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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发表于 2016-9-28 14:18
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