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| 本文作者： 金紅 | 2016-10-15 13:51 |
編者按：今年4月，零零無限發布了一款便攜式無人機Hover Camera，很快一夜之間爆紅，對于這款官方宣稱結合了最先進的人工智能和小型飛行機器人科技的無人機，大家有期待也有質疑。半年過去了，零零無限昨日宣布將于下周一舉行發布會，產品也即將發貨。本文作者為零零無限產品經理劉力心，講述了Hover Camera從早期的概念設計到量產改良的過程。
作為一個Hover Camera的初創團隊成員。我參與了Hover Camera早期的概念設計、原型開發、數次產品迭代以及量產改良等各階段，所以想說一下個人在這個產品開發過程中的經歷以及了解的一些事情。
知乎大神眾多，相信這里有無人機產品的研發工程師，也有飛行時間上千小時的老司機。但我還是想打破一下諸位對無人機的固有認知：
Hover Camera不是航拍無人機！
Hover Camera不是航拍無人機！
Hover Camera不是航拍無人機！
重要的事情說三遍。
航拍無人機是為了拍“景”，飛高飛遠，拍遠山，拍大橋，拍沙灘；Hover Camera是為了拍“你”。在產品設計之初，這個的“你”指的是（知乎不支持GIF，請大家自行腦補動圖）：
旅途中親密時刻 ：
籃球達人的扣籃瞬間：
音樂節的動情時刻：
除了這些，還可以是后院的一次BBQ，可以是一次婚禮慶典，可以是一場兒童球賽，可以是周末跟家里寵物在草坪上的嬉戲。
試想一下，此類場景如果用傳統航拍無人機拍攝——
為避免大家出現身體不適，此處略去一堆打著馬賽克的血腥圖片。
所以，讓民用無人機脫離“航拍”這個單一場景，適用于更加普世的場景，從一個相對小的航拍市場，進入一個更為大眾化的數碼影像市場，從而惠及更多普通消費者，這是Hover Camera對行業所肩負的使命。
再多從產品經理的視角聊幾句，從低頻的航拍場景，到高頻的日常拍攝場景，這是民用無人機產業的一次“升維”。為什么旅行類的社交很難做，為什么巨頭要擠破頭去爭打車的場景，為什么微信能被大家稱為一個未來的OS：“頻次”的重要意義，適用于軟件，也同樣適用于硬件。
為了滿足這樣的使用場景，在設計之初，我們給Hover Camera設了很明確的三個產品目標，分別是：安全、小巧便攜和簡單易用。
所謂安全，我們的標準是安全到能夠跟人很“親近”。
所謂小巧便攜，是為了讓它能盡可能滿足用戶高頻的日常場景，而這些場景又動輒1~2千克的傳統航拍無人機無法適用的。
所謂簡單易用，做到“到手即飛“并不夠，更要做到硬件和軟件人機交互層的簡單易用 。
接下來逐條分析一下我們是如何針對這些點做優化的。
安全
關于安全，我們用了保護框。可能大家認為這是最“笨”的設計，但坦白講，這也是最可靠的設計。相比利用避障等技術方案來達到“安全”，我們認為全保護的外框才是更好的選擇。原因有兩個：首先，物理保護更為可靠；其次，打破了小白用戶對無人機產品的心理屏障，讓初級用戶敢于和一臺無人機進行近距離的人機交互。（這點我們很快印證了：后來真實用戶測試時，幾乎所有女生都能很快上手）。
其實每個重要的產品決策背后都會引出大量細節實現和優化，接下來也可以給大家簡單的分享一下
外形
保護框的外形設計（進而影響到我們產品的整體造型），我們前后做了好幾輪的腦暴，直接上設計稿。
材料
早期原型機設計時，我們就考慮了多種材料選擇方面的可能性。
鋁鎂合金——密度大，太重，沖擊后會產生塑性變形。
塑料或加纖塑料——注塑的材料剛度不夠，需要采用更寬更厚的結構梁設計才能滿足穩定支撐電機旋翼裝配的要求，另外過軟的細梁也會給用戶抓取的安全性造成負面影響。
我們最終的選項落在了碳纖維板——重量輕，強度高，符合我們的設計和品質需求。決定使用碳纖維板之后，擺在面前的另一個大難題就是加工工藝。因為最后我們的制成需要歷經CNC切割，拋光，烤漆等25道工藝，特別是要在一整塊1
mm厚的碳板上切出最窄處梁寬僅1 mm的網格紋理，前人是沒有嘗試過的，我們也是經歷了多次的工藝改良和迭代，才最終穩定的實現了量產。
最終的碳纖維板成品
另外，提到保護框，還得必須談一下我們對碳板鏤空的優化。
了解空氣動力學的同學都知道，Hover Camera這樣的全保護設計對整個動力系統所提供的最大升力和工作效率都有損耗，為了得出最佳的碳纖維板鏤空比例和鏤空形狀，我們專門自制開發了動力系統測試平臺，不同的動力系統和鏤空設計組合做了系統的實驗對比，同時結合大量的用戶抓握測試，最終定下目前上下碳板鏤空率為80-85%的設計，使得整個外框能夠方便用戶抓取，有效的保護用戶的同時，仍然有足夠的鏤空空間供旋翼上下方氣流通過，使其產生足夠多的升力。
鏤空結構的部分設計稿
為了盡可能延長續航，我們還對電機（馬達）和旋翼都做了深度定制。
從電機的選型設計和仿真，到實物打樣驗證和優化改進，從槳葉剖面翼型的選擇，到弦長扭轉角分布以及槳尖形狀的優化，一共搭配組合做了數十版的迭代。在相同的旋翼尺寸和結構約束條件下，我們的動力系統在業界內是處于領先地位的。
當然，也希望各位知乎上氣動方面的大神給我們多提建議，隨時交流 。
再說句題外話，我們的產品4月底亮相后，有看到報道拿我們產品的續航和一些中型航拍無人機做對比，其實是不合適的。因為，我們不是航拍無人機。
并且從空氣動力學原理上來講，普遍來說更大尺寸的旋翼（比如8-9寸槳）的動力系統的力效確實要好于小尺寸旋翼的動力系統（Hover Camera的旋翼尺寸在3寸左右），續航也會更長，這個應該不難理解。在我們的產品設計和設定使用場景下，我們有意識地選擇了小尺寸的設計做出了全保護，在便攜和續航之間取了個平衡。
當然，我們也在通過多種方式去提升續航，目前更多的是通過電池的性能質量，電機控制算法和整機硬件減重去實現。
即將面世的產品會有10分鐘的續航，配2塊電池。
還是那句話，Hover Camera不是航拍無人機，所以跟中型航拍無人機比沒有任何意義。至于我們的續航（10分鐘 ）在我們的目標場景下能否滿足大部分需求，暫且按下不表，后面詳細說。
小巧便攜
有句俗話說，麻雀雖小，五臟俱全。大家知道，進化出“五臟俱全”的麻雀，大自然大約是花了1.5億年。類似的，要把一臺無人機做小，同時做到“五臟俱全”，這在工程上是一個前所未有的挑戰，也是需要大量時間和人力去打磨的。
為了實現產品的小巧，我們首先設計了一個可折疊結構。這個設計想法來自于一次團隊腦暴時偶然激發的靈感。因為當時我們一直在逼自己思考：如何能做出一個理想中足夠小、足夠便攜的產品。
當時考慮的問題有很多，因為如果整機尺寸太小，那抗風性幾乎為零，于是想到了折疊。我們考慮過各種折疊的方式，但突然的一下靈光閃現，讓我們想到，Hover
Camera 外形是不是可以像書本一樣，隨身攜帶，隨處使用。這和我們產品的定位構思非常吻合，后來方案立刻通過，然后就進入了具體結構設計的細化。所以才有了現在實現的折疊方案，一氣呵成的翻折動作，1秒鐘完成打開放飛和回收閉合，非常方便。有一個細節就是，機身的兩處磁鐵設計，展開時不用費力；閉合時同樣有磁鐵作為吸合鎖扣，簡單易用手感也好。
展開Hover Camera的設計手繪
結構問題解決了，然后就是外框的厚度了。為了進一步減薄Hover Camera的全保護外框輪廓，使其更輕盈便攜，我們量身定制了電機旋翼組裝，采用將螺旋槳蓋扣在無刷電機的外轉子上的設計，去除了普通電機上原本需要的凸軸，電機旋翼的組裝高度僅為電機本身的高度。整個兩翼部分展開厚度連同保護外框僅16 mm。
整機的小型化要求我們的硬件電路板也做到盡可能小巧。基于高通驍龍芯片的主體電路器件被排布在71 x 29.2 mm2大小的10層電路板上，懂行的硬件電路設計師朋友們應該知道，像我們這樣將包含高通套片的硬件芯片部件組合方案壓縮布局在寬度30 mm 以內的做法，其實是一件很有挑戰的事，排布走線和器件散熱都是前期評估時的很大的風險。
曾經一度有供應商提出做不了，需要改成更寬的電路板風險更小，但因為我們對設計的堅持不妥協，最終還是把這個難題給克服了。
這是我們的主板和硬幣的對比圖
散熱系統上，我們也把“小巧”推到了極致。我們原先使用的是帶風扇的散熱設計，后來創新性地使用了無風扇設計，上一張對比圖。右側是帶風扇的散熱設計，可以看到很明顯的突起（紅圈中）。
為了能夠實現無風扇的設計，我們利用了旋翼繞流增加空氣對流，對主體電路器件施加無附加風扇的主動散熱。我們的工程師對Hover Camera的流場進行了充分的數值仿真和流動顯示實驗驗證，最終制定出目前的這一套效果非常不錯的散熱結構方案。
另外， 去除內置風扇結構之后，不僅讓整體結構上更加一體化，還減少了機身重量，從而進一步延長了Hover Camera的續航。
簡單易用
簡單易用這一部分，首先跟大家分析下我們最重要的一項人機交互：指尖放飛。
大家可以回憶一下用三腳架拍攝集體照時的體驗，有經驗的攝影師基本直接對三腳架的高度進行設置，然后再對構圖進行微調，即能夠完成一張集體照的拍攝。類似的，我們在設計之初，也希望用戶可以很方便地對“高度”這個關鍵的拍攝參數進行設定，這里的“方便”不是將Hover Camera放置于地面，一鍵起飛之后再調整高度，而是放在哪兒就懸停在哪兒。高度被很方便地設置以后，再在手機端對構圖進行微調，再按快門完成拍攝。
指尖放飛的人機交互，相對于靜止平面的起飛，要復雜得多 。具體來說，每個用戶在放飛時的握持手勢不同，離開機身的手指的順序不同，離開的瞬間指尖動作對機身平衡的擾動，這些讓指尖放飛的實現難度遠遠高于靜止平面起飛 。
除了指尖放飛、拋飛，還有無需用戶額外校準的飛行實現，還有碰撞障礙后的主動閃避，還有室外在無GPS的情況下穩定可控的飛行等，這些的實現，靠的是多方面算法的結合使用，包括我們1 kHz高速更新的傳感器融合算法，針對性的自適應飛控算法，電機驅動采用的高效和快速響應的磁場定向控制算法(FOC)，以及實時處理來自底置和前置攝像頭的圖像和機器視覺算法。
其實很多具體的代碼實現和算法結合優化，都沒有教科書或范例，全是我們結合自己產品和應用的具體需求，借助著我們工程團隊一次次的深層研究，一次次的嘗試積累得來的。
另外，我還想從我們產品的“智能化”來說一下“簡單易用”這個特點。
為了能夠讓更多的小白用戶更方便地上手我們產品，我們首先是棄用了傳統的無人機遙控器。但同時又要讓用戶方便地捕捉到扣籃之類的精彩鏡頭，這就要求我們在跟人算法上做出深度的優化。我們在一顆高通驍龍801芯片上實現了基于卷積神經網絡(CNN)的人臉人形檢測算法，而且是實時的！在用戶選定需要跟隨的人形之后，跟隨部分采用我們自主研發的高效高精度的跟蹤算法，并與1kHz飛控算法配合，實現穩定可靠的人臉人形跟隨體驗。
上一段視頻，從視頻里可以看出，我們的算法對光線明暗變化造成影響有較好的適應和抵抗性，即使遇到背光和側光的轉換，也不會跟丟（點擊“視頻”觀看）。
再上一個視頻，這是我們產品在實際運行跟蹤算法時的視頻，大家可以看到光線變化非常多，而且行人環境也很復雜（點擊“視頻”觀看，注：這里的攝像頭畫質比較老，不是發售版本設備的畫質。）
通過兩個視頻大家可以對Hover Camera跟隨拍攝的穩定性有一個大致的概念，有興趣的同學可以橫向對比我們與其他友商產品跟隨功能的穩定性。
關于我們飛控和圖像算法的研發，網上很多猜測是說我們用了高通的無人機方案。然而，實際情況是，其實一直到發布產品，我們都沒有用過高通驍龍飛控開發板，也沒有用過高通的飛控模塊和圖像算法模塊產品。更準確的說，我們是使用了基于高通驍龍芯片的硬件架構方案和相應提供的基礎SDK開發套件，剩下的中上層固件引擎，飛控，和圖像算法方面的軟件開發，都是我們一行行把代碼碼出來，編譯成二進制文件后整合進整個鏡像的。可能有同學會有疑問，既然有現成的，為什么還要自己寫？長話短說的話就是，我們需要定制化的產品，通用的模塊無法滿足我們產品的需求。這里我們非常值得驕傲的一點就是，我們把高通驍龍801芯片的性能榨到了極限，并解決了芯片散熱問題。
最后再討論回續航。
首先，不可否認的是，在不影響其他產品性能的情況下，續航這個指標肯定是越長越好，但是，面對體積、重量、安全、智能化這種種條件約束，“續航”其實是一個根據使用場景進行妥協的結果。
其次，不可否認的是，10分鐘的續航，用在航拍場景，顯然是不合格的產品。但是，Hover Camera不是一臺航拍無人機，我前面也已經交代很多次了。
有網友舉了某次飯后鄰桌女生自拍了40分鐘的例子，沒錯，這的確是“自拍”的一個典型場景，但是用它來代表所有的“非航拍”場景，那未免以偏概全了。
舉例來說：
一次扣籃，從助跑到完成扣籃，大約是5秒鐘；
一次街舞，一般不超過2分鐘；
一次名勝古跡前的留影，也很少有超過3分鐘的。
何況，Hover Camera的包裝中默認提供2塊電池，支持20分鐘的續航。
上一個我們內測用戶的混剪視頻，大家可以想象一下以后人人都可以創作這樣的內容（點擊“視頻”觀看）。
另外提一下我們結合單軸云臺位置補償和電子穩像技術（EIS）實現的穩像方案，很多輿論大力宣揚基于3軸物理云臺的穩像技術，我們認為這樣的說法是不嚴謹的。在飛行器上進行視頻/照片的拍攝，實質上要解決的問題是：去除抖動，穩定拍攝角度。抖動的主要來源有兩個，一是旋翼高速旋轉時帶來的基振和諧振，二是飛行器飛行時由于機身姿態的改變引發的攝像頭角度變化。后者是較為低頻的，大概在幾Hz以下，而前者有低頻和高頻的成分。不管是傳統的3軸云臺控制，還是我們的1軸云臺控制，
主要能解決消除的是低頻的振動，而高頻的振動很難靠云臺控制消除掉，而更多的是需要靠被動吸震的方式來隔離或緩解，比如會出現在大多航拍無人機上的隔離主機身和云臺裝置的大塊海綿或硅膠材料等。所以其實只要做好隔離高頻，補償低頻這兩方面，就能有好的產品表現。
再次重申，脫離場景討論技術方案的優劣，是外行的表現。我們的穩像方案犧牲了一定的像素，但是優化了產品體積，減輕了重量，增加了續航，所以從我們的產品場景需求以及物理尺寸形狀考慮，基于單軸云臺位置補償和電子穩像技術(EIS)的方案是目前最平衡，最適合我們的方案。
當然，我們現在的云臺在技術工程實現方面仍有很多可以改進提升的地方，希望能一步一個腳印，踏踏實實把東西越做越好。
我們創業之初（2014年），正是無人機的創業熱潮興起之時，市場上大部分創業公司基本都是針對市場領先者的產品做一些微創新，然后造勢、發眾籌、融資、細化產品、甚至再重新找新的產品方向和目標市場。
而我們在創業伊始，選擇的就是，探索無人機新的使用場景。
一個是捷徑，一個是未知的路，我們選擇后者是因為我們有敢去挑戰新事物的勇氣和走一條新路的決心。也因為我們認為在“致敬別人”成為互聯網風氣的中國，think different是一件特別酷的事情。
其實為了這個決定，我們遇到過不少困難，但都一一克服了。人在二十浪蕩歲，正是凱魯亞克在路上的年紀，總是要去探索點什么，做點什么看起來很偏執卻正確的事情。
何況走這條路的時候身邊還有一群有同樣夢想的家伙，從2014年5月到現在，我們的團隊已經擴張到120人，在這期間，每一位伙伴都付出了很多，在此真的要感謝團隊的每一個努力的日日夜夜。
我也知道在各個城市都有很多和我們一樣的人在做著各種各樣的探索與創新，因為大家都相信，科技的每次突破都會改變生活的方式。
和對的人，干酷的事兒，如果捎帶再改變一點什么，那就真的沒什么比這更燃的了。
最后再說一句，17號晚上7：50，我們會通過天貓App直播國內發布會，我是當天的主播，大家有任何問題也可以在直播的時候留言進行交流。謝謝大家對Hover Camera的厚愛！
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