本帖最后由 邓辰一y 于 2016-9-28 14:20 编辑
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。作为Mavic的设计工程师,对它了解得比较全面,所以试着来回答这个问题。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(大家可以上天空之城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: 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: 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: 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): 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。 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): 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): 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): 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。 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。 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。 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: 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,完全锁死的转轴会承担巨大的局部应力,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,这样的弹性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imu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: 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: 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: 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。 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: 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: 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: 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。)因此,我们在设计机型的时候,也就把能容纳大桨的设计需求的优先级提的很高。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。 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。 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。 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。
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