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AIBOX技術(shù)白皮書
行業(yè)無人機(jī)空中檢查趨勢
無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和太陽能電池板。配備熱像儀的無人機(jī)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(jī)構(gòu)組成。無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)收集的數(shù)據(jù)可以使用先進(jìn)的軟件和機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)市場將大幅擴(kuò)張。
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無人機(jī)在橋梁及基礎(chǔ)設(shè)施檢查中的應(yīng)用
1.行業(yè)無人機(jī)挑戰(zhàn)
行業(yè)無人機(jī)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(jī)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(jī)動性以及無人化執(zhí)行任務(wù)
行業(yè)無人機(jī)需要高機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)空中檢查低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
行業(yè)無人機(jī)空中檢查解決方案包括以下步驟：
1.飛行平臺的選型
2.機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)機(jī)載大腦用途：
增強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)。
M350 RTK飛機(jī)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(jī)，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(kuò)展端口，可以滿足不同的擴(kuò)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(kuò)展接口-POWER+USB+串口+PPS同步
7. LAN擴(kuò)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(qiáng)慣導(dǎo)擴(kuò)展（可選）-內(nèi)置獨立模塊
11. 自組網(wǎng)通訊擴(kuò)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)對細(xì)小障礙物的感知能力，為無人機(jī)安全運行保駕護(hù)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(qiáng)烈的室外場景, 均能感知足夠的點云信息輔助無人機(jī)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(jī)人工智能的潛力。
行業(yè)無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的實時定位。
為提高行業(yè)無人機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)空中檢查時跟蹤風(fēng)葉并拍照等。
總之，基于無人機(jī)邊緣AI的行業(yè)無人機(jī)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(qiáng)及擴(kuò)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(qiáng)、頻譜效率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗衰落能力、繞射能力強(qiáng)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(jī)機(jī)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?？梢酝耆珓偃晤愃芛OLO的邊緣目標(biāo)檢測算法。同時AIBOX還可以選擇擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展接口-POWER+USB+串口+PPS同步、LAN擴(kuò)展接口-GE、直流電源輸出-5V或12V&2A、增強(qiáng)慣導(dǎo)擴(kuò)展（可選）-內(nèi)置獨立模塊、自組網(wǎng)通訊擴(kuò)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(kuò)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(jī)哪些數(shù)據(jù)
A：無人機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(kuò)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(jī)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(jī)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(tuán)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(jī)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(jī)公司、系統(tǒng)集成維護(hù)公司以及行業(yè)專家用戶共同完成。行業(yè)無人機(jī)公司根據(jù)專家用戶和系統(tǒng)集成維護(hù)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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