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

關(guān)鍵詞：無人機技術(shù)；現(xiàn)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(shè)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(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力較強等優(yōu)點。目前無人機在航拍、農(nóng)業(yè)、植物保護、快遞運輸、抗震救災(zāi)、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、新聞報道、電力巡檢、影視拍攝等領(lǐng)域的應(yīng)用，大大拓展了軍用出身的無人機的用途，多數(shù)國家都在積極擴展其行業(yè)應(yīng)用并致力研發(fā)無人機技術(shù)。

1.2 無人機的發(fā)展歷程

現(xiàn)代戰(zhàn)爭可以說是推動無人機發(fā)展的基本動力。無人機最早在20世紀20年代出現(xiàn)，在1914年第一次世界大戰(zhàn)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(zhàn)始于越南戰(zhàn)爭，在當(dāng)時主要用于戰(zhàn)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(zhàn)略無人偵察機，它們先后在越南戰(zhàn)爭，海灣戰(zhàn)爭，科索沃戰(zhàn)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(chuàng)了我國無人機先河，還在此基礎(chǔ)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(wù)。

1.3 無人機的研究方向

1）續(xù)航問題

愛好無人機的朋友們應(yīng)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(xiàn)有電池的動力嚴重不足，甚至都沒辦法讓無人機持續(xù)飛行上30分鐘，電池能源的這一道難關(guān)是當(dāng)下無人機技術(shù)無法取得重大進展的重要因素之一?？茖W(xué)家們正試圖生產(chǎn)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(dǎo)航

無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)也同樣是一個需要投入大量精力的技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)今，GPS被應(yīng)用在指揮無人機的飛行方面，但這項技術(shù)有以下幾點不足：GPS在地形復(fù)雜的環(huán)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(qū)域的時候，復(fù)雜的地形會給無人機的路程設(shè)計產(chǎn)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(shè)計提供某種目的的備份技術(shù)工作。以確保即使GPS出現(xiàn)了很大的問題時，無人機依舊能夠完成工作。

3）控制系統(tǒng)

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(shù)將會是無人機突破的關(guān)鍵。這些技術(shù)主要體現(xiàn)在無人機受到不同元素影響時所表現(xiàn)出的應(yīng)變能力：如超速，云雨和復(fù)雜地形等。沒有這些技術(shù)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(tǒng)更輕松地控制無人機的運動，更好的控制系統(tǒng)也將成為研究的另一大要素，

4）通信系統(tǒng)

與其他任何飛行設(shè)備一樣，交互技術(shù)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(dǎo)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(lián)絡(luò)，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(shù)仍處于只是與無人機保持簡單聯(lián)系的狀況。

1.4 無人機的應(yīng)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(fā)達，使得快遞在陸地上也能十分便利。但對于區(qū)域劃分復(fù)雜，經(jīng)常需要跨國運輸?shù)臍W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(zāi)難救援

無人機還可以用于災(zāi)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(qū)域來尋找幸存者，如地震后的區(qū)域，或具有大量放射性元素的區(qū)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(zāi)區(qū)，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(zhàn)，陌生的街道、環(huán)伺的建筑物內(nèi)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(fā)“輕量快速自主”（FLA）無人機，可對建筑物內(nèi)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(xié)助以及與外界人工操控與通訊設(shè)備聯(lián)系的情況下，能夠以20m/s的飛行速度通過一個洞口并在復(fù)雜的室內(nèi)自由穿梭。

2 無人機的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，以深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為首的無人機企業(yè)在世界范圍內(nèi)的行業(yè)地位越來越高，從而也帶動了一批杰出的科技創(chuàng)新型企業(yè)也躋身于無人機的研發(fā)當(dāng)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(chǎn)的DJI無人機被廣泛運用于航拍，并且很受專業(yè)及業(yè)余級攝影師們的青睞。其產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的主體，而它的核心組件是其飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控），它是飛行器穩(wěn)定飛行的保證。鏈路主要負責(zé)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(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛嬲?，并可以將地面站發(fā)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(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)無人機大放異彩的同時，較國內(nèi)無人機起步更早的國外無人機企業(yè)，更加值得我們關(guān)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(chǎn)品制造商。派諾特設(shè)計、研發(fā)和銷售與智能手機和平板電腦相關(guān)的高科技應(yīng)用產(chǎn)品，并提供汽車制造和城市無人機領(lǐng)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(shù)量超過3萬。3D Robotics早期主要銷售組裝無人機的成套組件。現(xiàn)在，該公司有從入門級到商用級的多種型號無人機產(chǎn)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(yù)先規(guī)劃航線或針對特定人物的追蹤跟拍。

3 無人機涉及的技術(shù)領(lǐng)域

3.1 控制技術(shù)

3.1.1 導(dǎo)航技術(shù)

無人機無論作為民用還是軍用，都必須準(zhǔn)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(fā)展階段都是繞不開的問題。

3.1.2 定位技術(shù)

（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(fā)的Piksi； 日本東京海洋大學(xué)開發(fā)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(fā)的名為NAVSOP的定位技術(shù)。該技術(shù)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(shù)

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(dǎo)”結(jié)合。AR.Drone是最早采用該項技術(shù)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(shù)

讓飛行中的無人機識別飛行路徑上的障礙物，并準(zhǔn)確繞飛或懸停，是實現(xiàn)無人機智能化的重要一步。恰好備受關(guān)注的國內(nèi)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(shù)。

（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(biāo)連續(xù)發(fā)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(biāo)距離。

（2）昊翔Typhoon H：Realsense（單目+結(jié)構(gòu)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(shù)

1）手勢控制技術(shù)

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(zhàn)。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(shù)

近年來，科研人員在多個領(lǐng)域都運用到了BCI（Brain Computer Interface）腦機接口技術(shù)）技術(shù)，各類科技公司運用該技術(shù)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(shù)目前還不成熟。它可作為一種驗證性質(zhì)的技術(shù)展示，離實際還有不少距離。

3）體感控制技術(shù)

體感控制包括手勢和姿態(tài)，類似于PS4等游戲機上的體感控制，有著直觀、易學(xué)、易操作等特點。隨著信息時代的不斷發(fā)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(yīng)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(shù)據(jù)和深度圖像數(shù)據(jù)，支持實時的全身骨骼跟蹤，獲取人體骨架的20個關(guān)節(jié)點[2]。同時，Kinect SDK允許開發(fā)者借助Visual Studio 2010進行相關(guān)開發(fā)，通過相關(guān)算法設(shè)計實現(xiàn)人體的動作識別[2]。

3.3 通訊技術(shù)

1）4G/5G通訊技術(shù)

2013年6月17日，北京4G聯(lián)盟與無人機聯(lián)盟組織聯(lián)合舉辦了4G聯(lián)盟與無人機聯(lián)盟交流研討會，旨在加強北京4G聯(lián)盟和無人機聯(lián)盟之間的技術(shù)交流，尋找無人機機載載荷與4G設(shè)備儀器的聚焦，以促進北京市IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2015年，中國移動開發(fā)4G“超級空戰(zhàn)隊”設(shè)備，可以支持航拍影像即拍即傳。

而5G的速度比現(xiàn)在的LTE網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)連接速度快將近250倍，它開啟了無線通訊行業(yè)的一個新的里程碑。雖說現(xiàn)在并未看到其廣泛應(yīng)用，但未來無論是智能手機，還是汽車、醫(yī)療設(shè)備、無人機或其他設(shè)備，都將受益于這一無線連接速度。

2）Wifi通訊技術(shù)

2013年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院開發(fā)出了一項新的無線廣域網(wǎng)技術(shù)，打破了之前最快的WiFi速度紀錄，它可以讓1公里以內(nèi)的用戶每秒鐘下載40GB。由于這種設(shè)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(shè)備很適合無人機航拍的圖片上傳或光纖布放不方便的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用。

4 結(jié)論

無人機不論是從它的發(fā)展前景，理論技術(shù)還是從發(fā)展傳統(tǒng)汽車行業(yè)，增大行業(yè)競爭力來看都是非常具有研究潛力的。這些系統(tǒng)的出現(xiàn)離不開很多關(guān)鍵技術(shù)，也正是因為這些技術(shù)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(fā)現(xiàn)無人機發(fā)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(dān)，使得無人機更加“來去自如”。而無人機的高速發(fā)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(guī)劃研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(tǒng)，2015，（08）：99-102

[3]鄒湘伏，何清華，賀繼林. 無人機發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)[J]. 飛航導(dǎo)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(xué)校：陜西師范大學(xué)附屬中學(xué)。endprint