無人機新技術及其發展分析

摘 要：當前，無人機的市場規模正在以一種不可思議的速度擴增，各種無人機新技術涌現。另一方面諸如5G、物聯網、大數據等相關技術的逐漸成熟，更快的連接速度將使無人機在救援、物流等方面工作時速度更快，新技術的提升也有助于無人機避障與跟蹤反應技術的升級。

關鍵詞：無人機；新技術；反應技術；升級

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0054-02

隨著無人機技術的不斷創新，其在各個領域大放異彩。尤其是民用無人機，發展方向包含了警用、巡線、農林植保、航拍、快遞和科研，這對無人機的智能化、多任務化提出更高的要求。無人機的新技術發展總結起來體現在4個方面，飛控系統，導航系統，動力系統，數據鏈。這些發展使得無人機在機身平臺、平臺任務、以及導航技術上有了新的突破。

1 無人機平臺新技術發展分析

1.1 基于增強續航能力的能源與動力技術

無人機目前所受到的最大限制無人機發展就是續航能力，大多數消費級多旋翼續航時間基本在20min左右，若是進行外出長時飛行不得不攜帶多塊電池備用，且鋰電池的重量對飛行系統也有影響，這對任務作業造成了極大的不便。無人機必須在動力方面實現突破才能走上新的革命性高度。

（1）太陽能無人機。在陽光充足的時候，通過太陽能電池的光電轉換效應，將光能轉換為可以向動力系統、航空電子設備及機體載荷供能的電能。在實際中，太陽能無人機數10km的飛行高度、長達數月的巡航能力也使得其成為世界強國的聚焦點。我國的彩虹系列太陽能無人機，近年來異軍突起，成為這一領域極具競爭力的選手。

（2）激光充電技術。應用激光代替太陽光對無人機進行非接觸的遠程充電成為當前的研究熱點。激光技術在軍事領域的應用通常是與防空、反導及致盲等硬殺傷系統和效能聯系起來的，但實際上，激光技術在雷達探測、能量傳輸等其他方面也有發揮作用。早在2012年7月，美國動力公司就研發了一種利用光纖供電系統，通過攜帶自由電子的激光波束對長距離設備進行能量傳輸。而且這項新技術已經通過了一系列的測試，并被驗證了可行性。

（3）無線充電。在現實中，無線充電技術僅僅針對智能手機、電動牙刷等產品，無線充電的距離受到限制，而最近的研究團隊將無線充電技術應用在更長的距離內，面向無人機傳輸能量。無線充電，又稱非接觸式感應充電，是利用近場感應，即電感耦合，由供電設備將能量傳送至用電裝置。由于充電器與用電裝置間以電感耦合傳送能量，兩者間不需使用電線連接。這項技術已發展多年，但此前還沒有應用到無人機這樣的飛行載體上。

（4）無人機新型電池。將易燃液體電解質換成塑料或陶瓷等惰性固體，是比鋰離子電池更安全的替代方案。雖然固體電池能量密度約為500Wh/kg，是傳統鋰離子電池的2倍，但其缺點是只能重復充電200次（傳統電池重復次數接近1000次），相比起來半固體電池方案更好。與同樣重量的傳統鋰離子電池相比，半固體電池容納的能量增加了一倍。

1.2 機體平臺與平臺/任務一體化技術

隨著無線電技術，計算機技術的飛速發展，無人機可以執行的任務也越來越復雜，可以應用的場合也越來越多樣。

（1）軟機翼無人機。美國Challenger航宇集團2017年9月公開的一種名為Avina的獨特無人機系統，該無人機采用的是軟機翼，配備沖壓式翼傘。軟機翼可以降低平臺的單位有效載荷成本，延長飛行時間。

（2）傾斜攝影技術。傾斜攝影通過低空多位鏡頭獲取影像數據，通過專業軟件自動生成三維地理信息模型的技術手段。這種手段在測繪行業得到極大認可，它快速實現地理信息的獲取，并且效率高、成本低、數據精確、操作靈活、側面信息可用。通過結合先進的定位技術與GPS信息還可獲取更豐富的影像信息。

（3）高光譜影像。高光譜遙感的特點是光譜分辨率高、波段范圍窄、圖譜合一、連續成像等，對于只有細微差別的光譜也能感受到。無人機通過搭載高光譜遙感相機，使用空間信息技術來獲取信息。無人機高光譜可用于不同類型植被的遙感監測。

（4）激光雷達技術。無人機激光雷達是一種新興的技術手段，現廣泛用于電力行業，可直觀的展示和還原電力線路實際情況、對導線與周圍物體的距離進行監測等，是保障電網設備安全的有效手段，但其應用卻一直處于探索階段。

2 無人機導航技術發展

2.1 定位測速技術

（1）GPS載波相位定位。GPS載波相位定位是一種基于RTK技術的定位方法。RTK全稱是載波相位差分技術，是軍事上常用的精準定位系統。相比于傳統的GPS定位，它能夠讓航行達到厘米級別的精度，從而實現精準的避障和定位，很適合動態的位置捕捉。

（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。通過利用幾百個不同的已有信號，它便能夠進行準確定位。

（3）UWB（Ultra Wide band，超寬帶）無線定位。超寬帶定位系統通常包括UWB接收器、參考標簽和其他標簽。超寬帶技術通過發送納秒級及其以下的超窄脈沖來傳輸數據，可以獲得GHz級的數據帶寬，發射功率較低，無載波。因為其高帶寬，理論上基于TOA或TDOA方法實現厘米級的定位。

（4）“慣性+多傳感器+GPS+光電導航系統”。在室內外復雜條件下的精準懸停技術，組合導航技術，結合GPS、慣性測量元件、地磁指南針和氣壓計各自的優缺點，通過處理電子信號、融合多種傳感器的測量值，獲得較為準確的飛行器狀態量的測量。無人機載導航系統中如GPS導航為分非自主導航，也有自主導航如慣性導航，但都存在分諸如易受干擾和誤差積累增大的缺點，所以高精度、高抗干擾性能的多種導航技術結合的“慣性+多傳感器+GPS+光電導航系統”將是未來發展的方向。未來無人機對障礙回避、物資或武器投放、自動進場著陸等功能的要求也會更加嚴格。AR.Drone是最早采用該項技術的多旋翼飛行器，極大提升了飛行器的可操控性，獲得了巨大的成功。大疆公司推出的“悟”和“Phantom3”、“Phantom4”同樣采用了該項技術。

2.2 避障技術

（1）紅外線或激光測距避障。該技術檢測方法有兩種：①光的時間；②光的相位。但是和超聲波一樣，光波會由于光污染問題受到干擾。為了避開太陽光的主要能量波段，從而避免太陽光的直射、反射等對避障系統造成干擾，就需要進一步的非常精準的時間測量，這可能就需要專業級處理芯片，價格則較為高昂。

（2）視覺圖像復合型技術。智能避障系統“Guidance”就是典型的視覺圖像復合型技術。Guidance系統的前后左右下五個方向都有專門進行障礙識別的攝像頭，識別機制也有超聲波和圖像視覺兩種。也就是說，除了常規的超聲波模塊以外，5個方向上還專門放置了攝像頭用于獲取視覺圖像，然后直接傳輸到機載的l處理器進行計算處理。

（3）電子地圖。當飛行目標區域被模型化為一張精確的三維立體地圖，借助GPS等導航系統，就可以能夠實現避開障礙物自主飛行。在無人機上預先載入目標區域的三維立體地圖，就能知道障礙物的具體位置，從而在飛行時候就提前避開它。而且在飛行的時候，無人機還可以從多條路徑中選擇出最優路徑，這樣可以大大加快任務效率。隨著精確度的提升，無人機運用三維立體地圖實現避障，還是指日可待。

2.3 跟蹤技術

（1）視覺跟蹤。可以理解成用攝像頭代替人眼和傳感器結合計算機模擬大腦，來得到物體在三維空間的位置，進而識別物體、判斷物體的運動狀態，這也是人工智能中的不可或缺的部分之一，是無人機實現自主操作的核心技術，包括了障礙物識別、自主導航、飛行姿態矯正等多個方面，和高通Cargo無人機平臺，以及應用在AscTec的Firefly無人機上的英特爾RealSense3D相機系統類似。目前在大疆Phantom4等先進機型上這些技術都已經有所體現。

（2）多傳感器追蹤技術。多傳感器追蹤技術相比于單純圖像追蹤的優勢，首先在于多樣，除了能夠在身后跟飛，當人朝向飛機運動的時候，也能很好的進行追蹤。其次，知道飛機和信號發射器的相對和絕對速度，也可以更好地進行控制。還有就是基于圖像識別如果人和背景顏色反差很小就難以判斷，但帶有多傳感器追蹤技術的無人機可以知道人的大概位置，快速收斂到圖像中的一小片區域對人進行再搜索和識別。

3 結束語

無人機領域在近幾年的升級中，各種概念和技術推陳出新。本文對市場流行的無人機技術和概念進行了多方面的總結了，即使技術發展迅速，無人機的仍存在諸多限制，如何在技術上對無人機的推廣進行改善，仍然是研發團隊需要努力的方向。

收稿日期：2018-9-6