AIBOX技術(shù)白皮書
行業(yè)無人機空中檢查趨勢
無人機因效率高、成本效益高以及能夠執(zhí)行人類難以完成或危險的任務(wù)而越來越受各行各業(yè)的歡迎。以下是一些已開始使用無人機的行業(yè)：
能源和公用事業(yè)行業(yè)
能源領(lǐng)域涵蓋廣泛的無人機活動，涉及提供電力、石油、天然氣、蒸汽供應(yīng)、供水和廢水處理等基本公用設(shè)施。無人機徹底改變了能源公用事業(yè)的運營方式。例如，它們用于檢查輸電線、風(fēng)力渦輪機和太陽能電池板。配備熱像儀的無人機可以檢測并定位設(shè)備中的任何故障或損壞，并可以快速修復(fù)。這為能源公司節(jié)省了時間和金錢，并降低了發(fā)生事故的風(fēng)險。
建造行業(yè)
建筑業(yè)由主要從事建筑物或公路和公用設(shè)施系統(tǒng)等工程項目建設(shè)的機構(gòu)組成。無人機在建筑行業(yè)用于勘測場地、創(chuàng)建 3D 地圖和監(jiān)控進(jìn)度。它們還可用于檢查建筑物和橋梁的損壞或磨損情況。配備攝像頭和傳感器的無人機可以幫助建筑公司檢測潛在的安全隱患并防止事故發(fā)生。
農(nóng)業(yè)和林業(yè)行業(yè)
近年來，無人機在農(nóng)業(yè)和林業(yè)中的應(yīng)用急劇增加。配備多光譜攝像頭的無人機可以捕捉作物健康和生長的數(shù)據(jù)，從而幫助農(nóng)民提高產(chǎn)量。在林業(yè)中，無人機用于勘察樹木健康狀況、探測森林火災(zāi)和監(jiān)測野生動物種群。
科學(xué)教育行業(yè)
無人機可用于科學(xué)研究和教育，研究野生動物、監(jiān)測天氣模式和探索偏遠(yuǎn)地區(qū)。它們還可用于收集環(huán)境數(shù)據(jù)，例如空氣和水質(zhì)。它們可以提供溫度、濕度、風(fēng)速和其他天氣變量的實時數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家和氣象學(xué)家更好地了解天氣模式并預(yù)測惡劣天氣事件。
采礦和礦山行業(yè)
事實證明，在采礦和礦山作業(yè)中使用無人機可以提高安全性，因為這樣工人就無需執(zhí)行危險任務(wù)，例如爬上料堆或檢查高空設(shè)備。無人機收集的數(shù)據(jù)可以使用先進(jìn)的軟件和機器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析，為礦業(yè)公司提供見解，為其戰(zhàn)略規(guī)劃和決策過程提供參考。
概括
無人機應(yīng)用已經(jīng)改變了能源、公用事業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流和醫(yī)療保健等各個行業(yè)。無人機的應(yīng)用范圍很廣，包括測繪、檢查、攝影和拍攝、噴灑和播種以及送貨。無人機的使用提高了各行業(yè)的效率、降低了成本并提高了安全性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)計未來幾年全球無人機市場將大幅擴張。
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無人機在橋梁及基礎(chǔ)設(shè)施檢查中的應(yīng)用
1.行業(yè)無人機挑戰(zhàn)
行業(yè)無人機空中檢查和城市低空安防飛行有很大不同：
飛行范圍及飛行操作
行業(yè)級無人機執(zhí)行的空中檢查多數(shù)是視距且近目標(biāo)飛行，一般不會太高高度飛行。一般采取手動飛行、規(guī)定航線自主飛行以及自主路勁規(guī)劃的智慧飛行。
飛行機動性以及無人化執(zhí)行任務(wù)
行業(yè)無人機需要高機動性來提高工作效率，比如采用車載形式。無人化或者盡量少的飛手飛行是行業(yè)無人機工作效率的重要保證，整個數(shù)據(jù)采集過程盡可能簡單且標(biāo)準(zhǔn)化。
飛行任務(wù)明確性
空中檢查飛行具有很強飛行目的性特點，高效率飛行并采集高質(zhì)量的完整數(shù)據(jù)。每條數(shù)據(jù)必須要有對應(yīng)的準(zhǔn)確位置信息。
飛行環(huán)境的復(fù)雜性
行業(yè)無人機往往是近目標(biāo)的飛行，環(huán)境復(fù)雜高比如低照度、沒有GNSS信號、狹窄空間、無通訊信號、高溫高濕環(huán)境、強磁干擾環(huán)境、高電壓環(huán)境、運動目標(biāo)檢查等都是需要面對和解決的問題。
掛載專業(yè)性
行業(yè)無人機的數(shù)據(jù)采集設(shè)備更具專業(yè)性，往往需要結(jié)合可見光、熱成像、超聲波、激光雷達(dá)、氣體傳感器、電磁傳感器等技術(shù)研制專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
總而言之每個行業(yè)領(lǐng)域都需要結(jié)合自身行業(yè)需求，形成行業(yè)無人機空中檢查的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，才能促進(jìn)行業(yè)無人機空中檢查低空經(jīng)濟的發(fā)展。
行業(yè)無人機空中檢查解決方案包括以下步驟：
1.飛行平臺的選型
2.機載大腦
3.專業(yè)掛載
4.邊緣AI定制
5.數(shù)據(jù)存儲及加工
6.數(shù)據(jù)AI分析及總結(jié)
前三步涉及無人機高效率、高質(zhì)量完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，屬于前端建設(shè)解決方案；后三步涉及后臺數(shù)據(jù)加工及AI分析，屬于后臺及平臺建設(shè)解決方案。
行業(yè)無人機空中檢查解決方案更加專業(yè)化、系統(tǒng)化。具有開發(fā)復(fù)雜度高，技術(shù)要求高、開發(fā)周期長等特點。
以下列舉了幾款國內(nèi)外行業(yè)空中檢查飛行平臺比較：
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大疆的M350是最 具性價比的行業(yè)空中檢查飛行平臺。通過加載機載AI大腦和專業(yè)掛載，形成完整空中檢查前端建設(shè)解決方案。
行業(yè)無人機機載大腦用途：
增強安全飛行：確保復(fù)雜場景的安全飛行
位置完整性：確保在GNSS拒絕環(huán)境下的每個采集數(shù)據(jù)都具備位置信息
增強自主飛行：確保在GNSS拒絕環(huán)境的，按設(shè)定的航線自主飛行
智慧飛行：邊緣AI具備目標(biāo)辨識能力，提高飛行效率
專業(yè)掛載是完成行業(yè)專業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，往往需要和行業(yè)合作伙伴一起完成專業(yè)定制及集成。
大疆無人機M350是最 具安全可靠、高性價比的飛行器平臺，支持2.7Kg的掛載，同時M350提供多種類型的開發(fā)接口，用戶可以從掛載、APP以及平臺幾個層面，升級改造通用無人機成為滿足自身業(yè)務(wù)及管理需要的專業(yè)的行業(yè)無人機。
M350 RTK飛機采用大疆領(lǐng)先的飛行控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，均采用冗余設(shè)計，最 大限度地確保飛行安全；六向視覺系統(tǒng)、紅外傳感系統(tǒng)和夜視FPV飛行攝像機，實現(xiàn)了飛行過程中的六向障礙物感知和避障。
M350 RTK最多可同時支持三個獨立的云臺。配備多個SDK擴展端口，可以滿足不同的擴展功能。
M350 RTK采用ZENMUSETM L1/L2/P1，可實現(xiàn)高精度測繪，Zenmuse H20/H30系列可實現(xiàn)智能視頻監(jiān)控功能。
硬件配置：
1. 單卡5G，內(nèi)置單極化天線2*2或4*4
2. WIFI 2.4/5.8雙頻，內(nèi)置天線
3. 64G FlashDisk-數(shù)據(jù)存儲
4. 激光雷達(dá)（可選）-MID360
5. GPU卡（可選）-Hailo-8 26TOPs
6. EPORT擴展接口-POWER+USB+串口+PPS同步
7. LAN擴展接口-GE
8. 直流電源輸出-5V或12V&2A
9. 兼容M350&M300（H20&H30T）&M30
10. 增強慣導(dǎo)擴展（可選）-內(nèi)置獨立模塊
11. 自組網(wǎng)通訊擴展（可選）：1.4GMESH自組網(wǎng) - 外掛獨立模塊
12. UWB高精度定位模塊（可選）：TOF+PDOA、TDOA+PDOA-外掛獨立模塊
軟件環(huán)境：
-Ubuntu&ROS1.0
ubuntu20.04，python3.9-3.11，RKNNToolkitsLite1.6.0以上，rk3588npu-driver 0.8.2以上
-支持5G遠(yuǎn)程RTTY開發(fā)調(diào)試
盡管M350 RTK飛機采用了領(lǐng)先六向視覺系統(tǒng)和紅外傳感系統(tǒng)實現(xiàn)周圍環(huán)境感知，除了有盲區(qū)以外，視覺雙目的有效距離只有6-8米，并且在低照及強反射度環(huán)境或弱紋理目標(biāo)會失效。
AIBOX_Drone內(nèi)置水平360°垂直59°，20萬點/秒的激光雷達(dá)，感知距離可達(dá) 40米@10% 反射率。采用非重復(fù)掃描技術(shù)，角分辨率可隨時間積分顯著改善，還大大增強對細(xì)小障礙物的感知能力，為無人機安全運行保駕護航。激光雷達(dá)不受環(huán)境光約束，無論是昏暗的室內(nèi)走廊，還是光照強烈的室外場景, 均能感知足夠的點云信息輔助無人機進(jìn)行導(dǎo)航、避障，甚至是進(jìn)行檢測分類，充分釋放無人機人工智能的潛力。
行業(yè)無人機在執(zhí)行空中檢查任務(wù)一個重要的需求就是所有采集的數(shù)據(jù)必須有精準(zhǔn)位置信息，這個對于后續(xù)數(shù)據(jù)分析以及問題排查至關(guān)重要。但是很多場景沒辦法得到GNSS坐標(biāo)信息，比如橋梁檢查時橋梁腹部、近距離掃描類似罐體等大型金屬目標(biāo)、鐵路或高速隧道以及室內(nèi)空間檢查及3D測繪、大型文物建筑近距離掃描檢查和3D測繪等。
在GNSS拒絕的情況依然可以獲取目標(biāo)精準(zhǔn)位置信息是行業(yè)無人機面臨解決的重要問題。
AIBOX_Drone支持GNSS+LiDAR+IMU融合的SLAM定位算法，在GNSS定位失效情況，通過SLAM定位獲取無人機的實時坐標(biāo)位置。在類似隧道缺乏紋理辨識度的場景，AIBOX可以選用戰(zhàn)術(shù)級IMU實現(xiàn)無人機的實時定位。
為提高行業(yè)無人機工作效率以及簡化日常規(guī)律性的空中檢查任務(wù)，類似橋梁空中檢查一般首次飛行由專業(yè)飛手根據(jù)要求手動完成飛行，基于GNSS和激光雷達(dá)SLAM定位，保證航線過程的每個航點都具備絕 對坐標(biāo)位置信息；基于航點生成飛行航線，后續(xù)空中檢查任務(wù)就可以按照航線完成空中檢查任務(wù)。此流程同樣試用其他室外近距離掃描大型類似罐體等金屬目標(biāo)和室外大型文物建筑近距離掃描檢查和3D測繪。
鐵路或高速隧道以及室內(nèi)空間檢查及3D測繪的場景，可能全程都沒有GNSS信號，這需要標(biāo)識好起飛點，由專業(yè)飛手根據(jù)要求手動完成首次飛行，基于INS或者激光雷達(dá)SLAM定位，保證航線過程的每個航點都具備相對坐標(biāo)位置信息；基于航點生成飛行航線，后續(xù)每次檢查嚴(yán)格同一起飛點起飛（起飛點的確認(rèn)很重要），空中檢查任務(wù)就可以按照航線完成空中檢查任務(wù)。
AIBOX采用國產(chǎn)化邊緣AI嵌入式平臺RK3588，自帶6TOPs算力，可選26 TOPs的GPU卡。
模型輕量化研究及優(yōu)化：實現(xiàn)模型在指定硬件環(huán)境和算力資源下的輕量化設(shè)計。通過分析模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提出針對輕量化目標(biāo)的模型優(yōu)化策略，包括模型剪枝、量化壓縮和數(shù)據(jù)增強等，將有效地提高模型的性能和魯棒性。
模型在邊緣側(cè)的部署：針對特定無人機的硬件平臺，實現(xiàn)輕量化模型的部署，包括：模型向瑞芯微RK系列平臺的移植；實現(xiàn)基于瑞芯微rknn開發(fā)環(huán)境的模型推理；
行業(yè)無人機的邊緣AI包括在飛行過程中目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)以及執(zhí)行拍照級測量工作，比如橋梁的病態(tài)檢查；還有就是跟隨一些移動的目標(biāo)，比如風(fēng)機空中檢查時跟蹤風(fēng)葉并拍照等。
總之，基于無人機邊緣AI的行業(yè)無人機智慧飛行的目的就是提高飛行及數(shù)據(jù)采集的效率，避免盲目性，使得數(shù)據(jù)采集更具針對性。
SBG Systems 的 Pulse-40 IMU 是一款 6 自由度戰(zhàn)術(shù)級慣性測量裝置，可為 SWaP-C 受限應(yīng)用提供出色的性能，可在惡劣條件下運行。Pulse-40 IMU 重量僅為 12 克，采用 0.3 W 傳感器。超低噪音陀螺儀和高精度加速度計使其非常適合高振動環(huán)境。
特點：
l運動到輸出延遲 < 2ms
l超低噪音陀螺儀（0.08°/√h）
l出色零偏穩(wěn)定性（0.8°/h）
l高精度加速度計 (6μg)
l高帶寬（480Hz）
l校準(zhǔn)溫度范圍為 -40°C 至 85°C
具有高效的MAC層傳輸協(xié)議和二層路由協(xié)議的自組織分布式寬帶無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。無中心、分布式、多跳中繼、動態(tài)路由、抗毀性強及擴展性好的無線寬帶系統(tǒng)，使用自主路由協(xié)議, 通過無線多跳轉(zhuǎn)發(fā)完成各節(jié)點間的無線通信。所有節(jié)點完全對等，無需借助任何基礎(chǔ)設(shè)施，可快速構(gòu)建移動節(jié)點間的專用自組織網(wǎng)絡(luò)，提供即時自適應(yīng)通信，具備優(yōu)異的寬帶性能。系統(tǒng)具備抗干擾能力強、頻譜效率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗衰落能力、繞射能力強等優(yōu)點。
l通信頻率：1415~1455MHz，1MHz步進(jìn)可調(diào)；
l發(fā)射功率：2*30dBm（2*1W），1dBm步進(jìn)可調(diào)；
l帶寬模式：5 / 10 / 20/40 MHz；
l調(diào)制方式：多載波TDD-COFDM；
l載波調(diào)制：BPSK/QPSK/16QAM/64QAM；
l接收靈敏度：-98dBm @ 10MHz；
l通信距離：30km（地空/空空視距）；
l通信速率：峰值90Mbps；
l傳輸時延：單跳約2ms；
l多跳能力：可達(dá)8跳；
l啟動時間：≤25S；
l支持≥32個節(jié)點互連
Q1：AIBOX支持的無人機機型有哪些？
A：目前支持大疆的M350和M300
Q2：AIBOX是否采用國產(chǎn)化硬件平臺以及算力數(shù)據(jù)
A：采用全國產(chǎn)化的嵌入式算力硬件平臺瑞芯微RK3588，RK3588是一款8核的高性能國產(chǎn)嵌入式CPU芯片，除了自帶圖像處理以及圖像編解碼VPU以外，內(nèi)置6TOPs的NPU。可以完全勝任類似YOLO的邊緣目標(biāo)檢測算法。同時AIBOX還可以選擇擴展的26TOPs的GPU算力卡，實現(xiàn)類似CLIP多模態(tài)大模型。目前AIBOX的邊緣AI的規(guī)劃是采取開放嵌入式開發(fā)環(huán)境，與合作伙伴一起共同實現(xiàn)。
Q3：AIBOX的嵌入式軟件環(huán)境以及遠(yuǎn)程開發(fā)調(diào)試環(huán)境介紹
A：嵌入式軟件環(huán)境Ubuntu&ROS1.0：ubuntu20.04，python3.9-3.11，RKNNToolkitsLite1.6.0以上，rk3588npu-driver 0.8.2以上。AIBOX支持5G遠(yuǎn)程RTTY開發(fā)調(diào)試，同時AIBOX支持WIFI熱點，方便數(shù)據(jù)下載和程序更新。
Q4：AIBOX集成哪些硬件模塊以及可擴展模塊及接口
A：集成以下硬件模塊：單卡5G，內(nèi)置單極化天線、WIFI：2.4/5.8雙頻、32G FlashDisk-第三方數(shù)據(jù)存儲、激光雷達(dá)（可選）-MID360、GPU卡（可選）-Hailo-8 26TOPs、EPORT擴展接口-POWER+USB+串口+PPS同步、LAN擴展接口-GE、直流電源輸出-5V或12V&2A、增強慣導(dǎo)擴展（可選）-內(nèi)置獨立模塊、自組網(wǎng)通訊擴展（可選）：1.4G自組網(wǎng) - 外掛獨立模塊、UWB高精度定位模塊（可選）：TOF+PDOA、TDOA+PDOA-外掛獨立模塊
Q5：AIBOX重量、供電及功耗
A：重量600克以內(nèi)，大疆EPORT接口供電或者外部供電，功耗10W以內(nèi)
Q6：AIBOX無線通訊能力
A：自帶5G和WIFI無線通訊，可擴展1.4G的MESH自組網(wǎng)無線通訊模塊。
Q7：AIBOX目前可以獲取無人機哪些數(shù)據(jù)
A：無人機位置、姿態(tài)、速度、六面避障數(shù)據(jù)、六面雙目圖片、FPV視頻等數(shù)據(jù)
Q8：AIBOX是否支持戰(zhàn)術(shù)級IMU方案
A：可選戰(zhàn)術(shù)級IMU模塊PULSE-40
Q9：AIBOX行業(yè)無人機室內(nèi)飛行技術(shù)路線
A：AIBOX目前基于激光雷達(dá)SLAM定位導(dǎo)航技術(shù)，對于紋理空間辨識度低的環(huán)境，推薦采用基于戰(zhàn)術(shù)級IMU的INS定位導(dǎo)航方案。支持UWB輔助定位，但不推薦。
Q10：AIBOX是否支持和無人機遙控器數(shù)據(jù)通訊能力
A：大疆通過PSDK和MSDK的數(shù)據(jù)通訊，可以支持AIBOX和遙控器APP通訊。
Q11：AIBOX數(shù)據(jù)存儲能力
A：AIBOX本身可以存儲64GB數(shù)據(jù)，也可以外接大容量U盤存儲數(shù)據(jù)。
Q12：AIBOX激光雷達(dá)用途
A：AIBOX的激光雷達(dá)一方面可以用于提升環(huán)境感知，增強避障功能。另一方面可以實現(xiàn)激光雷達(dá)SLAM定位。
Q13：AIBOX的激光雷達(dá)SLAM介紹及用途
A：AIBOX的激光雷達(dá)SLAM算法實現(xiàn)了GNSS+激光雷達(dá)+IMU的融合定位，實現(xiàn)由RTK區(qū)域過渡到GNSS拒絕區(qū)域的平滑定位?？梢杂糜陬愃茦蛄簷z測等從RTK定位到SLAM定位的融合應(yīng)用場景。
Q14：AIBOX算力及邊緣AI算法規(guī)劃
A：AIBOX采用全國產(chǎn)化的嵌入式硬件RK3588，自帶6TOPS算力，同時可選擴展26TOPS的GPU卡。開放開發(fā)編譯環(huán)境，配合算法移植整合，和合作伙伴一起共同實現(xiàn)無人機邊緣AI。
Q15：AIBOX是否支持視覺SLAM
A：目前AIBOX只支持INS和激光雷達(dá)SLAM定位，能夠獲取包括大疆無人機雙目圖片等數(shù)據(jù)，支持基于位置或速度的自主PID飛控。尚未支持視覺SLAM，歡迎具備成熟方案的高校和科研所合作。
Q16：AIBOX目前算法合作情況
A：目前在INS和激光雷達(dá)SLAM定位和上海交大技術(shù)團隊合作。未來圍繞視覺SLAM、邊緣AI以及邊緣大模型等，將會和更多高等學(xué)府以及科研院、行業(yè)AI算法公司所展開伙伴。
Q17：AIBOX行業(yè)空中檢查有哪些應(yīng)用以及在探索的領(lǐng)域
A：目前在橋梁檢測領(lǐng)域試用，行業(yè)應(yīng)用需要大量驗證，保證高可靠性和高效率。同時涉及數(shù)據(jù)采集的規(guī)范性和高質(zhì)量保證，以及后臺的AI數(shù)據(jù)分析。無人機行業(yè)空中檢查是一個創(chuàng)新的嚴(yán)謹(jǐn)工程實踐系統(tǒng)，給行業(yè)用戶帶來重要的價值。未來計劃配合行業(yè)合作伙伴在鐵路隧道等更多行業(yè)探索空中檢查。
Q18：AIBOX和第三方共同開發(fā)空中檢查解決方案
A：行業(yè)空中檢查解決方案多數(shù)由行業(yè)無人機公司、系統(tǒng)集成維護公司以及行業(yè)專家用戶共同完成。行業(yè)無人機公司根據(jù)專家用戶和系統(tǒng)集成維護公司要求完成現(xiàn)場高效率、高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，并形成標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)現(xiàn)場作業(yè)規(guī)范，可能涉及專業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備研制以及邊緣AI、圖像處理算法的定制開發(fā)。其次還涉及對于數(shù)據(jù)存儲和歸納，以及AI大數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生成評估報告和建議。
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