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广发证券重磅报告:小型无人机技术解密|智能内参

小智头条 智能内参2016/10/30

智东西(公众号:zhidxcom) 编 | 小智 随着上个月底大疆发布小型无人机Mavic,标志着整个无人机行 […]

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 小智

随着上个月底大疆发布小型无人机Mavic,标志着整个无人机行业正式进入了小型化趋势中。然而想要在这一新兴趋势下领涨行业,着力剖析小型化无人机中的重要技术一定是从业者需要特别关注的信息之一。

本期的智能内参,我们推荐来自广发证券的小型无人机报告,先抛个重要结论过过瘾:小型化是趋势,但云台不可简配

其中的道理将会在文中得到解答。如果想收藏本文的报告全文,可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“小型”下载。

以下为智能内参整理呈现的干货:

技术要点在=“航拍”+“无人机”

市面上的小型无人机产品均需要在悬停定位技术、避障技术、视觉跟随、图传技术等几方面进行重点打磨。下图为大疆Mavic和同级别产品的一个综合对比。

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要对无人机航拍技术进行梳理,首先需要知道无人机航拍技术有哪几点。通常来看,无人机航拍技术其实可以简单地按照字面的“无人机”+“航拍”拆分为2点:

(1)影像拍摄技术,也即成像以及图像处理技术;

(2)无人机平台技术,主要指为航拍提供稳定的航拍环境的机身控制技术。

影像拍摄技术:目前市场上的影像拍摄方案,都是对几个大品牌主流的摄像头模组的集成应用,无人机生产厂商在这一方面没有太多的技术空间,而且因为技术发展已经比较成熟,不同产品方案之间差距并不大。因此,本篇报告仅作简要介绍。

无人机机载平台稳定技术:是指除了飞行导航、控制等无人机自身飞行技术以外,为无人机实现稳定航拍平台保障的相关技术。这种技术是影响到成像质量最关键的因素。

随着近几年智能手机的迅猛发展,智能手机相关技术得到了空前的发展,以触摸显示屏、处理器、摄像头模组等为突出代表的智能手机核心的硬件技术在大规模工业化需求的基础上不断地朝着低功耗、高性能、高集成的方向发展,在这一产业发展过程中,淘汰了大量落后技术产能,产品向索尼、三星等巨头企业不断集中。

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可以看到,不论在销量还是销售额,索尼凭借在移动端市场的出色表现,牢牢占据榜首。从总的品牌分布来看,前4名的企业占有了市场近75%的份额,市场分布较为集中。

影响成像质量的参数

在体现单个摄像头模组成像水平的技术参数方面,通常大家比较关心的是一些具体、表观参数,比如像素数、光圈大小等,但是摄像头模组上影响成像质量的参数还有许多:单个像素尺寸、传感器技术、镜片组技术、ISP技术等。下面做一个简单的介绍。

像素数/分辨率:像素数比如800万像素(3200×2400分辨率)、1300万像素(4208×3120分辨率)是目前摄像头模组技术中最经常被提到的概念,但是像素数其实并非决定图像清晰度的决定性因素。像素数仅决定一幅图像中有多少单位像素,也即放大后,图片能够展现的细节程度,但是每个细节以及整张照片的图像质量还取决于其他很多因素。

至于现在比较火的“4K视频录制”概念,指的就是分辨率达到4096×2160的影像拍摄能力,其实4K更新趋势主要来自于播放设备以及胶片拍摄设备,因为之前的播放设备高清标准为1920×1080分辨率,现在的4K像素水平是之前的4倍,面临着许多方面的挑战,同样,胶片拍摄将从原先耳朵35mm胶片升级到70mm,面临的是全行业标准设备的升级。但是4K分辨率的数字视频拍摄能力仅要求传感器达到1200w像素,以及能够与之匹配的图像处理能力,这一点行业内已经有成熟的配套解决方案(比如高通的Snapdragon Flight平台不仅支持4K录制,还支持4K的立体VGA录制),因此,也并不构成技术壁垒。

光圈大小:光圈大小直接影响到通光量的多少,对于成像质量有较大影响,目前,移动类消费电子的摄像头模组已经从f/2.4、f/2.2、f/2.0逐渐增大(数字越小,光圈越大),目前手机市场上也已经开始大面积出现f/1.8的摄像头模组了。

光圈增大对于拍摄成像来说主要有两方面优势:1、提高弱光下画质;2、提高快门速度;3、减小景深。

对于航拍应用来说,提高弱光下画质(夜景拍摄)以及提高快门速度(运动拍摄)都是很有必要的,而减小景深则在人像拍摄时能够较好的虚化背景,突出主体,这种需求对于目前以大景物对象拍摄为主要使用目的的无人机来说属于锦上添花的功能,但是对于自拍无人机来说,是十分必要的。比如主打自拍的Dobby无人机就采用的f/1.8光圈,而大疆的精灵4则采用的f/2.8光圈。

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但是从现有行业技术水平以及产品策略上来看,光圈的提升也并不是没有代价的:

1)、大光圈的进光量增大后,首先需要配套提高的是快门速度。在黑暗环境中,本来光线较弱,快门速度不需要提高很多即可保证拍摄质量。但是,在白天或者光线较强的环境下,考虑到无人机或者移动电子设备通常采用的是固定光圈,并不能调整到合适的小光圈,因此必须要将快门速度提高从而避免过度曝光,但从目前的技术水平来看,快门速度的提高还存在一些技术瓶颈,这也是小型化设备上制约光圈增大的一个重要因素。

2)、光圈增大同样还会引起图像畸变以及边缘画质下降。为了校正边缘画质的下降以及图像畸变,通常都会采用更多的镜头组以及镜头部分的机械结构,这对于小型设备来说,是难以实现的(比如iphone6以后的设备为了实现f/1.8的光圈以及相关的一些其他技术考虑,摄像头高度增加,且远高于机身,凸出于外部)。当然,小型化的考虑在无人机上还不是一个特别大的问题,但是技术实现可能会有一定的门槛。

传感器技术:传感器技术目前主要是索尼、OmniVision、三星几家公司,尤其是索尼公司,其所推出的IMX220/230/240等系列传感器几乎占到了市售手机的大半壁江山苹果、三星、索尼、华为、小米、魅族等热门旗舰机几乎都是采用的IMX系列传感器。因此,在无人机上的应用也只需要根据无人机的定价策略来选择相应产品即可。传感器技术主要涉及到传感器尺寸和传感器结构方式两部分技术。

ISP技术:ISP(Image Signal Processing)也即图像处理技术,镜片、传感器构成了图像的接收装置,而ISP则构成了图像的采集和预处理,面对目前越来越高的全尺寸高帧频的数据吞吐能力要求,ISP技术也在不断提高。除了高速拍摄、杂噪抑制以外,相机还可以借助ISP处理器对图像做出比较重大的调整,HDR技术就是一个很明显的例子。

HDR技术是ISP技术的一个主要应用,其可以通过采用不同的曝光策略连续拍摄数张照片,并通过ISP处理器对几张照片进行合成,保留了暗部和高光的细节,大大增强了画面的层次感,如果这一合成算法是由手机自身的处理器完成的话,势必加重处理器负担,而且考虑到图像处理的特殊性,可能效果并不完美,从而很多厂商设立了独立的ISP处理器,专门对照片进行预处理。还可以ISP技术还可以对画面的整体渲染效果做出调整,不同的厂商有这不同的调教倾向。

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自动对焦技术也是ISP的一个主要功能。目前主要有三种主流的自动对焦方式,分别为:反差对焦、相位对焦、激光对焦。这三种对焦方式,尤其是反差对焦,需要对图像进行全景扫描处理,ISP资源消耗巨大;相位对焦也需要对图像进行实时处理,虽然计算量小,但是速度要求较高,同样对ISP有能力要求。

因此,不论从成像观感、自动对焦拍摄使用等角度来看,ISP技术都对拍摄成像有较大影响。

从上面的分析可以看出,影响最终成像质量的因素很多,而且很难通过单一调整参数提高整体水平,因此,摄像头模组的设计是一个相当考验工业设计水平的核心技术领域,从目前的现状来看,国内无人机厂商对于这一领域的探索还较为初步。但是,必须要注意到的一点是,目前摄像头模组技术的发展从某种意义上来说确实已经相当成熟。成像技术对于性能的提升,大部分都在专业领域内才能显现出差异,对于一般消费者来说,对于使用体验的提升并不明显,成像技术对于最终画质提升边际效应应该还是较弱。

我们认为,成像技术固然重要,但是按照目前的成熟度和提升潜力来说,专注于无人机拍摄平台的稳定技术相比于成像技术来说,对使用感受的提升更为明显。

机载平台稳定技术

四旋翼无人机之所以在航拍中得到广泛应用,很大一部分原因是其所具备的稳定性以及操作的简易性。其中,稳定性对于航拍来说,更是至关重要。

1.在拍摄视频时,画面的抖动、倾斜都会严重影响画面的流畅度和美观度;

2.在拍摄照片时,尤其是弱光情况下,如果曝光时间较长,机身的抖动会引起画面的模糊;若减少曝光时间,则需要提高感光度,噪点增多,影响画质。因此,机身的稳定对于拍摄来说至关重要。

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影响机身稳定的主要因素

在分析机身稳定技术之前,首先需要确定,对无人机机身稳定造成主要影响的来源有哪些? 按照当前四旋翼无人机的典型情况,可以将对于机身位置、姿态造成扰动的几个因素归结如下:1、悬停定位不精确造成的水平位置以及高度的飘逸;2、机体作动时的机身倾斜与抖动;3、电机震动、突风等带来的干扰。对于不同类型的扰动,无人机系统上采取了不同的策略进行应对。

对于水平以及高度的飘移,在室外,也即GPS信号良好的情况下,无人机会主要根据GPS信号进行定位。但是限于民用GPS系统自身的精度有限且更新频率较低,单纯依靠GPS系统进行定位较为困难,通常无人机还会引入惯性模组进行组合定位。当处于室内或者GPS信号接收受限的情况下,无人机系统还采用对地摄像头进行光流定位。光流定位是一项近年来兴起的基于图像的定位方式,在距离地面较劲时,使用效果良好。

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如果说位置的飘移属于慢动态的扰动,那么无人机机动时所引起的机体倾斜、抖动则是高频扰动因素,对于画面的影响十分显著。下图为一组四旋翼无人机的仿真曲线,可以看到,当需要进行位置移动时,四旋翼机身姿态必须做出较大调整,尤其是在机动刚发生时,机身姿态出现了40度的调整。

对于机身在水平方向移动时所带来的机体倾斜,以及机体作动时的抖动等干扰因素,对图像拍摄效果影响较大,必须通过挂载稳定云台抵消影响

对于电机震动、突风扰动等因素,考虑到其属于较高频扰动,可采用空心橡胶球弹簧进行高频震动滤除,即可取得较好的效果。对于突风等干扰,由于其形式、大小均存在较大的随机性,很难保证完全消除影响,只能考虑结合云台、光流等多种形式对其影响进行抑制。

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最后,不能忽略的一个技术是电子稳像技术。电子稳像技术是在不借助机械设备的前提下,通过传感器,感受机体运动,从而在显示画面上对图像进行剪裁、拼接的修正,从软件的角度,一定程度上实现了图像稳定的意图。在这一方面,运动相机GoPro是最早成功推出产品进行技术应用的,其所推出的GoPro Hero系列运动相机,具有较为良好的电子稳像人能给力,也凭借这项技术,在运动相机市场占有了较大份额。

但是电子稳像技术通过对抖动后的图片进行处理,天生就不具备先发优势,是一种被动的后期处理方式。因此,可能会带来一些比较明显的问题也即所谓的“黑边现象”,如下图所示:

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总的来说,电子稳像技术虽然补救能力有限,但是作为一种微调或者修正措施,是经常选用的,出了大疆的Mavic以外,目前市售航拍无人机基本都采用了“机械云台+电子稳像”两条腿走路的思路。只有没搭载云台的小型自拍无人机才会只采用电子稳像技术。

精准悬停定位是航拍基本能力

从近一年来发布的消费级无人机来看,基本都配置了“GPS+光流”的室内/室外定位策略。尤其是对于今年以来发布的几款自拍无人机,因为主打自拍,应用场景里多考虑室内环境下的拍摄,更是都标配了光流定位系统。

按照目前的技术,以及这一年来推出的产品状态,在室外GPS信号良好的情况下,利用GPS进行悬停定位已经可以达到米级或者米以下的定位精度。而且,许多产品现在都标配了GPS/GLONASS甚至是北斗等多套系统。成本的下降以及多年来的应用推广,使得目前无人机用GPS定位技术比较成熟。

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另外借助目前市场上比较成熟的差分GPS技术也可以实现GPS的精度大大提升。差分GPS技术,即通过在无人机工作区域内某个已知坐标点设置一个高精度GPS基站作为参考点,根据测量与实际位置的差分信号作为修正量,修正无人机上的GPS信息,目前差分技术主要分为伪距差分(DPGS)与载波相位差分(RTK)两种,DGPS可以达到亚米级精度,RTK则可达到厘米级精度。

但是这种差分GPS方式需要另外架设设备,切对架设的基站点位置有较高精度要求,因此成本高且不容易实现,比较适合于在给定作业场地内进行拍摄的适用场景,对于一般消费级航拍无人机上的使用较为受限。

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虽然光流的概念早在1950年就被提出,但是光流技术是随着光流定位算法在今年来不断发展成熟后才在无人机定位上大面积得到应用。光流的概念是Gibson在1950年首先提出来的。它是空间运动物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度,是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对应关系,从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。一般而言,光流是由于场景中前景目标本身的移动、相机的运动,或者两者的共同运动所产生的。

在无人机应用中,无人机机身加装对地的光流摄像头,根据所观测到的地面图像来进行定位的,其原理可通过下图进行理解:无人机在相对地面移动时,其对地观测镜头所拍摄到的画面会相对向反方向移动,根据无人机距离地面的高度(这也是光流传感器都与对地超声波传感器成对出现的原因)以及对地观测图像中像素移动的量,即可推算出无人机相对地面移动的距离。

当无人机采用光流定位技术实现自身位置确定后,即可采用通用的控制算法实现水平面和高度上的定位。目前所采用的光流技术,基本上可以实现室内环境的稳定悬停,但是随着时间的累积,仍然会有十几厘米到几十厘米范围的飘移。不过,这种低频率、小幅度的位置改变对于航拍来说,是可以接受的。

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虽然室外“GPS+光流”、室内“光流”的技术方案是成熟的,而且相比于之前的室外定位方案来说,有了大幅度的提升。但是各家厂商对于具体算法实现起来,其产品的最终使用效果,仍然存在差异。

以大疆精灵4与其上代产品精灵3进行对比,两款产品在悬停定位的从技术方案来说,是基本一致的,但是精灵4属于精灵3的下一代产品,在算法上、传感器上都有了较多的调整。本报告对TomsTechTime网站提供的一段,大疆精灵4与精灵3的室外悬停录像进行了整理,我们发现,精灵4在室内高度悬停上,可以达到0.1m以内的精度,而精灵3仅有0.5m左右精度,水平面上亦是同样,精灵4能够稳定在较小的范围内实现悬停,而精灵3则在一个较大范围内飘移。

这个例子很明显的告诉我们,即使采用同样的技术方案,但是在传感器、算法等方面仍然对最终使用效果产生巨大影响。这也如我们在上一期报告中提到的一样,虽然光流定位技术已经有大量开源库支持,看似降低了技术门槛,但是实际上,在获得更好的用户体验上,也即深挖技术价值这方面,各个公司都还有很多路要走。因为当产品的实际使用体验较差时,采用的技术再先进,也很难受到市场追捧。

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灵活稳健云台是航拍核心

根据上面的介绍,我们知道,云台对于抑制机身的主动倾侧、被动干扰等影响航拍效果的扰动起到了重大作用,下面将对无人机机载云台进行简要的介绍。

一般说的机载云台通常都是三轴云台。如下图所示,三轴云台的“三轴”分为俯仰、偏航、滚转三个轴,也称三个自由度,分别有一个电机进行控制。也即摄像头在三自由度云台的框架上通过电机的控制,可以实现与无人机三个自由度的解耦(值无人机的:俯仰、偏航、滚转三个自由度),起到隔离、抵消无人机运动影响的作用。

三轴云台技术主要包含部分内容:1、运动敏感;2、抵消控制。

运动敏感:需要安装在最内层的摄像头部分能够感知到摄像头的姿态偏差。通常会安装一个三自由度陀螺仪。

抵消控制:即当敏感到摄像头要偏离设定的姿态(一般是水平状态)时,通过电机施加反向的运动,抵消运动变化。

从以上角度来看,传感器的精度、频率以及电机输出的精度、功率大小,控制算法的性能都对最终效果起到比较大的影响。不过从目前的产品技术来看,纸妖配备了三轴云台的无人机在航拍方面基本不存在太大使用感受上的区别。单从功能上来说,比较关键的几个因素是1、云台与机身隔离度的高低;2、云台可控的角度范围;3、响应的快慢;4、精度的高低。但是目前各家公司基本都没有单独公布出云台的技术参数,还很难进行比较。

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位移补偿:精灵4与精灵3的悬停对比实验中看到,即使采取了较好的GPS+光流定位技术,无人机在定位悬停拍摄时,还是会出现较大幅度的飘移,幅度大概为0.3m左右,当发生位移后,画面中心会有那么为了进一步保证画面的稳定,就必须引入机械云台对画面进行稳定。

通过简单的几何计算可以看出,当相距被拍摄物体距离较近时,水平飘移对画面影响较大。以图中所标注为例:当距离背景2米远时,0.3米的飘移可能会带来拍摄画面中,物体的像素移动达到9%左右(比如4000X3000分辨率,图像水平方向会飘移360像素)。但是当距离被拍摄物体较远时,以图中所标注为例:当距离背景10米远时,0.3米的飘移可能会带来拍摄画面中,物体的像素移动达到1.7%左右(比如4000X3000分辨率,图像水平方向会飘移68像素)影响较小。

这时,仅需要云台偏转较小的度数既可修正画面偏移,使得被拍摄物体重新回到画面中心。

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姿态补偿:相比于无人机位置的移动,无人机自身姿态的扰动对画面影响更为剧烈。当相距被拍摄物体距离较近时,以图中所标注为例:当距离背景2米远时,15°的姿态扰动可能会带来拍摄画面中,物体的像素移动达到36%左右(比如4000X3000分辨率,图像水平方向会飘移1440像素)。但是当距离被拍摄物体较远时,以图中所标注为例:当距离背景10米远时,15度的姿态扰动可能会带来拍摄画面中,物体的像素移动同样达到36%左右(比如4000X3000分辨率,图像水平方向会飘移1440像素)影响均较大。

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但是另一方面,从用户体验角度来说,云台技术还涉及到几个问题:1、云台功耗。由于三轴云台带有三个无刷电机,而且云台实时在空中实时运行,因此其功耗不可小视。2、云台校准。从一些用户反馈来看,云台功耗对于整机续航已经产生了明显的影响,如何在保证云台性能不变的情况下优化云台控制电机的功耗会是一个有意义的研究方向。另一方面就是云台校准,因为云台上装有三轴陀螺仪等惯性测量原件,如何在出现故障或者干扰的情况下对云台进行快速有效的校准也是影响用户使用的一个重要问题。

从目前市售产品来看,带云台和不带云台的产品明显的分为两类:大中型的高端无人机和小型的自拍无人机。

从各家的旗舰产品来看,基本都配备了性能优异的三轴云台,比如大疆的精灵系列、悟系列、昊翔的Typhoon系列;同时,在上一份报告中,我们提到了,零度的Dobby、零零无限的HoverCamera、昊翔的Breeze等小型自拍机因为成本、技术等因素都没有配备云台。

可以看到,由于技术和成本以及便携性的因素,是否标配云台成了小型无人机和大型无人机(350mm轴距)的分水岭,综合之前介绍的云台的重要性,我们看到了,小型无人机的价值主要体现在了便携一方面,而大型无人机则主打功能的强大完善,Mavic、Karma这样的中型无人机功能更加完善,而且便携性突出,是目前消费级杭派无人机市场上比较看好的发展方向。

小型自拍无人机短期内格局不会颠覆

综合上面对Mavic的介绍以及航拍技术的分析,我们不难总结出几个观点:1、短期来看,大疆不仅将对传统航拍机继续占有霸主地位,还将对于小型机市场占有较高统治力。2、纯便携小型机在功能上缺失太多,未来发展还缺乏更有力的技术支撑;3、中小型无人机平衡便携性与功能性,或可成为未来市场热点。但是放眼未来,可以看到整个行业的机会还是存在的。

1、价格 从市售产品的性价比的角度来讲,大疆的Mavic无疑是具有超高性价比,但是从价格这一角度来看,消费级无人机5000元以上的价格距离大众普及还有一段距离,而且大疆的产品定价策略向来是“高附加值+超额利润”,可以看到,大疆的定价背后包含了大量的品牌维护、管理费用等,但是这些对于小平台公司的花销其实并不大,所以,如果未来有产品能够达到大疆的技术水平,而且价格能够降低到5000元左右,那么市场反响一定很值得期待!

2、技术 大疆的视觉方案有部分是来自于Movidius公司,比如Mavic的VPU就采用的Movidius的Myriad 2视觉处理组件。Movidius公司的视觉处理器具备了低耗高能的特点,能够主动不间断地拍摄图像并处理信息,这能够赋予联网设备感知环境的能力,是物联网设备更加智能化的关键。谷歌能感知环境的智能手机Tango采用的就是Movidius的第一代芯片。去年7月,Movidius推出的Myrid 2芯片,这款芯片拥有12个可编程的核心、一个图像信号处理器(ISP)和硬件加速器,效率是上一代的20倍,体积更小,而且每秒只消耗500毫瓦。Myriad 2能够让智能手机摄像头在某些程度上达到单反的水平,比如对焦速度、低光成像表现;但更核心的,是对图像的智能识别与理解,使得其芯片可以应用在众多需要处理图像的设备上。

值得注意的是,Movidius公司今年9月刚刚被英特尔斥资4亿美元收购。意欲将Movidius技术应用到Intel的Realsense技术上。而Intel公司去年向国产无人机厂商Yuneec投资过6000万美元,且Yuneec推出了搭载Realsense技术的Typhoon H480,虽然目前Realsense仅用来实现避障,但是期待未来和Movidius的结合能够给Typhoon带来更多的技术应用。

3、行业级应用 大疆的成功来自于先发优势、技术储备、资源整合等多个方面的综合,目前市面是的其他厂家在整体竞争力上可能比大疆还有差距,但是各家都有各自的看家本领,比如零度主打的“军转民”高可靠性飞控技术等,那么在未来,未来在消费级自拍无人机市场经历过爆发期后,市场趋于稳定,而行业级市场这片广阔的天地还有待开发的背景下,不妨关注各家的行业级应用,或可成为下一个爆点。

从智东西的视角观察行业,无人机领域各家公司都在寻找下一个机遇。

当业内人士均将目光瞄准小型无人机时,无疑这必将掀起行业新趋势。然而小型无人机总体而言在产品技术上相较当前的主流机型差异化并不大,而性价比却成了其关键的竞争因素。

而行业应用是无人机领域另一个隐隐爆发的新生增长方向。事实上,大疆创新曾经在智东西创课分享过其在行业应用方面的布局(感兴趣可以点此复习一下)。

智东西一贯的观点是:将无人机视为“飞行的机器人”这一范畴,其功能还有相当大的空间没有被完全开发。行业应用需要突出其关键功能,形成性能上的分化,这也是无人机同场竞技的各个企业寻求弯道超车的机遇。同样的,开发“飞行机器人”的分化功能,倘能尽早构建壁垒优势,不排除“再造几个大疆”的可能性。

本文为智东西整理呈现,文中所有数据结论版权归原作者所有。

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