讲到的,而正是这些无数一般人看不到的细节,才堆积出了 Mavic 这款革命性的产品。我们做这么多极致的优化,也是为了打造一款大家能带出去玩,跟着你旅行,探险,走到世界各个角落的高品质航拍机,也希望大家在使用 Mavic 的过程中能体会到我们的用心。(当然,全新的产品刚面世,bug 肯定是有一些的,还请大家及时反馈给客服或者大疆社区,我们的攻城狮和程序猿会及时更新修正)

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我个人非常喜欢各种户外运动、旅行,摄影,摄像和航拍(作品主要放在墙外网站),也希望能和这方面的牛人多交流。

谢谢!