無人機(jī)新技術(shù)及其發(fā)展分析

摘 要：當(dāng)前，無人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模正在以一種不可思議的速度擴(kuò)增，各種無人機(jī)新技術(shù)涌現(xiàn)。另一方面諸如5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，更快的連接速度將使無人機(jī)在救援、物流等方面工作時(shí)速度更快，新技術(shù)的提升也有助于無人機(jī)避障與跟蹤反應(yīng)技術(shù)的升級(jí)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；新技術(shù)；反應(yīng)技術(shù)；升級(jí)

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）29-0054-02

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩。尤其是民用無人機(jī)，發(fā)展方向包含了警用、巡線、農(nóng)林植保、航拍、快遞和科研，這對(duì)無人機(jī)的智能化、多任務(wù)化提出更高的要求。無人機(jī)的新技術(shù)發(fā)展總結(jié)起來體現(xiàn)在4個(gè)方面，飛控系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)，數(shù)據(jù)鏈。這些發(fā)展使得無人機(jī)在機(jī)身平臺(tái)、平臺(tái)任務(wù)、以及導(dǎo)航技術(shù)上有了新的突破。

1 無人機(jī)平臺(tái)新技術(shù)發(fā)展分析

1.1 基于增強(qiáng)續(xù)航能力的能源與動(dòng)力技術(shù)

無人機(jī)目前所受到的最大限制無人機(jī)發(fā)展就是續(xù)航能力，大多數(shù)消費(fèi)級(jí)多旋翼續(xù)航時(shí)間基本在20min左右，若是進(jìn)行外出長(zhǎng)時(shí)飛行不得不攜帶多塊電池備用，且鋰電池的重量對(duì)飛行系統(tǒng)也有影響，這對(duì)任務(wù)作業(yè)造成了極大的不便。無人機(jī)必須在動(dòng)力方面實(shí)現(xiàn)突破才能走上新的革命性高度。

（1）太陽能無人機(jī)。在陽光充足的時(shí)候，通過太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為可以向動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備及機(jī)體載荷供能的電能。在實(shí)際中，太陽能無人機(jī)數(shù)10km的飛行高度、長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的巡航能力也使得其成為世界強(qiáng)國(guó)的聚焦點(diǎn)。我國(guó)的彩虹系列太陽能無人機(jī)，近年來異軍突起，成為這一領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力的選手。

（2）激光充電技術(shù)。應(yīng)用激光代替太陽光對(duì)無人機(jī)進(jìn)行非接觸的遠(yuǎn)程充電成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。激光技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用通常是與防空、反導(dǎo)及致盲等硬殺傷系統(tǒng)和效能聯(lián)系起來的，但實(shí)際上，激光技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)、能量傳輸?shù)绕渌矫嬉灿邪l(fā)揮作用。早在2012年7月，美國(guó)動(dòng)力公司就研發(fā)了一種利用光纖供電系統(tǒng)，通過攜帶自由電子的激光波束對(duì)長(zhǎng)距離設(shè)備進(jìn)行能量傳輸。而且這項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)通過了一系列的測(cè)試，并被驗(yàn)證了可行性。

（3）無線充電。在現(xiàn)實(shí)中，無線充電技術(shù)僅僅針對(duì)智能手機(jī)、電動(dòng)牙刷等產(chǎn)品，無線充電的距離受到限制，而最近的研究團(tuán)隊(duì)將無線充電技術(shù)應(yīng)用在更長(zhǎng)的距離內(nèi)，面向無人機(jī)傳輸能量。無線充電，又稱非接觸式感應(yīng)充電，是利用近場(chǎng)感應(yīng)，即電感耦合，由供電設(shè)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(xiàng)技術(shù)已發(fā)展多年，但此前還沒有應(yīng)用到無人機(jī)這樣的飛行載體上。

（4）無人機(jī)新型電池。將易燃液體電解質(zhì)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(tǒng)鋰離子電池的2倍，但其缺點(diǎn)是只能重復(fù)充電200次（傳統(tǒng)電池重復(fù)次數(shù)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(tǒng)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(jī)體平臺(tái)與平臺(tái)/任務(wù)一體化技術(shù)

隨著無線電技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)可以執(zhí)行的任務(wù)也越來越復(fù)雜，可以應(yīng)用的場(chǎng)合也越來越多樣。

（1）軟機(jī)翼無人機(jī)。美國(guó)Challenger航宇集團(tuán)2017年9月公開的一種名為Avina的獨(dú)特?zé)o人機(jī)系統(tǒng)，該無人機(jī)采用的是軟機(jī)翼，配備沖壓式翼傘。軟機(jī)翼可以降低平臺(tái)的單位有效載荷成本，延長(zhǎng)飛行時(shí)間。

（2）傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影通過低空多位鏡頭獲取影像數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件自動(dòng)生成三維地理信息模型的技術(shù)手段。這種手段在測(cè)繪行業(yè)得到極大認(rèn)可，它快速實(shí)現(xiàn)地理信息的獲取，并且效率高、成本低、數(shù)據(jù)精確、操作靈活、側(cè)面信息可用。通過結(jié)合先進(jìn)的定位技術(shù)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(diǎn)是光譜分辨率高、波段范圍窄、圖譜合一、連續(xù)成像等，對(duì)于只有細(xì)微差別的光譜也能感受到。無人機(jī)通過搭載高光譜遙感相機(jī)，使用空間信息技術(shù)來獲取信息。無人機(jī)高光譜可用于不同類型植被的遙感監(jiān)測(cè)。

（4）激光雷達(dá)技術(shù)。無人機(jī)激光雷達(dá)是一種新興的技術(shù)手段，現(xiàn)廣泛用于電力行業(yè)，可直觀的展示和還原電力線路實(shí)際情況、對(duì)導(dǎo)線與周圍物體的距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)等，是保障電網(wǎng)設(shè)備安全的有效手段，但其應(yīng)用卻一直處于探索階段。

2 無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展

2.1 定位測(cè)速技術(shù)

（1）GPS載波相位定位。GPS載波相位定位是一種基于RTK技術(shù)的定位方法。RTK全稱是載波相位差分技術(shù)，是軍事上常用的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的GPS定位，它能夠讓航行達(dá)到厘米級(jí)別的精度，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的避障和定位，很適合動(dòng)態(tài)的位置捕捉。

（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。通過利用幾百個(gè)不同的已有信號(hào)，它便能夠進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

（3）UWB（Ultra Wide band，超寬帶）無線定位。超寬帶定位系統(tǒng)通常包括UWB接收器、參考標(biāo)簽和其他標(biāo)簽。超寬帶技術(shù)通過發(fā)送納秒級(jí)及其以下的超窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，可以獲得GHz級(jí)的數(shù)據(jù)帶寬，發(fā)射功率較低，無載波。因?yàn)槠涓邘?，理論上基于TOA或TDOA方法實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位。

（4）“慣性+多傳感器+GPS+光電導(dǎo)航系統(tǒng)”。在室內(nèi)外復(fù)雜條件下的精準(zhǔn)懸停技術(shù)，組合導(dǎo)航技術(shù)，結(jié)合GPS、慣性測(cè)量元件、地磁指南針和氣壓計(jì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過處理電子信號(hào)、融合多種傳感器的測(cè)量值，獲得較為準(zhǔn)確的飛行器狀態(tài)量的測(cè)量。無人機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)中如GPS導(dǎo)航為分非自主導(dǎo)航，也有自主導(dǎo)航如慣性導(dǎo)航，但都存在分諸如易受干擾和誤差積累增大的缺點(diǎn)，所以高精度、高抗干擾性能的多種導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合的“慣性+多傳感器+GPS+光電導(dǎo)航系統(tǒng)”將是未來發(fā)展的方向。未來無人機(jī)對(duì)障礙回避、物資或武器投放、自動(dòng)進(jìn)場(chǎng)著陸等功能的要求也會(huì)更加嚴(yán)格。AR.Drone是最早采用該項(xiàng)技術(shù)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(xiàng)技術(shù)。

2.2 避障技術(shù)

（1）紅外線或激光測(cè)距避障。該技術(shù)檢測(cè)方法有兩種：①光的時(shí)間；②光的相位。但是和超聲波一樣，光波會(huì)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(duì)避障系統(tǒng)造成干擾，就需要進(jìn)一步的非常精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量，這可能就需要專業(yè)級(jí)處理芯片，價(jià)格則較為高昂。

（2）視覺圖像復(fù)合型技術(shù)。智能避障系統(tǒng)“Guidance”就是典型的視覺圖像復(fù)合型技術(shù)。Guidance系統(tǒng)的前后左右下五個(gè)方向都有專門進(jìn)行障礙識(shí)別的攝像頭，識(shí)別機(jī)制也有超聲波和圖像視覺兩種。也就是說，除了常規(guī)的超聲波模塊以外，5個(gè)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?shù)綑C(jī)載的l處理器進(jìn)行計(jì)算處理。

（3）電子地圖。當(dāng)飛行目標(biāo)區(qū)域被模型化為一張精確的三維立體地圖，借助GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以能夠?qū)崿F(xiàn)避開障礙物自主飛行。在無人機(jī)上預(yù)先載入目標(biāo)區(qū)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(shí)候就提前避開它。而且在飛行的時(shí)候，無人機(jī)還可以從多條路徑中選擇出最優(yōu)路徑，這樣可以大大加快任務(wù)效率。隨著精確度的提升，無人機(jī)運(yùn)用三維立體地圖實(shí)現(xiàn)避障，還是指日可待。

2.3 跟蹤技術(shù)

（1）視覺跟蹤。可以理解成用攝像頭代替人眼和傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬大腦，來得到物體在三維空間的位置，進(jìn)而識(shí)別物體、判斷物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這也是人工智能中的不可或缺的部分之一，是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主操作的核心技術(shù)，包括了障礙物識(shí)別、自主導(dǎo)航、飛行姿態(tài)矯正等多個(gè)方面，和高通Cargo無人機(jī)平臺(tái)，以及應(yīng)用在AscTec的Firefly無人機(jī)上的英特爾RealSense3D相機(jī)系統(tǒng)類似。目前在大疆Phantom4等先進(jìn)機(jī)型上這些技術(shù)都已經(jīng)有所體現(xiàn)。

（2）多傳感器追蹤技術(shù)。多傳感器追蹤技術(shù)相比于單純圖像追蹤的優(yōu)勢(shì)，首先在于多樣，除了能夠在身后跟飛，當(dāng)人朝向飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，也能很好的進(jìn)行追蹤。其次，知道飛機(jī)和信號(hào)發(fā)射器的相對(duì)和絕對(duì)速度，也可以更好地進(jìn)行控制。還有就是基于圖像識(shí)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(shù)的無人機(jī)可以知道人的大概位置，快速收斂到圖像中的一小片區(qū)域?qū)θ诉M(jìn)行再搜索和識(shí)別。

3 結(jié)束語

無人機(jī)領(lǐng)域在近幾年的升級(jí)中，各種概念和技術(shù)推陳出新。本文對(duì)市場(chǎng)流行的無人機(jī)技術(shù)和概念進(jìn)行了多方面的總結(jié)了，即使技術(shù)發(fā)展迅速，無人機(jī)的仍存在諸多限制，如何在技術(shù)上對(duì)無人機(jī)的推廣進(jìn)行改善，仍然是研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要努力的方向。

收稿日期：2018-9-6