淺談無人機的發展現狀與技術支持

摘要：隨著科學技術的進步，微小型多旋翼無人機技術已經日漸成熟，其應用的領域也越來越廣泛，隨之對技術的要求也不斷地提高。近年來無人機行業發展勢頭異常迅猛，在軍用和民用領域都開辟了廣闊的市場空間。無人機廣泛拓寬應用領域的同時，隨之而來的是人們對其各項技術（導航、交互、通訊）及指標越來越高的要求，例如無人機的航跡規劃，它需要高效、精密的算法，同時也是無人機實現自主飛行的關鍵，近年來越來越受到行業里學者的廣泛關注。本文從無人機的發展歷程展開論述，通過分析無人機國內外的發展現狀，以及現有無人機的技術支持，淺談無人機的發展前景與研究潛力。

關鍵詞：無人機技術；現狀；算法

1 無人機的概念

1.1 無人機簡介

無人駕駛飛機簡稱“無人機”（UAV），是利用無線電遙控設備和自身的程序控制裝置操縱的無人飛行器。它具有體積小、造價低廉、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點。目前無人機在航拍、農業、植物保護、快遞運輸、抗震救災、觀察野生動物、監控傳染病、新聞報道、電力巡檢、影視拍攝等領域的應用，大大拓展了軍用出身的無人機的用途，多數國家都在積極擴展其行業應用并致力研發無人機技術。

1.2 無人機的發展歷程

現代戰爭可以說是推動無人機發展的基本動力。無人機最早在20世紀20年代出現，在1914年第一次世界大戰中，就有人研制出一種不需要人駕駛，利用無線電操縱的小型飛機。而世界第一架無人機誕生于1917年，無人機真正投入作戰始于越南戰爭，在當時主要用于戰場偵察。

從20世紀50～60年代開始，美國相繼研制出“火蜂”、“先鋒”、“獵人”、“捕食者”以及我們最熟悉的“全球鷹”等戰略無人偵察機，它們先后在越南戰爭，海灣戰爭，科索沃戰爭和對阿富汗的軍事行動中大展身手。

而中國無人機研制始于20世紀五六十年代，逐步改良形成了“長空一號”、靶機等系列，值得一提的是“長空一號”作為一架大型噴氣式無線電遙控高亞音速飛機，不僅開創了我國無人機先河，還在此基礎上被改裝成核試驗取樣機，于1977年圓滿完成了一次核試驗穿云取樣任務。

1.3 無人機的研究方向

1）續航問題

愛好無人機的朋友們應該對這一點十分了解，在無人機的使用方面，目前最大的難題就是電池能源儲存所帶來的限制，現有電池的動力嚴重不足，甚至都沒辦法讓無人機持續飛行上30分鐘，電池能源的這一道難關是當下無人機技術無法取得重大進展的重要因素之一。科學家們正試圖生產處更有效的電池，使得無人機可以在空中飛行很長時間。

2）導航

無人機的導航系統也同樣是一個需要投入大量精力的技術領域。現今，GPS被應用在指揮無人機的飛行方面，但這項技術有以下幾點不足：GPS在地形復雜的環境下，例如叢林或濕地，通常并不是很有效率。GPS在探索這些區域的時候，復雜的地形會給無人機的路程設計產生極大的干擾。為了防止這樣的問題，科研人員們正在努力為GPS設計提供某種目的的備份技術工作。以確保即使GPS出現了很大的問題時，無人機依舊能夠完成工作。

3）控制系統

目前的無人機，在飛行過程中很容易受到其他因素的干擾，因此控制技術將會是無人機突破的關鍵。這些技術主要體現在無人機受到不同元素影響時所表現出的應變能力：如超速，云雨和復雜地形等。沒有這些技術的支持，無人機運動的管理將會十分困難。為了讓無人機操控人員能通過控制系統更輕松地控制無人機的運動，更好的控制系統也將成為研究的另一大要素，

4）通信系統

與其他任何飛行設備一樣，交互技術對于無人駕駛飛機而言十分重要。如果客機失去了和指揮部的通訊，將無法導航與降落，如同盲人一般。這對于無人機操縱人員也是一樣的，與無人機取得聯絡，并做出必要的指令，才能使無人機正常工作。不過迄今為止，交互技術仍處于只是與無人機保持簡單聯系的狀況。

1.4 無人機的應用

1）快遞

我國因早年大量修建高速公路的成果，交通十分發達，使得快遞在陸地上也能十分便利。但對于區域劃分復雜，經常需要跨國運輸的歐洲來說，無人機是運送物資的最好方式。德國DHL公司就使用無人機，來向人煙稀少的小島運送物資。DHL在沒有惡劣天氣干擾的情況下，每天運輸兩次，主要運輸藥品、緊缺商品等急用物資。無人機運輸物資的好處不僅僅在于成本低，而且可以精確入戶，免去快遞人員搜尋用戶具體住址所花費的時間。無人機還可利用GPS和視頻等方式對住址進行定位，即便是在建筑密集的高層樓宇，讓無人機從窗戶進入用戶家中也不是問題。

2）災難救援

無人機還可以用于災難救援，比如為不幸溺水者運輸救生圈。無人機還可以代替人們進入一些危險區域來尋找幸存者，如地震后的區域，或具有大量放射性元素的區域，代替人類去完成一些危險的事情。無人機還可以將食物、藥品和其他急用物資及時地送往交通不便的偏遠災區，將救援物資直接送入有需要的人手中。

3）反恐偵察

對于反恐部隊來說，最令人頭疼的是就城市巷戰，陌生的街道、環伺的建筑物內的“冷槍”隨時可能奪人性命。為此，美國國防高級研究計劃局正在開發“輕量快速自主”（FLA）無人機，可對建筑物內的樓梯、走廊，以及障礙物進行全方位搜索。這種智能自主無人機只有昆蟲般的大小，在不依賴GPS的協助以及與外界人工操控與通訊設備聯系的情況下，能夠以20m/s的飛行速度通過一個洞口并在復雜的室內自由穿梭。

2 無人機的發展現狀

2.1 國內發展現狀

近年來，以深圳大疆創新科技有限公司為首的無人機企業在世界范圍內的行業地位越來越高，從而也帶動了一批杰出的科技創新型企業也躋身于無人機的研發當中。

大疆是一家總部位于中國深圳的無人機制造廠商，成立于2006年。該公司生產的DJI無人機被廣泛運用于航拍，并且很受專業及業余級攝影師們的青睞。其產品線涵蓋中端價位的Phantom以及高端市場絕對王者的Inspire系列。endprint

一架無人機系統由地面站、飛機、鏈路三個核心部分組成。無人機地面站是整個無人機系統的指揮控制中心，專門用于對無人機的地面控制和管理。飛機是無人機系統的主體，而它的核心組件是其飛行控制系統（簡稱飛控），它是飛行器穩定飛行的保證。鏈路主要負責飛機與地面站之間的通訊，通過多種通信方式將飛機上的飛行數據實時傳輸到地面站，并可以將地面站發出的控制信號傳給飛機，從而使得無人機按照既定的指令飛行。

2.2 國外發展現狀

在國內無人機大放異彩的同時，較國內無人機起步更早的國外無人機企業，更加值得我們關注和研究。

法國：比大疆成立早12年的Parrot公司是一家總部位于法國巴黎的無人機及無線產品制造商。派諾特設計、研發和銷售與智能手機和平板電腦相關的高科技應用產品，并提供汽車制造和城市無人機領域的高科技解決方案。所以我們也就不難理解，為何我們可以在蘋果在線商城里看到Parrot無人機的身影。

美國：作為北美最大的消費級無人機廠商，3D Robotics公司主要致力于制造開源無人駕駛飛行器（UAV），目前其全球客戶數量超過3萬。3D Robotics早期主要銷售組裝無人機的成套組件。現在，該公司有從入門級到商用級的多種型號無人機產品，搭載了航拍、視頻拍攝、測繪、3D建模等多種功能，有些無人機還支持預先規劃航線或針對特定人物的追蹤跟拍。

3 無人機涉及的技術領域

3.1 控制技術

3.1.1 導航技術

無人機無論作為民用還是軍用，都必須準確地知道自己“在哪兒”、“去哪兒”，要達到這個目的需要精密的硬件和高效的算法，這在無人機的任何發展階段都是繞不開的問題。

3.1.2 定位技術

（1）GPS載波相位定位

目前正在這方面開展研究的項目有：Swift Navigation公司開發的Piksi； 日本東京海洋大學開發的RTKLIB開源項目。

（2）多信息源定位

英國軍方BAE 最近公布了他們研發的名為NAVSOP的定位技術。該技術將利用包括TV、收音機、Wi-Fi等等信息定位，彌補GPS的不足。

3.1.3 測速技術

目前公認的比較精確的測速方案是將“視覺（光流）”、“超聲波”以及“慣導”結合。AR.Drone是最早采用該項技術的多旋翼飛行器，極大地提升了飛行器的可操控性，獲得了巨大的成功。

3.1.4 避障技術

讓飛行中的無人機識別飛行路徑上的障礙物，并準確繞飛或懸停，是實現無人機智能化的重要一步。恰好備受關注的國內三家無人機廠商最近都分別使用到了不同的無人機避障技術。

（1）零度Xplorer 2：激光雷達TOF（Time of flight）測距，是指利用飛行時間法3D成像，通過給目標連續發送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行往返時間來測量目標距離。

（2）昊翔Typhoon H：Realsense（單目+結構光），是指Realsense的原理是，它采用了“主動立體成像原理”，模仿了人眼的視差，通過射出一束紅外光，以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置，然后用三角定位原理來計算出3D圖像中的“深度”信息。

3.2 交互技術

1）手勢控制技術

手勢交互是一種未來的人機交互趨勢，目前在精確度上存在挑戰。在CES2014的展場上，有利用MYO手勢控制臂帶來控制AR.Drone2.0四旋翼的演示。

2）腦機接口技術

近年來，科研人員在多個領域都運用到了BCI（Brain Computer Interface）腦機接口技術）技術，各類科技公司運用該技術制作新型玩具、為殘疾人制作義肢。但若是作為對安全性要求較高的飛行器，這種技術目前還不成熟。它可作為一種驗證性質的技術展示，離實際還有不少距離。

3）體感控制技術

體感控制包括手勢和姿態，類似于PS4等游戲機上的體感控制，有著直觀、易學、易操作等特點。隨著信息時代的不斷發展，人機交互越來越成為科研人員研究的重點，Kinect傳感器作為人機交互的中介，自然會被應用到無人機的控制中來。

Kinect傳感器由Microsoft公司于2010年推出，可以同時獲取彩色圖像數據和深度圖像數據，支持實時的全身骨骼跟蹤，獲取人體骨架的20個關節點[2]。同時，Kinect SDK允許開發者借助Visual Studio 2010進行相關開發，通過相關算法設計實現人體的動作識別[2]。

3.3 通訊技術

1）4G/5G通訊技術

2013年6月17日，北京4G聯盟與無人機聯盟組織聯合舉辦了4G聯盟與無人機聯盟交流研討會，旨在加強北京4G聯盟和無人機聯盟之間的技術交流，尋找無人機機載載荷與4G設備儀器的聚焦，以促進北京市IT產業發展。

2015年，中國移動開發4G“超級空戰隊”設備，可以支持航拍影像即拍即傳。

而5G的速度比現在的LTE網絡標準連接速度快將近250倍，它開啟了無線通訊行業的一個新的里程碑。雖說現在并未看到其廣泛應用，但未來無論是智能手機，還是汽車、醫療設備、無人機或其他設備，都將受益于這一無線連接速度。

2）Wifi通訊技術

2013年，德國卡爾斯魯厄理工學院開發出了一項新的無線廣域網技術，打破了之前最快的WiFi速度紀錄，它可以讓1公里以內的用戶每秒鐘下載40GB。由于這種設備的傳輸距離比普通WiFi路由器的范圍要廣得多，因此這種設備很適合無人機航拍的圖片上傳或光纖布放不方便的農村地區應用。

4 結論

無人機不論是從它的發展前景，理論技術還是從發展傳統汽車行業，增大行業競爭力來看都是非常具有研究潛力的。這些系統的出現離不開很多關鍵技術，也正是因為這些技術的進步，未來的無人機將會躍向一個新的高度。以史為鑒，我們不難發現無人機發展有幾個大致方向：更精密的算法使它們變得越來越智能，而多項尖端科技的加持，減輕了無人機駕駛員在操作無人機時的負擔，使得無人機更加“來去自如”。而無人機的高速發展與科研人員的定向研究必將會使它們的成本變低，未來無人機將會步入普通家庭，成為民用的攝影、探索利器。

參考文獻

[1]趙毓. 基于群體智能算法的無人機航跡規劃研究[D].哈爾濱工業大學，2016

[2]李輝，蘆利斌，金國棟. 基于Kinect的四旋翼無人機體感控制[J]. 傳感器與微系統，2015，（08）：99-102

[3]鄒湘伏，何清華，賀繼林. 無人機發展現狀及相關技術[J]. 飛航導彈，2006，（10）：9-14.

作者簡介

趙晨懿，2000年生，男，漢族，陜西省西安市，就讀學校：陜西師范大學附屬中學。endprint