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    Mavic設計工程師告訴你大疆御無人機設計過程
    Mavic設計工程師告訴你大疆御無人機設計過程
    新聞來源:網絡轉載   添加時間:2016-10-06 21:52:38   瀏覽次數:

    作者Mavic設計工程師。本文載于知乎:如何評價大疆創新發布的新產品 Mavic(御)? 主要談了談Mavic的創新和設計,如果你也是無人機從業者,或者對無人機有興趣,那么本文將是一篇非常有價值的參考——“科普一些無人機的技術知識,讓大家能看破一些華而不實的宣傳,做更好的購買決策?!睉髡咭?,轉載請保留原文鏈接,不得刪減內容。

    “北京時間9月28日凌晨,大疆在紐約發布了(其實業內早已知道的)折疊無人機Mavic,中文名為御。這是大疆發布的最小的整機,也是除了精靈系列和悟系列之外大疆推出的第三套(消費級無人機的)ID?!?《解密 | 大疆是如何一夜之間干掉自拍無人機市場的?》)

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    以下是正文:

    產品終于發布了,近兩年的努力終于與世人見面,此刻非常激動。作為Mavic的設計工程師,對它了解得比較全面,所以試著來回答這個問題。第一次認真寫回答,希望大神們輕拍。

    我會比較詳細的介紹這款全新機型的設計。利益相關就不用多說了,我是DJI的員工,但這篇文章代表我的個人意見。我會本著工程師的信譽,實事求是的敘述。一個人的知識有限,下文中如果有不符合事實的地方,歡迎指出,我會及時更正。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    消費無人機市場還非常的年輕,現在隨著越來越多的新晉廠商入局試水,水準參差不齊,不少廠商本身缺乏技術積累,靠夸大宣傳和酷炫的視頻來吸引注意力,讓不明真相的小白用戶掏腰包卻拿不到宣傳中所承諾的產品(比如破產的zano、一直跳票的lily等等),所以這次順便也會科普一些無人機的技術知識,讓大家能看破一些華而不實的宣傳,做更好的購買決策。

    DJI的Phantom系列從無到有的開創了消費無人機的市場,第一次讓消費者可以買到到手即飛的無人機,把航拍從少數專業玩家和攝像師的獨門絕技,變成了一項人人都可以嘗試并享受其中樂趣的活動(大家可以上天空之城看看用戶拍攝的精美作品)。幾年來經過歷代技術更新迭代,目前的Phantom 4已經相當成熟,從易用性,智能性到影像畫質,智能功能,都絕對是消費無人機的行業標桿,一直被模仿,從未被超越。它也是第一臺擁有視覺感知和一定自主飛行能力的消費無人機。然而,對于普通消費者來說,Phantom以及這種級別的其他無人機,有幾個通?。?

    體積:需要幾乎一整個背包,平時帶出去玩還可以,但是出去旅行就麻煩了,除非是自駕游

    重量:長途攜帶會比較累;對女性來說太重

    麻煩:需要每次使用都拆槳,裝槳,從背包到懸停要幾分鐘

    而Mavic很好的解決了這些痛點,第一次將Phantom這個性能和拍攝質量級別的無人機,做到了真正便攜的程度,而幾乎沒有損失性能。我可以自信的說,它將會是一款消費級無人機中具有里程碑意義的革命性產品,讓高質量的航拍普及到更廣大的受眾群體。

    這么說有些抽象,我先把一些關鍵參數扔出來,之后再展開分析:

    飛機折疊后的尺寸:83mm83mm198mm(接近一個運動水瓶的體積)

    重量:734g

    機械3軸云臺,支持長曝光(效果不是3軸電子防抖能比,后面會細說。這應該也是目前量產的最小的機械3軸云臺了)

    27分鐘續航 (在無風環境下以25km/h勻速飛行時測得。而在理想條件下懸停時間可以接近29分鐘)

    最高7公里圖傳和遙控距離,最高支持1080p(Phantom的5km已經碾壓群雄了,這個7km加上最高支持1080p實在是有些逆天。注 意是美國FCC標準,開闊無遮擋, 無電磁干擾環境下。國內CE標準對功率限值更嚴,因此是4km。)

    1/2.3英寸相機sensor,4k視頻,最大碼流 60Mbps(和Phantom 4同樣面積的相機sensor)

    前視雙目視覺避障+智能跟隨等自動飛行功能 (這個技術目前在消費無人機中是DJI獨家,避障模式最高支持10m/s的飛行速度,遠超其他廠商)

    雙超聲波+雙目的精準下視定位(懸停精度持平Phantom 4,有效范圍稍微更遠)

    最高飛行速度:65km/h (比Phantom 4的72km/h稍低,但遠高于其他便攜無人機)

    DJI飛控和導航系統(DJI的核心技術,不用多說了,穩定,精準,可靠,多功能)

    8.3寸快拆折疊槳 (應該是現在市面上唯一一款同時有快拆和折疊的槳,而且無螺絲,后面會細說)

    說到這里,對無人機產品有了解的人就已經能看出Mavic的革新之處:

    現在市面上達到這些性能,體驗和可靠性的消費無人機,只有Phantom 4。而市面上體積能做到Mavic這么便攜的無人機,性能跟Mavic完全不在同一個等級(單續航來說,就只有Mavic的1/3-1/4),就像玩具一樣??梢赃@么說,在性能和便攜性兩個維度上結合考量,Mavic目前是一騎絕塵,沒有對手的。

    配合著我們新設計的全功能折疊遙控器,Mavic是世界上第一款你可以無負擔輕易帶去任何地方,并可以拍攝高質量內容的智能航拍無人機,無論是記錄你的生活,旅行,探險,還是大自然的絕美風光都駕輕就熟,區區自拍更是不在話下。(對之后的詳細說明沒興趣的,看到這里放心買買買就可以了:)

    價格方面大家也不要覺得這么小的飛機為什么不賣得更便宜點,因為科技產品并不是論斤賣,或者按體積賣的。相反,要將同樣的技術和配置塞進一個小很多的空間內,難度和成本更高。配置完全相同的筆記本電腦會比臺式電腦更貴就是這個道理。最終公司定的這個價格已經相當良心了,比我預想的還要低。

    參數介紹完了,下面進入正題,講一下這款飛機的設計。好的無人機機型設計,尤其是好的折疊機的設計,是一個非常復雜,需要來回迭代的過程,其中涉及到很多方面:

    便攜性,折疊方式,包括體積的最小化,折疊展開步驟的最簡化

    結構的簡潔,可靠,耐摔

    續航

    外觀

    整機布局,合理布置pcb和散熱,各組件和傳感器的位置,并保證他們能發揮性能,互不干擾。這是一大塊。

    云臺和減震設計

    如何優化設計來優化生產和組裝

    這些因素之間會相互牽制和影響,而如何平衡取舍,或者如何跳出現有框架,想出新的解決方案做到兩全其美,就是設計飛機的難點和樂趣所在。

    折疊方式

    先從一般人比較感興趣的折疊方式開始說起吧。一開始我接到的要求是設計一款口袋無人機,不過稍做了一些調研分析后,當時我果斷放棄了這個方向,因為:

    這樣的產品雖然比較吸引眼球,但是實用性不高,口袋這個空間的競爭已經非常激烈,手機,鑰匙串,錢包等等。幾乎輪不到無人機這種偶爾用一下的東西。就我個人來說,除了手機,連錢包一般都不放口袋里的,不舒服,就更別提厚厚的無人機了。

    體積做得小本身是沒有錯的,但為了做到放在口袋里,犧牲了太多的畫質和續航,在普通無人機20來分鐘續航大家都嫌不夠的時候,7-8分鐘的續航是不能接受的。畫質也做不到合格的水平(我心目中的合格是持平手機的拍攝畫質)。因此這樣的trade off不明智,我們要做的應該是在保證產品品質和體驗的前提下做到便攜,而不是為了便攜犧牲產品其他更重要的品質。當時有個叫Anura的口袋無人機在眾籌,我覺得不靠譜,后來果然失敗了。(現在,將近2年過去了,市面上出現了一些量產成功的口袋無人機,不過續航,畫質等還是很差,只能算是過渡型的產品,我覺得也不會贏得消費者的認可)

    不做口袋無人機的話,應該把產品設計成什么大小和形態最好呢?我非常喜歡各種戶外運動,有一次在Yosemite國家公園徒步的時候,我一邊在想這個問題。走著走著口渴了,于是我拿出水瓶喝了一口水,然后心中就有了答案??诖?,但是水瓶的大小應該是足夠容納一個品質合格的無人機的。而且出去玩,誰不帶瓶水呢?一般的背包,戶外裝備等,都會專門設計水瓶的存放空間,如果無人機折疊后大概是個水瓶的形態,出去旅行或者戶外運動的時候,就能很方便的帶上了。

    然后我就在腦海中大概構想了幾種折疊方式,有了初步靠譜的想法,非常激動,于是放棄了下午的徒步,直接趕回機場,借了幾張紙就在機場畫了起來。這就是第一版設計的由來,而后來又經過了半年多的研發和改進,整機布局和折疊方式才逐漸定型為今天的樣子。之間的過程和艱辛這里就不說了,我直接講講最終的設計。

    很多人會覺得Mavic后翼下置的造型以及后支臂向下翻轉展開的方式很特別很酷炫,但可能不知道我們這么設計并不是為了特別和酷炫,而是有著很實在的考慮:最小化折疊后體積的同時,最簡化機構和折疊步驟。這話怎么說呢?大家都知道四旋翼飛行器有4個支臂,4個電機和螺旋槳。最直接的想法就是直接把它們對折到機身,大概是這樣(我們Mavic專利中的說明圖,圖中附帶了一些說明文字):

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    這個設計簡單,直觀,但是也有不少問題。大家都知道飛機的電子系統和電池等主要占體積的部件,都在機身內,機臂的空間基本上是放不了什么東西,純粹只是為了撐開四個螺旋槳而已。因此我們會盡量把機臂做的細細的,這樣才能盡少的阻礙螺旋槳的下洗氣流。雖然機臂細了,但是電機和螺旋槳卻得要那么寬,因為細了會犧牲動力系統的效率。因此可以看到,這種設計折疊后,中間能放電池和電子器件的主機身,只占整體體積的1/3,而紅框中的機臂,電機,槳(合稱動力系統吧),反而占了整體體積的2/3,折疊后有大量空隙和沒有利用上的體積,因此是相當低效率的折疊方式。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    還有一種,會好一些,就是把前后機臂上下錯開(我最初想用的辦法):

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    這次,由于上下錯開了,動力系統占得寬度就少了些。從2/3變到了1/2左右。不過上圖有些理想化,因為實際折疊槳會比這個寬,就算在我們優化后(后面會細講),折疊槳折疊后的寬度依然是機臂的3倍。因此,這個設計還有不少優化空間 。因為折疊槳占用了大部分的寬度,機臂本身細很多,所以機臂和機身之間還會有比較大的空隙,沒有利用到。

    美國Lockheed Martin有一款無人機,設計就介于上面兩種之間,是這樣的(圖片來自網絡,侵刪):

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    沒有地方放云臺,形態也不美觀,折疊后體積利用率不是很高。

    那么應該如何最小化折疊后的體積呢?可以看看Mavic的機身(為了讓大家看清,我先把折疊槳取下來了。圖片都是我自己隨便用手機拍的工程樣機,晚些如果有空換些好看點的圖):

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    從上面看,機臂很細,減少了對螺旋槳下洗氣流的阻礙,與機身緊密貼合,盡少占用寬度。機身后方兩個凹坑,容納電機。電機之間的 寬度剛好用來放置一塊高性能GPS天線。幾乎沒有空間浪費。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    從下面看也差不多,機臂與機身貼合,云臺后方兩個凹坑容納電機,電機之間的寬度剛好用來放置散熱風扇(底部是一體化鎂合金散熱底殼,有時候會比較熱,大家使用的過程中稍微注意一下)。唯一浪費的空間是云臺左右兩邊比較空。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    從側面看,機臂寬度較寬,增加了強度,同時也沒有增加整機的體積。云臺收納在機身前面凹陷內,一體性和保護性都很好,也不需要每次拆下來才能儲存運輸。腳架也很巧妙地與機臂做成一體,收納在了一個不占空間的地方。

    最巧妙的是螺旋槳,因為螺旋槳本身就是片狀的零件,只要與其他面貼合在一起,是可以幾乎不占體積的,因此我們讓折疊槳平順的貼合在了機身的上面和下面,幾乎沒有增加整機的體積。到這里,折疊后的形態就比較完美了,模塊各司其職,各安其位,緊湊的結合在一起,沒有多少浪費的空隙和空間。

    用Mavic模擬了一下對比圖:左邊是采用我們獨特布局的Mavic,右圖是采用一般布局的Mavic(上下錯開了前后支臂,但是螺旋槳只是靠在了機身兩邊,沒有貼合在機身上下表面),可以看到寬度差異相當大。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    接下來就是如何展開了。前面的兩個機臂,按照常規方式向前展開就可以。但是由于后面兩個機臂的槳,是貼著機身下面的,如果按照傳統的轉軸翻開,槳面就會對著地面,離地面很近,那么地上有任何不平整的地方,或者下降有側傾,都會損壞到槳,然后DJI就可以賣出很多槳配件: )

    玩笑話,這當然是不行的,所以當時也想了很多辦法,比如在支臂上再加一個轉軸,展開支臂后,再把螺旋槳翻上來。比如這個早期prototype中顯示的這樣:

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    或者在飛機尾部翻出一個很高的腳架來,讓槳離地遠一些?;蛘咴跈C身主干上加個大轉軸,一次把后面的兩個支臂都翻上去(這些方案也都一并申請了專利)。這些方案雖然也能解決問題,但是并不是上策。因為它們都增加了機身結構的復雜性,重量,降低了可靠性,不是簡潔優雅的解決方案。

    工程師一般都對簡潔可靠的設計有著特殊的喜好,就像程序員喜歡簡潔高效的代碼和算法,數學家著迷于簡潔優雅的解法一樣。因此我對這些方案都不是很滿意,于是苦苦思索了好一陣子。

    有一天我想到一個平面幾何的規律:對一個圖形在平面上做任意次數的平移和旋轉動作,從A位置位移到B位置,其實都能找到一個旋轉中心,能用一次旋轉來完成這個位移。也就是說,多步的旋轉和平移動作,其實都可以歸納為一個旋轉動作,只不過旋轉中心不一定在圖形內。

    于是我就想這個規律對于3維空間和物體適不適用呢?在稍微探索了一下后發現,除了一小部分特殊情況,是適用的!于是通過立體幾何的辦法定位了現在的這種斜軸的具體角度和位置,讓機臂在展開到工作位置的同時,完成螺旋槳翻轉到上面的動作,完美。

    有些設計比較偷懶,折疊后需要把槳拆掉,雖然也可以做到體積緊湊,但是每次飛都要拆槳裝槳,對于用戶來說是很不方便的,因此我們沒有做這樣的設計。最后總結一下,四個支臂,四個轉軸,從普通展開狀態折疊到最緊湊的折疊狀態,只需要四個動作,5s之內搞定,從折疊結構和使用步驟來說,都幾乎不能再簡單再緊湊了,可以說是四旋翼折疊的終極方案。不服來辯。(開玩笑~如果真的有更好的方案,歡迎畫幾張簡單的說明圖私信我,確認之后可以給你一個DJI的工作offer,過來把它實現)

    轉軸

    折疊方式說完了,接下來具體談談折疊轉軸。當時為了給用戶一個最好的手感,我們參考了很多不同的轉軸,包括zippo打火機,各種單車撐,翻蓋手機,筆記本電腦……最終的結果也是挺滿意:Mavic的轉軸是半自動的,也就是說,你掰開一定角度,它會自動彈開到展開位置,并且會有一個彈力一直壓著,而不是靠機構完全鎖死的。這樣做有幾個好處:

    靠機構完全鎖死的轉軸,需要用戶在打開機臂之后執行一個額外鎖死的步驟。Mavic的不需要,在5s內完成折疊,或者展開的全過程。

    一旦發生跌落和碰撞,完全鎖死的轉軸會承擔巨大的局部應力,非死即傷。Mavic的支臂在遭受足夠的撞擊后會自動彈回,卸掉部分沖擊,轉軸也不容易損壞。

    手感干脆爽快,大部分人在第一次拿到Mavic時候都會忍不住的來回掰它的機臂玩: ) 。這也是為什么我們要求折疊壽命至少是5000來回。

    類似于汽車的懸掛,這樣的彈性設計可以濾掉一部分來自電機和螺旋槳震動,讓云臺和飛控imu更穩定。

    缺點也有,一個是成本比較高,二是重一些,因為轉軸基本上是全金屬的,塑料材料承受不了這么大的壓強。不過我覺得對于Mavic這樣中高端的機型,這些代價是值得的。你會享受每一次展開Mavic的過程,并能充分的信任它的機構能夠保證它在天空自由翱翔。

    來張轉軸的X光照鎮樓:

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    云臺

    懂拍攝或者懂航拍的人都知道3軸機械云臺的必要性,下面先給不了解的人稍微講解一下,老司機可以跳過。大家都知道,四旋翼無人機都是靠調整飛機的姿態來調整飛行方向的,也就是說,飛行的過程中機身會左搖右擺,各種顛婆。這是低頻的,但是大幅度的晃動。還有螺旋槳和電機高速轉動帶來的高頻,小幅的震動。這種晃動和震動對于錄像和攝影來說,都是致命的。(對于攝影,如果把快門調的很高,倒還可以緩解這個問題,但還是會有果凍紋)。

    目前,對這個問題唯一靠譜的解決辦法,就是機械云臺。通過減震系統以及電機轉軸的隔震,再加上精密的主動控制,機械云臺能把這些晃動和擺動都隔離出來,讓他們傳不到相機,這樣我們才能得到穩定的視頻和清晰的照片。

    而且你還能夠通過云臺精密地控制相機的運動和指向,拍出柔順的運動鏡頭。再者,有了機械云臺后,一臺穩定懸停的飛機(DJI新一代的飛機停得最穩)就像一個空中3腳架,可以支持長曝光,3s曝光成功率非常高(最長支持8s,不過清晰的幾率不高,空中基本上都會有風)。比如這張照片就是我之前用phantom 3 advanced隨便拍出來的,3s曝光,已經有汽車光流的效果:

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    很多其他的無人機就算有3軸云臺,因為飛機和云臺的穩定性/精度不夠,也做不到長曝光。拍夜景,暗光環境,沒有長曝光還真不行。

    而現在很多廠商或由于缺乏技術儲備,或為了降低成本,放棄了機械云臺,而采用了“3軸”電子增穩或者電子防抖技術,在宣傳上也有意混淆機械增穩和電子增穩之間的區別。實際上兩者從手段到效果都有本質的區別。

    電子增穩,更準確的來說應該是“電子除抖”,因為它并不能使拍攝的原始視頻更穩定,而是靠后期的動態裁切,從一個抖動震動的視頻里裁切出一個分辨率更低的視頻出來,而且抖動越嚴重,需要裁掉的畫面就越多。它可以說是一種后期手段,是以畫質和分辨率為代價的低成本方式。對畫面有一點追求的攝像師都不會采用這種辦法,只有預算低,或者沒有其他辦法時,才會使用。

    尤其是無人機上,由于飛機姿態變化很大,一般電子防抖都hold不住,會要截取掉過多的畫面,導致畫面出現大面積黑邊。一般廠商都是這兩種辦法解決:

    限制無人機的姿態,也就是限制飛機的加速性能和極速性能,讓飛機本身飛的很慢,反應遲鈍,這樣畫面自然不會這么抖。這樣飛機的抗風性能會變差,就只能在地面附近飛飛,速度慢了也只能拍慢節奏的視頻,飛行樂趣也無從說起。

    采用魚眼鏡頭,讓原始視頻的視野特別大,這樣就可以有充分的畫面讓電子除抖來裁切。然而,魚眼鏡頭之后的相機感光元件,面積也就這么大(一般無人機上用的最大的也就1/2.3英寸),用了魚眼再裁切,相當于視頻只使用了不到感光器1/4的面積。因此畫質是相當抱歉的,連你的手機自拍攝像頭都不如。

    最后,電子增穩只對視頻有效,對于照片的長曝光完全沒辦法,喜歡攝影的同學也就不用考慮了。因此,就航拍來說,千萬不要覺得電子增穩是什么高大上的東西,只是為了降低成本,減小體積而大大犧牲畫質的妥協方案。

    科普完了,具體介紹一下Mavic引以為傲的3軸機械云臺:

    目前量產消費產品中最小的3軸機械云臺(寬度36.5mm)

    在目前搭載了3軸機械云臺的量產消費無人機中,Mavic是體積最小的(折疊后)

    以上記錄是以2016年9月底的時間為準。我沒有做過全面的調查,如果誰知道有哪個產品超過了Mavic,請指出,我會更新這個陳述。

    它還有個比較特別的功能,就是roll軸可以旋轉90度,讓用戶拍攝垂直構圖的照片或者視頻。另外,這個云臺中搭載的1/2.3英寸的傳感器,也是跟Phantom 4同一級別的。至于那個透明的云臺保護罩,主要是平時不用的時候,以及惡劣環境飛行的時候保護云臺的,會讓畫質下降些,所以平時飛行的時候建議摘下來,畫質和續航都會好些。

    這云臺夠帥:

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    續航

    跟所有移動電子產品一樣,由于電池長期以來沒有突破,續航一直是無人機最大的一個痛點之一。DJI雖然在續航方面也一直是行業標桿,但不到30分鐘,還是 會讓人意猶未盡,經常需要多帶幾塊電池。而以Mavic折疊后的體積大小,要做到27分鐘的續航,是挺逆天的(在無風環境下以25km/h勻速飛行時測得。而在理想條件下懸停時間可以接近29分鐘)。其實要做好續航,不僅僅是高密度的電池,還有這些因素:

    槳要大,越大越好,將能量轉換為升力的效率就越高。(稍微解釋一下:根據動量守恒原理,螺旋槳靠把空氣向下加速,而獲得一個向上的動量,抵御重力帶來的沖量。這個動量=mv,就是排出空氣的質量m乘以排出空氣的速度v。而這部分空氣帶走的能量為1/2mv^2,這部分能量是由飛機提供的,是要耗電的。由于這部分能量損耗與m的一次方成正比,與v的二次方方成正比,因此在保證同樣動量的情況下,增加m,減少v,能夠減少這部分能量損耗。也就是說,同樣都是讓飛機懸停在空中,這種方式能讓耗損的電能更少。那么如何在減少空氣速度的同時增加排出空氣的質量呢?增加槳盤的面積,也就是增加槳的長度。)因此,我們在設計機型的時候,也就把能容納大槳的設計需求的優先級提的很高。Mavic的8.3寸槳,長度是遠超同類便攜無人機的。加上我們有專業的螺旋槳和電機研發團隊,致力于優化飛機動力系統的效率,才讓Mavic的續航碾壓同行。

    機身輕量化。這個要解釋比較簡單,就是保證功能,性能,可靠性的前提下,通過簡化結構和機械設計,移除不需要以及效率低的材料,更換強度密度更高的材料等手段,讓飛機盡可能的輕。這從兩個方面對續航有利:一個是讓飛機的需要提供的拉力減小,減少能耗,二是讓飛機的動力效率更高,減少能耗。因為一般來說,同一個動力系統,需要提高的拉力越高,效率也會越低。所以我們的飛機除了前期設計盡可能的用簡潔的結構機構,后期也都會經過幾輪狠狠的減肥工作。

    機身機臂設計盡量少的阻擋螺旋槳的下洗氣流,這個比較好理解。

    當然,我們用的電池性能和質量也是業界最高的。

    有天我在外面吃飯,坐旁邊的幾個女生吃完后擺著各種姿勢各種組合足足自拍了40多分鐘,那時我就想,現在市面上的那些自拍無人機藥丸。都不到10分鐘的續航,根本不能滿足自拍需求……

    話說回來,那些自拍無人機雖然都比Mavic小,便宜,但是要達到Mavic一塊電池的同等續航,你得帶上3-4塊電池,這樣價格和體積優勢就沒了。而我剛才也說了,一般就算是二十多分鐘續航的飛機,也是經常需要多帶兩塊電池的。換到自拍無人機上,相當于十幾塊電池——畫面太美不敢看。

    快拆折疊槳

    講完了續航順便再講講我們全新設計的快拆折疊槳吧。以DJI E2000做例子,傳統折疊槳設計一般是這樣的:

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    可以看見,中心的電機轉軸兩端,各有一個銀灰色的螺絲。這兩個螺絲同時起著兩個作用,一是把折疊槳葉固定在電機上,一是作為折疊槳的旋轉軸。這個設計有幾個缺點:

    兩個螺絲要手工上上去,而且需要人工調整松緊度,松了不牢靠;太緊了也不行;

    更換比較麻煩,需要螺絲批,以及螺絲上需要上專業的螺絲膠,不然用一段時間后螺絲就會松動,飛行過程中有可能射槳(就是槳葉整個脫離機身飛出去,后果很嚴重,一般都是炸雞)

    因為這兩點,我們不會在消費機無人機上用這種設計。無人機經常刮刮碰碰就需要換槳,如果在外面玩沒帶專用螺絲刀導致不能飛,那就郁悶了。其次,一般小白也不會上螺絲膠,也控制不好松緊,如果導致射槳,后果非常嚴重。對于專用用戶這兩點就不是問題,所以我們比較大的專業機才會采用這種設計?,F在其他廠家也在自己的消費無人機上使用這種設計,其實是不太好的,大家可以注意一下。

    于是乎我們需要一個新設計,來改善這兩個問題,讓我們的Mavic用上方便靠譜的折疊槳。當我第一次知道要把折疊槳加上快拆功能的時候,其實我內心是拒絕的,因為我覺得把這么多功能加進去,結構會搞得挺復雜,對重量,體積都不好。

    當時想到一個挺好的方案,可以解決第一個問題,而且方案非常簡潔,輕量,體積也小,在工程上來說很不錯,就是解決不了更換槳需要螺絲刀和螺絲膠的問題。但是沒辦法,為了小白用戶能夠用得舒心,只得硬著頭皮設計一個兩個問題都解決的方案??纯醋罱K的結果吧,史上第一款量產的同時兼有快拆和折疊的槳葉設計:

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    從頂上看,兩個螺絲換成了兩個金屬軸,固定在槳夾上。將槳按下后旋轉40度左右即可完成拆卸,安裝也一樣,無需任何工具。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    卸下后的結構局部圖??梢钥吹?,整個裝配零件數量也不多,是非常簡潔的。像槳這種需要高速旋轉并承受很大應力的部件,越簡潔越可靠,零件越少,容易出錯的地方也就越少。

    沒有比較就沒有傷害,為了讓大家看到這款折疊槳設計在體積,外觀,重量上的優化程度,我把壓箱底的白色“珍藏版”prototype拿了出來:

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    看看右邊的槳,增加了寬度(整個飛機寬了1cm),同時槳葉也變短了(為了保證展開后長度不變),放在機身上比較小氣,中間的那一坨也不太好看,沒有左邊最終版的修長優雅。

    最后,說明書里建議用戶手動把螺旋槳展開,是為了保證絕對安全,實際上,只要你能保證螺旋槳附近沒有人和障礙物,直接啟動電機就可以自動靠離心力甩開折疊槳了。注意這個過程中(不到一秒)機身會抖動一下。

    傳感器/飛控

    我的同事碩哥以前就這個話題專門寫過一篇很好的科普,大家可以直接去看他的回答:

    小米無人機跟大疆無人機有多大差距? - YY碩的回答

    具體到Mavic,采用的是和Phantom 4一樣的雙目立體視覺系統,雙目加雙超聲波精準下視定位。這套系統的特點是能夠感知和構建3維空間,以及可視距離很遠,能夠支持最高支持10m/s速度下的避障,以及13m高度內無gps也能精準的定位懸停。這套系統不僅需要很高的計算量,而且對傳感器的固定精度有非常高的要求,是現在市面上消費無人機上最成熟最強大的避障系統;缺點則是和人類似,在晚上暗光的情況下視覺系統是看不見的。

    有些廠商隨意的在飛機上加了一對最簡單的超聲波,或者單點TOF,或者紅外線,就宣稱避障了。這些簡單的方案都很雞肋:要么可視距離很近(相當于近視眼,那么飛機就只能龜速飛行),要么可視范圍很窄(只能看正前方,飛機稍微斜著飛就看不到,會撞上),要么會被日光干擾,所以只能在室內或者晚上使用。這些避障系統都只能用來炒作一下概念,發揮不了什么實用價值。

    還有現在大家都在說的智能跟隨,我們的技術(視覺跟隨)也跟其他廠商的GPS跟隨有著本質的區別:

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    僅憑著GPS,飛機只能知道你的大概位置和方向,是非常不準的(尤其是靠手機的gps,尤其是高度的信息),根據這個來跟隨,飛機雖然能夠大概跟著你,但是拍不出構圖合格的視頻,很多時候你甚至都不會在畫面中,而飛機也不知道,所以這種跟隨只能裝裝樣子,出不來好的視頻。

    視覺跟隨就完全不一樣了,飛機能看到你,知道你的準確位置,并會盡可能的保證在整個視頻中把你拍在預設的構圖位置(默認是畫面中心,你也可以調到其他位置)。有了這個功能,一些以前專業飛手都很難飛出的跟隨畫面,一個初學者都可以做到,比如說跟隨移動的物體同時環繞。

    至于DJI的飛控,一直以來都是行業標桿,穩定,精準,可靠,多功能。其中,穩定可靠是最重要的,否則,再花哨的功能,遇上抽風炸雞都是白搭。大家可以看看這個大疆精靈4的暴力測試隨意感受一下:

    大疆精靈4暴力測試【撞樹、掛水、砸機、剪槳……】

    具體到Mavic,飛控IMU也是采用和Phantom(精靈) 4一樣的獨立懸掛和傳感器冗余,保證了一致的可靠性和穩定性??癸L性能在風洞做過測試,可以在15m/s的風速下懸停。一般用戶保險起見最好不要在超過10m/s的風速環境飛行。

    遙控器

    既然把飛機設計得這么便攜了,沒有一款便攜的遙控器搭配怎么說得過去?于是我們又全新設計了一款便攜遙控器,而且設計原則跟飛機一樣,那就是性能上不妥協。因此,這款便攜遙控器是全功能的,和Phantom遙控器比,不僅沒有削減功能和操控(霍爾搖桿和全套按鈕和撥輪都有),反而還有提升:比如獨立的小屏幕,緊急剎車鍵,和五維按鍵。

    真正要把遙控器做小,有兩個問題,一個是做小了后握持感變差,對精確操控飛機不利,用戶的手也更容易疲勞;二是手機夾占用的體積比較大,難以做得很小又能把手機夾穩。于是就想了一個辦法,讓這兩個問題互相把對方干掉:做了一個折疊設計,把人體工程部件和手機夾結合起來,利用手機夾的體積來給用戶手部提供充實的支撐和握持感,同時手機夾折疊后又與遙控器主題融為一體,大大減小了體積。我把這個想法和負責遙控器的同事交流了一下,他也很認同,于是把之前已經做了好一陣子的方案整個推倒重做,又經過團隊將近一年時間的努力,才讓這款遙控器面世。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    可以看到圖中箭頭所指,手機夾同時作為握柄,給予手掌充分的支撐,對于手指精準操控和耐疲勞非常有利。

    Mavic設計工程師自述:關于大疆的自拍無人機,你想知道的細節都在這

    同時折疊完后大小也接近手機,不過有4厘米厚

    這個方案其實還順便解決了另外幾個問題:

    傳統遙控器手機/平板夾持都在天線的上方,比較容易遮擋天線信號,影響圖傳和遙控;也導致操作的時候遙控器頭重腳輕,拿久了容易手部疲勞。而這款遙控器手機在底部,完全不干擾天線;重心平衡,拿著沒那么累。

    由于手機屏幕離手指很近,觸摸屏幕更方便,很多時候手不離開遙控器就可以進行觸屏操作

    我可以很自信的說,從便攜性,功能,操控手感三個維度來衡量,這款遙控器是目前市場上最好的。不服再辯。(開玩笑~和上面一樣,如果真的有更好的方案,歡迎畫幾張簡單的說明圖私信我,確認之后可以給你一個DJI的工作offer,過來把它實現)別忘了,這么小的遙控器,這么小的飛機,全功能,7km的圖傳距離,真不是開玩笑的。

    現在不少小自拍機把純手機操控,沒有遙控器這個缺點作為賣點來宣傳,是非??拥?。Mavic也可以有純手機操控的功能,不過我們內部一致認為這只能作為一個輔助功能,隨便拍幾張到此一游照還可以。主打的操控方式還是得用遙控器,因為體驗好太多。具體我就不一一解釋了,舉個簡單的例子吧,有兩輛各方面完全一樣的汽車,除了一點:一輛有方向盤,剎車和油門踏板等一應俱全;另一輛沒有,只能用手機操控(沒有自動駕駛功能);你會選哪一輛來開?

    圖傳

    無線通信這一塊我比較外行,所以直接粘貼同事寫的:

    作為MAVIC的核心技術之一,OcuSync也是DJI Light Bridge高清圖傳系列中的重要一員,相比其他多種常見圖傳技術表現出眾。

    OcuSync基于全新設計架構,從多個方面提升了用戶的體驗,還提供了不少新的功能。

    OcuSync提供了強大流暢的圖傳遙控性能,在HD(720p)的基礎上提供了視像更加清晰的Full HD(1080p)的圖傳體驗(近距離無干擾情況下)

    OcuSync為近場從飛機下載視頻到手機提供了高達40Mbps的流傳輸,

    OcuSync支持十分微弱的信號接收(可以在遠達7km的地方接收圖傳遙控信號) ? OcuSync還提供了靈巧的干擾躲避機制

    在新架構下,OcuSync還提供了多臺設備之間靈活配置的通信組合。(比如像Inspire那樣的雙人操控模式)

    OcuSync在多種速率下都遠超WIFI和一般圖傳的鏈路性能。由于OcuSync設計中采用了大量當今通信領域最為先進的信道編碼技術、多天線技術、分集技術、信道估計和均衡技術等,還有完整的上層協議棧,比如無線媒體接入控制、無線資源管理等模塊,又與視頻編解碼模塊深度耦合設計,因此無線圖傳性能不同一般。

    后來的多次測試表明,OcuSync在理想條件下圖傳遙控有效的距離實際上并不止于7km,有的時候超過10km也不是不可能。這個結果令大家都很興奮。而spec設為7km,主要是考慮到通信產品都有一定生產公差,需要預留一些裕量(OcuSync的傳輸距離在CE標準下標稱是4km,美國適用的FCC標準下是7km)。

    目前市面上還有一類基于WIFI技術的圖傳方案,與WIFI方案相比,OcuSync的圖傳體驗顯著不同。WIFI主要考慮消費電子產品的局部互聯,多數設備通信用于幾米到數十米之間,WIFI協議為了照顧到低成本應用,鏈路性能偏弱,導致WIFI的收發機鏈路性能偏弱,無法檢測微弱信號或者在一定干擾環境中檢測有用信號;而OcuSync設計中采用了大量當今通信領域最為先進的傳輸技術,對比過靈敏度、抗干擾性能、抗衰落性能、高速移動、多設備等多個場景,WIFI均無法直接與OcuSync進行比較。

    對用戶而言,這種差別對應著流暢與卡頓圖傳的不同體驗,也對應著飛行范圍遠近的不同體驗,還對應著干擾情況下或者信號遮擋情況下圖傳遙控的不同體驗。另外由于WIFI采用傳統協議棧,建立鏈接或者失步后重新建立鏈接時間較長,約在數秒到十多秒,OcySync則采用跨層設計,建立鏈接和重新建鏈時間可以低至1秒以內。

    有些產品為了提升性能,故意額外增加功率或者采用強指向性發射天線,使得某些方向上的輻射強度提高來彌補性能偏弱的問題,號稱也可以傳數公里。各國官方機構無論是FCC還是CE,都對消費產品規定了各個方向上的最大輻射強度(EIRP),因此上述做法其實是違法違規的,增加了干擾破壞其他設備通信的風險。

    結束語

    這篇文章主要講了Mavic的基礎技術和底層機械結構,沒有講太多我們飛機上的各種豐富的智能功能和背后的算法(這方面有其他人可以介紹的比我更好)。不過就像買汽車一樣,最重要的是三大件(馬達,變速箱,車架),其次才是建立在這個扎實基礎上的各種豐富的配置和功能。不過現在很多人都不看車的基礎,只關心比較表面的配置,也讓不少國產廠商鉆了空子,生產出一些三大件很差,但是配置超級豐富的華而不實的車。而現在無人機市場也有這個風氣,就是不把飛機本身基礎搞好,浮夸吹噓一大堆所謂智能功能來忽悠消費者。

    這樣的飛機流通在市面上,輕只是欺騙了消費者,重則傷害他人人身和財產安全,對于消費者以及整個行業來說都是一種極其不負責任的行為。國內廠商就先不說了,免得被水軍淹沒,就說國外眾籌的ZANO,視頻宣傳中吹噓的各種牛逼,手掌大小,手上起飛,四面避障,甚至Swarm(機器人集群)都能吹出來,也是臉皮夠厚。最后連飛機都飛不穩,整個公司破產,眾籌支持者的錢全部打水漂,產品都沒拿到。

    這是現在互聯網時代,企業普遍浮躁風氣的一個比較極端的例子: 不好好做產品,總想靠概念營銷一夜暴富,左忽悠消費者,右忽悠投資人……汽車行業,這么多年了至少行業標準已經比較成熟,低于這個標準都不能上市,而無人機現在暫時還沒有通用的標準來監管,導致很多不合格的無人機產品也能推向市場,所以只能靠消費者自己鑒別。這也是我寫這篇文章的目的之一,以后大家看到很酷炫的無人機宣傳視頻的時候,可以用這些標準審視一遍。

    這篇長文終于要結束了,希望閱讀后大家能對Mavic的設計有著更深入的了解,也希望大家能喜歡。其實我說的這些只是冰山一角,還有太多的技術細節是無數工程師夜夜加班一點一點摳出來而我沒有講到的,而正是這些無數一般人看不到的細節,才堆積出了Mavic這款革命性的產品。

    我們做這么多極致的優化,也是為了打造一款大家能帶出去玩,跟著你旅行,探險,走到世界各個角落的高品質航拍機,也希望大家在使用Mavic的過程中能體會到我們的用心。(當然,全新的產品剛面世,bug肯定是有一些的,還請大家及時反饋給客服或者大疆社區,我們的攻城獅和程序猿會及時更新修正)

       
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