徐浩博

（山西省晉中市榆次一中，榆次 030600）

論述無人機的“5S”趨勢與技術(shù)挑戰(zhàn)

徐浩博

（山西省晉中市榆次一中，榆次 030600）

隨著工業(yè)4.0時代的到來，無人機逐漸步入人們的生活，本文提出無人機的“5S”發(fā)展趨勢，總結(jié)其發(fā)展現(xiàn)狀和主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，對未來無人機的研發(fā)方向具有一定的參考價值。

無人機；“5S”趨勢；技術(shù)挑戰(zhàn)；研發(fā)方向

1 引言

無人機是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的“空中機器人”，或由車載計算機等地面站完全或間歇地自主操作[1]。近年來，隨著科技的迅速發(fā)展，無人機已漸漸融入人們生活，其日益豐富的行業(yè)應(yīng)用給社會帶來巨大價值，由此也成為社會關(guān)注的焦點和眾多研發(fā)團(tuán)隊的研發(fā)方向。

2 無人機的研發(fā)現(xiàn)狀

近年來，無人機的研發(fā)熱潮已在全球范圍內(nèi)興起，全世界有多達(dá)57個國家研制和發(fā)展無人機，種類共有1,000多種，其中有400多種已成為無人機產(chǎn)品[2]。無人機概念源自于軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，在該領(lǐng)域以美國和以色列水平最高、起步最早、技術(shù)最成熟[2]。國內(nèi)無人機在軍事領(lǐng)域的發(fā)展與美國等無人機強國比還存在一定的差距，但經(jīng)過不懈努力已取得長足進(jìn)展，研發(fā)出“翼龍”無人機，“彩虹四號”無人機等已實現(xiàn)偵查打擊一體化的實戰(zhàn)無人機[3]。

隨著軍民融合的大趨勢，無人機的應(yīng)用慢慢進(jìn)入到民用領(lǐng)域，形成了一個龐大的新興市場。我國民用無人機行業(yè)發(fā)展迅速，其技術(shù)水平已上升到世界前列，以消費級無人機為例，大疆無人機已占據(jù)國際消費級航拍市場的90%左右，毫無疑問成為該行業(yè)的“領(lǐng)頭羊”。

無人機由于其不存在人體生理限制和健康損傷問題，易于執(zhí)行枯燥、危險和污染環(huán)境下的任務(wù)，并且機動性強，可搭載多類傳感器，實現(xiàn)影像實時傳輸。當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域已顯現(xiàn)出“無人機+行業(yè)應(yīng)用”的蓬勃發(fā)展勢頭，顯現(xiàn)出其廣泛的應(yīng)用前景。

3 無人機“5S”趨勢

美國國家工程院院士Vijay Kumar在2016年的全球人工智能與機器人峰會上提出無人機發(fā)展的“5S”趨勢，即“Small，Safe，Smart，Speed，Swarms”。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前無人機發(fā)展的最新趨勢，創(chuàng)新性地提出并闡釋了新的“5S”趨勢，即“Small，Safe，Smart，Special-purpose，Swarms”。

3.1 Small（小型化）

為適應(yīng)復(fù)雜或未知的勘探環(huán)境、偵測環(huán)境，無人機小型化成為一重要發(fā)展趨勢。小型化無人機操作簡便靈活，使用成本低，具有較強的機動性和低空飛行優(yōu)勢[2]，在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時可以大顯身手，無論軍用還是民用領(lǐng)域都有很大發(fā)展空間。

3.2 Safe（安全性）

安全性主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是其作為自動化產(chǎn)品在運行過程中對人身造成的安全隱患。以多旋翼無人機為例，帶動其螺旋槳的無刷電機額定轉(zhuǎn)數(shù)往往在3000rmp以上。高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳如同鋒利的刀片，對人身安全造成很大威脅。出于這種考慮，很多團(tuán)隊開始著手提高無人機的安全性。英國一初創(chuàng)團(tuán)隊開發(fā)了一種安全無人機“Droneball”，在多旋翼外安裝金屬網(wǎng)框，規(guī)避風(fēng)險。

另一方面是其自身的隱蔽性和智能化帶來的信息安全隱患，即存在侵犯個人隱私和竊取機密文件等方面的隱患。因此，無人機的行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)必須執(zhí)行，國家需頒布相關(guān)法律法規(guī)，盡快推行消費級無人機的實名注冊，來確保無人機行業(yè)的健康發(fā)展。

3.3 Smart（智能化）

隨著近年來人工智能的發(fā)展，無人機的智能化程度越來越高。主要發(fā)展方向有：借助機器視覺或雷達(dá)感知技術(shù)實現(xiàn)自動避障功能；通過視覺定位和圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)特定目標(biāo)的跟蹤拍攝功能（如英特爾實感技術(shù)）；提高算法成熟度，實現(xiàn)完全自主控制的定點起落功能等。[4]

3.4 Special-purpose（專業(yè)化）

民用無人機市場的興起，使得無人機行業(yè)分類逐漸細(xì)化，呈現(xiàn)出專業(yè)化的發(fā)展趨勢。例如，民用無人機可分為物流無人機（以順豐，京東為代表），航拍無人機（以大疆為代表），農(nóng)林植保無人機（以極飛為代表），巡線無人機等。京東和順豐先后于2017年6月進(jìn)行了物流無人機的試飛，亞馬遜物流中心也針對無人機物流服務(wù)申請了相關(guān)專利。

3.5 Swarms（集群化）

無人機集群化即利用多架無人機協(xié)同工作，模仿自然界的群體現(xiàn)象，各自執(zhí)行一定的任務(wù)，最終實現(xiàn)工作目的。集群化使得每個無人機個體都成為一個獨立工作平臺，將功能分布化，通過個體間通訊實現(xiàn)協(xié)同工作，使得系統(tǒng)效益倍增，往往可以完成單一個體難以完成的復(fù)雜任務(wù)。單一個體受損后，不會影響其他環(huán)節(jié)正常工作，提高了體系生存率。在軍事領(lǐng)域，集群化增加了敵方的防御成本，為我方帶來巨大優(yōu)勢[5]。

4 無人機發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 穩(wěn)定性對算法復(fù)雜度的要求

無人機的核心部件是其飛行控制模塊，需要設(shè)計相關(guān)算法對其飛行姿態(tài)進(jìn)行實時控制。飛控算法的優(yōu)劣直接決定了無人機飛行的穩(wěn)定性，消費級無人機對穩(wěn)定性有很高的要求，飛控算法越好，無人機越容易實現(xiàn)穩(wěn)定飛行，航拍的質(zhì)量也就越高，用戶體驗感更好。現(xiàn)有的典型算法包括PID控制算法，模糊控制算法等，但仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2 硬件電路存在挑戰(zhàn)

無人機的小型化對其硬件集成度提出更高要求。目前，高通和英特爾等芯片商都針對消費級無人機設(shè)計了控制平臺，將控制芯片集成在撲克牌大小的電路板上，節(jié)省了大量空間。此外，用于航拍等用途的無人機需要短延遲甚至無延遲的圖像傳輸和數(shù)據(jù)傳輸，對圖/數(shù)傳模塊和處理器的速度有較高要求，構(gòu)成了硬件電路設(shè)計上的技術(shù)挑戰(zhàn)。

4.3 多機協(xié)同工作存在的問題

多機協(xié)同工作，即無人機集群化的工作形式，現(xiàn)階段還存在很多問題亟待解決。歸結(jié)為以下幾點：

⊙ 任務(wù)分配和軌跡規(guī)劃停留在實驗室階段，對復(fù)雜環(huán)境下的無人機編隊實時協(xié)同工作還未實現(xiàn)。

⊙ 現(xiàn)階段多機協(xié)同的編隊方法大部分實現(xiàn)了2維編隊，即在同一平面內(nèi)協(xié)同飛行，對于三維立體編隊的控制策略有待提高。

⊙ 編隊間的通訊研究存在缺陷，未來要實現(xiàn)無人機與其他平臺的互聯(lián)互通。

⊙ 利用無人機群的多傳感器進(jìn)行協(xié)同感知，從而擴(kuò)大其感知范圍，實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)，目前尚未實現(xiàn)，會成為未來一研發(fā)重點。

5 結(jié)束語

本文立足于當(dāng)前無人機高速發(fā)展的科技背景，總結(jié)并闡述了無人機研發(fā)現(xiàn)狀，重新定義了無人機發(fā)展的“5S”趨勢并做出創(chuàng)新性的說明，提出無人機現(xiàn)階段主要的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢，對未來無人機的研發(fā)方向具有一定的參考性。無人機作為集機械、電子為一身的智能化終端產(chǎn)品，存在巨大的應(yīng)用價值和研發(fā)潛力。該產(chǎn)品未來具有很大的發(fā)展空間，將會在軍事和民用等諸多領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。

[1] 牛軼峰，肖湘江，柯冠巖．無人機集群作戰(zhàn)概念及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]．國防科技，2013, 34(5):37-43

[2] 陶于金，李沛峰．無人機系統(tǒng)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]．航空制造技術(shù)，2014, 464(20):34-39

[3] 景巖．無人機發(fā)展綜述[J]．才智，2013(16):189

[4] 張濤，蘆維寧，李一鵬．智能無人機綜述[J]．航空制造技術(shù)，2013,432(12):32-35

[5] 宗群，王丹丹，邵士凱等．多無人機協(xié)同編隊飛行控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017, 49(3):1-14

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.023

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）10-0060-02