淺談無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)支持

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

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)技術(shù)；現(xiàn)狀；算法

1 無(wú)人機(jī)的概念

1.1 無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”（UAV），是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自身的程序控制裝置操縱的無(wú)人飛行器。它具有體積小、造價(jià)低廉、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前無(wú)人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)、植物保護(hù)、快遞運(yùn)輸、抗震救災(zāi)、觀察野生動(dòng)物、監(jiān)控傳染病、新聞報(bào)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(wú)人機(jī)的用途，多數(shù)國(guó)家都在積極擴(kuò)展其行業(yè)應(yīng)用并致力研發(fā)無(wú)人機(jī)技術(shù)。

1.2 無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)可以說(shuō)是推動(dòng)無(wú)人機(jī)發(fā)展的基本動(dòng)力。無(wú)人機(jī)最早在20世紀(jì)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(wú)線電操縱的小型飛機(jī)。而世界第一架無(wú)人機(jī)誕生于1917年，無(wú)人機(jī)真正投入作戰(zhàn)始于越南戰(zhàn)爭(zhēng)，在當(dāng)時(shí)主要用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察。

從20世紀(jì)50～60年代開始，美國(guó)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(wú)人偵察機(jī)，它們先后在越南戰(zhàn)爭(zhēng)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)和對(duì)阿富汗的軍事行動(dòng)中大展身手。

而中國(guó)無(wú)人機(jī)研制始于20世紀(jì)五六十年代，逐步改良形成了“長(zhǎng)空一號(hào)”、靶機(jī)等系列，值得一提的是“長(zhǎng)空一號(hào)”作為一架大型噴氣式無(wú)線電遙控高亞音速飛機(jī)，不僅開創(chuàng)了我國(guó)無(wú)人機(jī)先河，還在此基礎(chǔ)上被改裝成核試驗(yàn)取樣機(jī)，于1977年圓滿完成了一次核試驗(yàn)穿云取樣任務(wù)。

1.3 無(wú)人機(jī)的研究方向

1）續(xù)航問(wèn)題

愛好無(wú)人機(jī)的朋友們應(yīng)該對(duì)這一點(diǎn)十分了解，在無(wú)人機(jī)的使用方面，目前最大的難題就是電池能源儲(chǔ)存所帶來(lái)的限制，現(xiàn)有電池的動(dòng)力嚴(yán)重不足，甚至都沒(méi)辦法讓無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)技術(shù)無(wú)法取得重大進(jìn)展的重要因素之一。科學(xué)家們正試圖生產(chǎn)處更有效的電池，使得無(wú)人機(jī)可以在空中飛行很長(zhǎng)時(shí)間。

2）導(dǎo)航

無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)也同樣是一個(gè)需要投入大量精力的技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)今，GPS被應(yīng)用在指揮無(wú)人機(jī)的飛行方面，但這項(xiàng)技術(shù)有以下幾點(diǎn)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(shí)候，復(fù)雜的地形會(huì)給無(wú)人機(jī)的路程設(shè)計(jì)產(chǎn)生極大的干擾。為了防止這樣的問(wèn)題，科研人員們正在努力為GPS設(shè)計(jì)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(wèn)題時(shí)，無(wú)人機(jī)依舊能夠完成工作。

3）控制系統(tǒng)

目前的無(wú)人機(jī)，在飛行過(guò)程中很容易受到其他因素的干擾，因此控制技術(shù)將會(huì)是無(wú)人機(jī)突破的關(guān)鍵。這些技術(shù)主要體現(xiàn)在無(wú)人機(jī)受到不同元素影響時(shí)所表現(xiàn)出的應(yīng)變能力：如超速，云雨和復(fù)雜地形等。沒(méi)有這些技術(shù)的支持，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)的管理將會(huì)十分困難。為了讓無(wú)人機(jī)操控人員能通過(guò)控制系統(tǒng)更輕松地控制無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)，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(duì)于無(wú)人駕駛飛機(jī)而言十分重要。如果客機(jī)失去了和指揮部的通訊，將無(wú)法導(dǎo)航與降落，如同盲人一般。這對(duì)于無(wú)人機(jī)操縱人員也是一樣的，與無(wú)人機(jī)取得聯(lián)絡(luò)，并做出必要的指令，才能使無(wú)人機(jī)正常工作。不過(guò)迄今為止，交互技術(shù)仍處于只是與無(wú)人機(jī)保持簡(jiǎn)單聯(lián)系的狀況。

1.4 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

1）快遞

我國(guó)因早年大量修建高速公路的成果，交通十分發(fā)達(dá)，使得快遞在陸地上也能十分便利。但對(duì)于區(qū)域劃分復(fù)雜，經(jīng)常需要跨國(guó)運(yùn)輸?shù)臍W洲來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)是運(yùn)送物資的最好方式。德國(guó)DHL公司就使用無(wú)人機(jī)，來(lái)向人煙稀少的小島運(yùn)送物資。DHL在沒(méi)有惡劣天氣干擾的情況下，每天運(yùn)輸兩次，主要運(yùn)輸藥品、緊缺商品等急用物資。無(wú)人機(jī)運(yùn)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(fèi)的時(shí)間。無(wú)人機(jī)還可利用GPS和視頻等方式對(duì)住址進(jìn)行定位，即便是在建筑密集的高層樓宇，讓無(wú)人機(jī)從窗戶進(jìn)入用戶家中也不是問(wèn)題。

2）災(zāi)難救援

無(wú)人機(jī)還可以用于災(zāi)難救援，比如為不幸溺水者運(yùn)輸救生圈。無(wú)人機(jī)還可以代替人們進(jìn)入一些危險(xiǎn)區(qū)域來(lái)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(xiǎn)的事情。無(wú)人機(jī)還可以將食物、藥品和其他急用物資及時(shí)地送往交通不便的偏遠(yuǎn)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(duì)于反恐部隊(duì)來(lái)說(shuō)，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(shí)可能奪人性命。為此，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局正在開發(fā)“輕量快速自主”（FLA）無(wú)人機(jī)，可對(duì)建筑物內(nèi)的樓梯、走廊，以及障礙物進(jìn)行全方位搜索。這種智能自主無(wú)人機(jī)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(guò)一個(gè)洞口并在復(fù)雜的室內(nèi)自由穿梭。

2 無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，以深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為首的無(wú)人機(jī)企業(yè)在世界范圍內(nèi)的行業(yè)地位越來(lái)越高，從而也帶動(dòng)了一批杰出的科技創(chuàng)新型企業(yè)也躋身于無(wú)人機(jī)的研發(fā)當(dāng)中。

大疆是一家總部位于中國(guó)深圳的無(wú)人機(jī)制造廠商，成立于2006年。該公司生產(chǎn)的DJI無(wú)人機(jī)被廣泛運(yùn)用于航拍，并且很受專業(yè)及業(yè)余級(jí)攝影師們的青睞。其產(chǎn)品線涵蓋中端價(jià)位的Phantom以及高端市場(chǎng)絕對(duì)王者的Inspire系列。endprint

一架無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由地面站、飛機(jī)、鏈路三個(gè)核心部分組成。無(wú)人機(jī)地面站是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對(duì)無(wú)人機(jī)的地面控制和管理。飛機(jī)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的主體，而它的核心組件是其飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控），它是飛行器穩(wěn)定飛行的保證。鏈路主要負(fù)責(zé)飛機(jī)與地面站之間的通訊，通過(guò)多種通信方式將飛機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲?，并可以將地面站發(fā)出的控制信號(hào)傳給飛機(jī)，從而使得無(wú)人機(jī)按照既定的指令飛行。

2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)大放異彩的同時(shí)，較國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)起步更早的國(guó)外無(wú)人機(jī)企業(yè)，更加值得我們關(guān)注和研究。

法國(guó)：比大疆成立早12年的Parrot公司是一家總部位于法國(guó)巴黎的無(wú)人機(jī)及無(wú)線產(chǎn)品制造商。派諾特設(shè)計(jì)、研發(fā)和銷售與智能手機(jī)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的身影。

美國(guó)：作為北美最大的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)廠商，3D Robotics公司主要致力于制造開源無(wú)人駕駛飛行器（UAV），目前其全球客戶數(shù)量超過(guò)3萬(wàn)。3D Robotics早期主要銷售組裝無(wú)人機(jī)的成套組件?，F(xiàn)在，該公司有從入門級(jí)到商用級(jí)的多種型號(hào)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，搭載了航拍、視頻拍攝、測(cè)繪、3D建模等多種功能，有些無(wú)人機(jī)還支持預(yù)先規(guī)劃航線或針對(duì)特定人物的追蹤跟拍。

3 無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)無(wú)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(dá)到這個(gè)目的需要精密的硬件和高效的算法，這在無(wú)人機(jī)的任何發(fā)展階段都是繞不開的問(wèn)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(xiàng)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(xiàng)目。

（2）多信息源定位

英國(guó)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(jī)、Wi-Fi等等信息定位，彌補(bǔ)GPS的不足。

3.1.3 測(cè)速技術(shù)

目前公認(rèn)的比較精確的測(cè)速方案是將“視覺(jué)（光流）”、“超聲波”以及“慣導(dǎo)”結(jié)合。AR.Drone是最早采用該項(xiàng)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(wú)人機(jī)識(shí)別飛行路徑上的障礙物，并準(zhǔn)確繞飛或懸停，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)智能化的重要一步。恰好備受關(guān)注的國(guó)內(nèi)三家無(wú)人機(jī)廠商最近都分別使用到了不同的無(wú)人機(jī)避障技術(shù)。

（1）零度Xplorer 2：激光雷達(dá)TOF（Time of flight）測(cè)距，是指利用飛行時(shí)間法3D成像，通過(guò)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(guò)探測(cè)光脈沖的飛行往返時(shí)間來(lái)測(cè)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(dòng)立體成像原理”，模仿了人眼的視差，通過(guò)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(lái)計(jì)算出3D圖像中的“深度”信息。

3.2 交互技術(shù)

1）手勢(shì)控制技術(shù)

手勢(shì)交互是一種未來(lái)的人機(jī)交互趨勢(shì)，目前在精確度上存在挑戰(zhàn)。在CES2014的展場(chǎng)上，有利用MYO手勢(shì)控制臂帶來(lái)控制AR.Drone2.0四旋翼的演示。

2）腦機(jī)接口技術(shù)

近年來(lái)，科研人員在多個(gè)領(lǐng)域都運(yùn)用到了BCI（Brain Computer Interface）腦機(jī)接口技術(shù)）技術(shù)，各類科技公司運(yùn)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(duì)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(yàn)證性質(zhì)的技術(shù)展示，離實(shí)際還有不少距離。

3）體感控制技術(shù)

體感控制包括手勢(shì)和姿態(tài)，類似于PS4等游戲機(jī)上的體感控制，有著直觀、易學(xué)、易操作等特點(diǎn)。隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展，人機(jī)交互越來(lái)越成為科研人員研究的重點(diǎn)，Kinect傳感器作為人機(jī)交互的中介，自然會(huì)被應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的控制中來(lái)。

Kinect傳感器由Microsoft公司于2010年推出，可以同時(shí)獲取彩色圖像數(shù)據(jù)和深度圖像數(shù)據(jù)，支持實(shí)時(shí)的全身骨骼跟蹤，獲取人體骨架的20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)[2]。同時(shí)，Kinect SDK允許開發(fā)者借助Visual Studio 2010進(jìn)行相關(guān)開發(fā)，通過(guò)相關(guān)算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人體的動(dòng)作識(shí)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(wú)人機(jī)聯(lián)盟組織聯(lián)合舉辦了4G聯(lián)盟與無(wú)人機(jī)聯(lián)盟交流研討會(huì)，旨在加強(qiáng)北京4G聯(lián)盟和無(wú)人機(jī)聯(lián)盟之間的技術(shù)交流，尋找無(wú)人機(jī)機(jī)載載荷與4G設(shè)備儀器的聚焦，以促進(jìn)北京市IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2015年，中國(guó)移動(dòng)開發(fā)4G“超級(jí)空戰(zhàn)隊(duì)”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(wú)線通訊行業(yè)的一個(gè)新的里程碑。雖說(shuō)現(xiàn)在并未看到其廣泛應(yīng)用，但未來(lái)無(wú)論是智能手機(jī)，還是汽車、醫(yī)療設(shè)備、無(wú)人機(jī)或其他設(shè)備，都將受益于這一無(wú)線連接速度。

2）Wifi通訊技術(shù)

2013年，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院開發(fā)出了一項(xiàng)新的無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù)，打破了之前最快的WiFi速度紀(jì)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(jìng)爭(zhēng)力來(lái)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?yàn)檫@些技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的無(wú)人機(jī)將會(huì)躍向一個(gè)新的高度。以史為鑒，我們不難發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)發(fā)展有幾個(gè)大致方向：更精密的算法使它們變得越來(lái)越智能，而多項(xiàng)尖端科技的加持，減輕了無(wú)人機(jī)駕駛員在操作無(wú)人機(jī)時(shí)的負(fù)擔(dān)，使得無(wú)人機(jī)更加“來(lái)去自如”。而無(wú)人機(jī)的高速發(fā)展與科研人員的定向研究必將會(huì)使它們的成本變低，未來(lái)無(wú)人機(jī)將會(huì)步入普通家庭，成為民用的攝影、探索利器。

參考文獻(xiàn)

[1]趙毓. 基于群體智能算法的無(wú)人機(jī)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(guó)棟. 基于Kinect的四旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(jiǎn)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