從無人機的發(fā)展探討未來的關鍵技術

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，主要是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。

無人機的起源

無人機最早是在20世紀20年代出現(xiàn)的，1914年第一次世界大戰(zhàn)中有人研制一種不用人駕駛，而用無線電操縱的小型飛機?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭是推動無人機發(fā)展的基本動力。世界第一架無人機誕生于1917年，而無人機真正投入作戰(zhàn)始于越南戰(zhàn)爭，主要用于戰(zhàn)場偵察。

1982年以色列與敘利亞在貝卡谷戰(zhàn)爭中，以色列使用無人機進行偵察、干擾、誘敵，無人機的作用再次被重視和開發(fā)。

1991年初的海灣戰(zhàn)爭中無人機已成為 “必須有”的戰(zhàn)場能力，六套先鋒無人機系統(tǒng)參戰(zhàn)。提供了高品質、近實時、全天時的偵察、監(jiān)視、目標捕獲、攔截和戰(zhàn)損評估。

科索沃戰(zhàn)爭是歷次戰(zhàn)爭中使用無人機架次最多的一次，也是發(fā)揮作用最大的一次。

1995年第一次俄羅斯車臣反恐戰(zhàn)爭和1999年第二次俄羅斯車臣反恐戰(zhàn)爭中，俄軍使用了無人偵察機對戰(zhàn)區(qū)進行偵察和監(jiān)視，尤其在第二次車臣戰(zhàn)爭中，俄軍的“蜜蜂”無人偵察機偵察了大量叛軍資料，為俄軍精確打擊提供準確資料。

前述戰(zhàn)爭中，無人機擔當?shù)闹饕莻刹斓慕巧?，在阿富汗?zhàn)爭中，美國用“捕食者”作為載機，發(fā)射了“AGM-114C”“海爾法”空地導彈，首次在實戰(zhàn)中實現(xiàn)了無人機發(fā)射導彈直接對地定點攻擊，進一步發(fā)展了作戰(zhàn)無人機的功能，也是對無人作戰(zhàn)飛機的實戰(zhàn)使用進行了驗證，真正開始了無人化戰(zhàn)爭的起步。

無人機的種類

按功能無人機可以分為軍用無人機和民用無人機兩大類。

軍用無人機又分為信息支援、信息對抗、火力打擊三大類；而民用無人機包括檢測巡視類無人機、通信中繼類無人機、遙感繪制類無人機和時敏目標打擊類無人機。本文重點討論民用無人機系統(tǒng)。

從技術角度，民用無人機一般可以分為：無人固定翼機）、無人直升機、無人多旋翼飛行器等。

1、固定翼無人機：

優(yōu)點：續(xù)航時間長、航程遠、飛行速度快、飛行高度高、負載能力強

缺點：起降受場地限制、不能在空中懸停

2、直升機無人機

優(yōu)點：載荷較大、可垂直起降、空中懸停、靈活性強

缺點：結構復雜、故障率高、維修成本高、續(xù)航時間短

3、多旋翼無人機

優(yōu)點：操作靈活、結構簡單、成本低、起降方便、可在空中懸停

缺點：續(xù)航時間短、負載能力弱、飛行速度慢

無人機主要硬件結構

1、芯片

一個高性能FPGA芯片就可以在無人機上實現(xiàn)雙CPU的功能，以滿足導航傳感器的信息融合，實現(xiàn)無人飛行器的最優(yōu)控制。

2、慣性傳感器

伴隨著應用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等設備廣泛應用，MEMS慣性傳感器開始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，成本和功耗也進一步降低。

3、WIFI等無線通信

wifi等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質量已經可以充分滿足幾百米的傳輸需求。

4、電池

電池能量密度不斷增加，使得無人機在保持較輕的重量下，續(xù)航時間能有25-30分鐘，達到可以滿足一些基本應用的程度，此外，太陽能電池技術使得高海拔無人機可持續(xù)飛行一周甚至更長時間。

5、云臺

安裝、固定攝像機的支撐設備，它要保證無人機在各種環(huán)境下做到穩(wěn)定拍攝。

6、飛機機體

包含螺旋槳、電機馬達、機體外殼等

7、相機等

包括4K、3D、高像素攝像頭等。

無人機主要系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為飛行器平臺、控制站與通訊鏈路。

飛行器平臺：包括飛行機體結構、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；

控制站：包括顯示系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)；

通訊鏈路：包括機載通訊與地面通訊。

1、飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是無人機的“駕駛員”，是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)。

飛控一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分，實現(xiàn)的功能主要有無人機姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機任務設備管理和應急控制三大類。其中，機身大量裝配的各種傳感器(包括角速率、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等)是飛控系統(tǒng)的基礎，是保證飛機控制精度的關鍵。未來要求無人機傳感器具有更高的探測精度、更高的分辨率，因此高端無人機傳感器中大量應用了超光譜成像、合成孔徑雷達、超高頻穿透等新技術。

現(xiàn)有飛控系統(tǒng)是開源與閉源系統(tǒng)的結合。國內優(yōu)秀的無人機廠商，為了提高系統(tǒng)的專業(yè)化，則大部分在開源系統(tǒng)的基礎上演化出自己的閉源系統(tǒng)。相比開源系統(tǒng)，無人機廠商自身的閉源系統(tǒng)加入了許多優(yōu)化算法、簡化了調參與線束，變得更加簡單易用。

2、導航系統(tǒng)

導航系統(tǒng)是無人機的“眼睛”，多技術結合是未來方向。

導航系統(tǒng)向無人機提供參考坐標系的位置、速度、飛行姿態(tài)，引導無人機按照指定航線飛行，相當于有人機系統(tǒng)中的領航員。

目前無人機所采用的導航技術主要有慣性導航、定位衛(wèi)星導航、地形輔助導航、地磁導航、多普勒導航等。

無人機載導航系統(tǒng)主要分非自主(GPS等)和自主(慣性制導)兩種，但分別有易受干擾和誤差積累增大的缺點，而未來無人機的發(fā)展要求障礙回避、物資或武器投放、自動進場著陸等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干擾性能，因此多種導航技術結合的“慣性 + 多傳感器 +GPS+ 光電導航系統(tǒng)”將是未來發(fā)展的方向。

3、動力系統(tǒng)

目前民用工業(yè)無人機以油動為主，消費級無人機以電動為主。

不同用途的無人機對動力裝置要求也不同。低速、中低空小型無人機傾向于活塞發(fā)動機，低速短距、垂直起降無人機傾向渦軸發(fā)動機，小型民用無人機則主要采用電動機、內燃機或噴氣發(fā)動機。

渦輪有望逐步取代活塞，新能源發(fā)動機提升續(xù)航能力。

專業(yè)級無人機目前廣泛采用的動力裝置為活塞式發(fā)動機，但活塞式只適用于低速低空小型無人機。隨著渦輪發(fā)動機推重比、壽命不斷提高、油耗降低，渦輪將取代活塞成為無人機的主力動力機型。

太陽能、氫能等新能源電動機也有望為小型無人機提供更持久的動力。

4、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（通信系統(tǒng)）

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（通信系統(tǒng)）是無人機和控制站之間的橋梁，是無人機的真正價值所在。

上行通信鏈路主要負責地面站到無人機的遙控指令的發(fā)送和接收。

下行通信鏈路主要負責無人機到地面站的遙測數(shù)據(jù)、紅外或電視圖像的發(fā)送和接收。

普通無人機大多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，而中高空、長航時無人機則采用超視距衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)鏈技術的發(fā)展推動者無人機數(shù)據(jù)鏈向著高速、寬帶、保密、抗干擾的方向發(fā)展。隨著機載傳感器、定位的精細程度和執(zhí)行任務的復雜程度不斷上升，對數(shù)據(jù)鏈的帶寬提出了很強的要求，未來隨著機載高速處理器的突飛猛進，預計幾年后現(xiàn)有射頻數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率將翻倍，未來可能還將出現(xiàn)激光通訊方式。

智能無人機的關鍵基礎技術

無人機“視覺”技術

賦予無人機“智能”中關鍵技術之一是讓無人機能夠通過機器視覺感知周邊的環(huán)境，并將結果轉化為數(shù)據(jù)通過OS（操作系統(tǒng)）傳給其他應用程序。

目前無人機領域主流的機器視覺硬件技術有：雙目機器視覺、紅外激光視覺、超聲波輔助探測等方式。

1、雙目機器視覺

雙目機器視覺基于三角定位原理，與人眼對三維世界的還原原理類似，通過比較兩個同向攝像頭拍攝的畫面中同一物體的視角差來確定距離，從而從二維圖像中還原出三維世界的立體模型。

雙目機器視覺僅需兩個攝像頭，但對計算能力的要求較高。

雙目機器視覺的門檻不在于根據(jù)視角信息α、β和間距d解算距離L，而在于讓計算機能夠在畫面中將物體從背景中“提取”出來。目前高通支持雙目機器視覺的無人機參考設計使用旗艦芯片Snapdragon 801/820，可見其對計算能力的要求之高。

對人眼來說將一個物體從背景畫面當中區(qū)分開來是一件很自然的事情，但對于計算機就不同了：同一景物在不同視點的攝像機圖像平面上的成像會發(fā)生不同程度的扭曲和變形，要讓計算機模糊分割出物體，圖像分割算法需要做卷積/微分等大計算量運算；而無人機這種要求實時測距的場景下需要的總體計算性能就更高了。

2、紅外激光視覺

為了規(guī)避計算機視覺中識別物體的大量計算以及提高精度，以Intel為代表的一批廠商使用了紅外激光視覺技術，如Intel RealSense機器視覺模組。其基本原理見下圖，其測距原理與雙目視覺類似，但識別對象從物體替換成了打在物體表面的紅外激光點。這樣就從根本上消除了物體識別的計算需求。

紅外激光視覺的必要代價是將兩個攝像頭替換為紅外攝像頭，并增加一個紅外激光掃描器的硬件成本以及功耗。其中紅外激光掃描器由一個紅外激光發(fā)射器和MEMS掃描反射鏡組成，整體增加的硬件成本較高。

除了對計算量要求小以外，紅外激光機器視覺還具有兩大優(yōu)點： 相比雙目，其應用時間與范圍更廣，可在暗夜和照明條件不好的室內使用；相比雙目，其有著更高的測距精度，能夠精確還原物體的三維數(shù)據(jù)。

3、超聲波探測

超聲波測障是一種較為成熟的技術，已廣泛使用在軍/民用多種應用場合之中。

超聲波的優(yōu)勢在于能夠有效識別玻璃，電線等雙目視覺/紅外激光視覺無法準備測距的物體。

缺點在于精度較差，只能用于探測障礙是否存在，無法提取精確空間信息用作路徑規(guī)劃。

定點懸停技術

消費級無人機的核心應用就是基于無人機的航拍功能，而航拍功能對無人機系統(tǒng)要求最高的技術指標就是飛行的穩(wěn)定性。

懸停定位技術所采用的技術手段主要有幾種：

1）GPS/IMU組合定位

2）超聲波輔助定高

3）基于圖像的光流定位技術

GPS/IMU定位技術

GPS/IMU定位的原理是較為傳統(tǒng)和成熟的定位方法。

GPS可以測得無人機當前的水平位置和高度，飛控系統(tǒng)根據(jù)無人機位置和高度相對于懸停點的偏差對無人機進行補償控制從而實現(xiàn)定點懸停。

然而，GPS信號更新較慢，而且GPS信號容易收到干擾，影響實際控制效果。因此工程實踐中引入了飛行器的IMU信息與GPS信號進行濾波，得到更為精確和更新率更高的位置、高度信息，這種模式還可以保證在GPS失常時，僅依靠IMU提供應急位置高度信息，但是因為僅利用IMU信息進行位置高度解算時，解算結果容易發(fā)散，因此這種方法僅適合在空曠的戶外進行懸停控制，而并不適宜在室內或有信號遮蔽的環(huán)境下使用。

超聲波輔助定高技術

超聲波測距傳感器是一種較為成熟的測距傳感器，能夠根據(jù)超聲波發(fā)出與返回的時間差，測得超聲波傳感器前的障礙物的距離，當無人機布置有下視超聲波傳感器時，可測得較為精確的距地面距離，從而輔助實現(xiàn)定高控制，但是超聲波輔助定高對于水平位置的飄移控制起不到作用。

光流定位

光流定位是采用圖像傳感器對傳感器所捕捉的圖像畫面進行分析，間接解算得到自身位置、運動信息的一種技術。

隨著圖像處理算法的演進和圖像處理硬件平臺的發(fā)展，使得這種算法的精度和實時性得到保證，從而得以在無人機系統(tǒng)上得到應用。

光流定位是利用圖像序列中像素在時間域上的變化以及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀跟當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的一種方法。一般而言，光流是由于場景中前景目標本身的移動、相機的運動，或者兩者的共同運動所產生的。

在無人機應用中，無人機機身加裝對地的光流攝像頭，根據(jù)所觀測到的地面圖像來進行定位的，其原理可通過下圖進行理解：無人機在相對地面移動時，其對地觀測鏡頭所拍攝到的畫面會相對向反方向“移動”，根據(jù)無人機距離地面的高度（這也是光流傳感器都與對地超聲波傳感器成對出現(xiàn)的原因）以及對地觀測圖像中像素移動的量，即可推算出無人機相對地面移動的距離。

當無人機采用光流定位技術實現(xiàn)自身位置確定后，即可采用通用的控制算法實現(xiàn)水平面和高度上的定位。目前所采用的光流技術，基本上可以實現(xiàn)室內環(huán)境的穩(wěn)定懸停，但是隨著時間的累積，仍然會有十幾厘米到幾十厘米范圍的飄移。不過，這種低頻率、小幅度的位置改變對于航拍來說，是可以接受的。

跟蹤拍攝技術

對于航拍無人機來說，一個新的趨勢是采用跟蹤拍攝模式，即對無人機設置一個興趣點，無人機則自動對興趣點進行跟蹤拍攝，這是無人機智能化的發(fā)展趨勢。

目前的跟蹤拍攝技術主要分為兩種：

1）GPS跟蹤；

2）圖像跟蹤。

GPS跟蹤

GPS跟蹤技術較為簡單，即被跟蹤者需手持遙控器，并獲得自己當前位置的衛(wèi)星定位信息，之后將此信息發(fā)送給無人機，無人機以接收到的目標位置作為目標，并進行導航。

GPS跟蹤是一種比較初級的跟蹤的方式，市場上大部分無人機均采用這種方式。

圖像跟蹤（包括臉部識別跟蹤）

圖像跟蹤技術是無人機根據(jù)所設置的興趣點的圖像特征，完全根據(jù)圖像信息完成目標的跟蹤，這涉及到了對目標對象的圖像識別、圖像跟蹤，尤其是在目標運動場景中，圖像背景變化較、目標形態(tài)變化較大的情況下，對目標準確的跟蹤需要運用到深度學習技術，是當前人工智能的一個熱點研究方向。

自動避障技術

無人機的飛行安全一直是關系到無人機大規(guī)模商業(yè)應用的核心問題，如何感知到障礙物、并且自主的規(guī)避障礙物是無人機飛行安全領域最前沿的研究課題。

隨著無人機的自主飛行、跟蹤飛行的大規(guī)模商業(yè)應用，無人機在自主航拍、跟拍的過程中對自主避障的功能要求變得更加迫切。

目前主要采用3種不同的避障技術：

1）基于超聲波探測的避障；

2）基于激光雷達的壁障技術；

3）Realsense單目+結構光探測避障。

超聲波測距避障

這種技術類似于傳統(tǒng)的倒車雷達系統(tǒng)，根據(jù)超聲波探測，獲知障礙物距離信息，然后采用相應策略避開障礙物，其特點是探測距離近，探測范圍小，但是方法非常成熟，實現(xiàn)容易。

雙目視覺避障

這種技術是基于雙目視覺的圖像景深重構方法，對視場內的景物進行景深重構，通過景深信息來判斷視場內的障礙物情況，探測范圍更廣、距離更遠，相應安全性更高，但是技術難度大，而且會受到光照強弱變化的影響。

基于激光雷達的避障技術

這種技術依靠的是無人汽車上應用較多的激光雷達技術對無人機周邊的環(huán)境進行掃描，并進行地圖建模。

Realsense單目+結構光探測避障

RealSense是Intel公司早先發(fā)布的視覺感知系統(tǒng)。它采用了“主動立體成像原理”，模仿了人眼的“視差原理”，通過打出一束紅外光，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。通過配有深度傳感器和全1080p彩色鏡頭，能夠精確識別手勢動作、面部特征、前景和背景，進而讓設備理解人的動作和情感。據(jù)Intel方面對外透露的數(shù)據(jù)，Realsense的有效測距可達10米。

無線圖像傳輸技術

無人機航拍的核心技術之一就是無線圖像傳輸，傳輸?shù)哪芰Υ笮∈菍o人機航拍能力衡量的一個重要因素。

無人機航拍技術

無人機航拍技術其實可以簡單地按照字面的“無人機”+“航拍”拆分為2點：

1、影像拍攝技術，也即成像以及圖像處理技術；比如像素數(shù)、光圈大小等，但是攝像頭模組上影響成像質量的參數(shù)還有許多：單個像素尺寸、傳感器技術、鏡片組技術、ISP技術等。

2、無人機平臺技術，主要指為航拍提供穩(wěn)定的航拍環(huán)境的機身控制技術。

影像拍攝技術：目前市場上的影像拍攝方案，都是對幾個大品牌主流的攝像頭模組的集成應用，無人機生產廠商在這一方面沒有太多的技術空間，而且因為技術發(fā)展已經比較成熟，不同產品方案之間差距并不大。

無人機機載平臺穩(wěn)定技術：是指除了飛行導航、控制等無人機自身飛行技術以外，為無人機實現(xiàn)穩(wěn)定航拍平臺保障的相關技術。這種技術是影響到成像質量最關鍵的因素。

穩(wěn)定的拍攝平臺的意義：

在拍攝視頻時，畫面的抖動、傾斜都會嚴重影響畫面的流暢度和美觀度；

在拍攝照片時，尤其是弱光情況下，如果曝光時間較長，機身的抖動會引起畫面的模糊；若減少曝光時間，則需要提高感光度，噪點增多，影響畫質。因此，機身的穩(wěn)定對于拍攝來說至關重要。

影響機身穩(wěn)定的主要因素：

按照當前四旋翼無人機的典型情況，可以將對于機身位置、姿態(tài)造成擾動的幾個因素歸結如下：

1、懸停定位不精確造成的水平位置以及高度的飄逸；

2、機體作動時的機身傾斜與抖動；

3、電機震動、突風等帶來的干擾。對于不同類型的擾動，無人機系統(tǒng)上采取了不同的策略進行應對。

對于水平以及高度的飄移，在室外，也即GPS信號良好的情況下，無人機會主要根據(jù)GPS信號進行定位。但是限于民用GPS系統(tǒng)自身的精度有限且更新頻率較低，單純依靠GPS系統(tǒng)進行定位較為困難，通常無人機還會引入慣性模組進行組合定位。

當處于室內或者GPS信號接收受限的情況下，無人機系統(tǒng)還采用對地攝像頭進行光流定位。光流定位是一項近年來興起的基于圖像的定位方式，在距離地面較近時，使用效果良好。

如果說位置的飄移屬于慢動態(tài)的擾動，那么無人機機動時所引起的機體傾斜、抖動則是高頻擾動因素，對于畫面的影響十分顯著。

當無人機需要進行位置移動時，四旋翼機身姿態(tài)必須做出較大調整，尤其是在機動剛發(fā)生時，機身姿態(tài)出現(xiàn)了40度的調整。

對于機身在水平方向移動時所帶來的機體傾斜，以及機體作動時的抖動等干擾因素，對圖像拍攝效果影響較大，必須通過掛載穩(wěn)定云臺抵消影響。

對于電機震動、突風擾動等因素，考慮到其屬于較高頻擾動，可采用空心橡膠球彈簧進行高頻震動濾除，即可取得較好的效果。對于突風等干擾，由于其形式、大小均存在較大的隨機性，很難保證完全消除影響，只能考慮結合云臺、光流等多種形式對其影響進行抑制。

最后，不能忽略的一個技術是電子穩(wěn)像技術。電子穩(wěn)像技術是在不借助機械設備的前提下，通過傳感器，感受機體運動，從而在顯示畫面上對圖像進行剪裁、拼接的修正，從軟件的角度，一定程度上實現(xiàn)了圖像穩(wěn)定的意圖。

云臺技術

云臺對于抑制機身的主動傾側、被動干擾等影響航拍效果的擾動起到了重大作用。

一般說的機載云臺通常都是三軸云臺。如下圖所示，三軸云臺的“三軸”分為俯仰、偏航、滾轉三個軸，也稱三個自由度，分別有一個電機進行控制。也即攝像頭在三自由度云臺的框架上通過電機的控制，可以實現(xiàn)與無人機三個自由度的解耦（值無人機的：俯仰、偏航、滾轉三個自由度），起到隔離、抵消無人機運動影響的作用。

三軸云臺技術主要包含部分內容：1、運動敏感；2、抵消控制。

運動敏感：需要安裝在最內層的攝像頭部分能夠感知到攝像頭的姿態(tài)偏差。通常會安裝一個三自由度陀螺儀。

抵消控制：即當敏感到攝像頭要偏離設定的姿態(tài)（一般是水平狀態(tài)）時，通過電機施加反向的運動，抵消運動變化。

從以上角度來看，傳感器的精度、頻率以及電機輸出的精度、功率大小，控制算法的性能都對最終效果起到比較大的影響。不過從目前的產品技術來看，只要配備了三軸云臺的無人機在航拍方面基本不存在太大使用感受上的區(qū)別。

單從功能上來說，比較關鍵的幾個因素是1、云臺與機身隔離度的高低；2、云臺可控的角度范圍；3、響應的快慢；4、精度的高低。

云臺對于航拍的重要性

位移補償：即使采取了較好的GPS+光流定位技術，無人機在定位懸停拍攝時，還是會出現(xiàn)較大幅度的飄移，幅度大概為0.3m左右，當發(fā)生位移后，畫面中心會有那么為了進一步保證畫面的穩(wěn)定，就必須引入機械云臺對畫面進行穩(wěn)定。

通過簡單的幾何計算可以看出，當相距被拍攝物體距離較近時，水平飄移對畫面影響較大。但是當距離被拍攝物體較遠時，影響較小。這時，僅需要云臺偏轉較小的度數(shù)既可修正畫面偏移，使得被拍攝物體重新回到畫面中心。

姿態(tài)補償：相比于無人機位置的移動，無人機自身姿態(tài)的擾動對畫面影響更為劇烈。當相距被拍攝物體距離較近或較遠時，影響均較大。

超遠程操控無人機技術

你可以坐在電腦前，然后只需輕點一下鼠標，便能夠讓無人機出動到達另一個領空甚至是國度。

原理其實很簡單，整套系統(tǒng)需要有兩個4G接入點，一個接入點在無人機上，另一個在控制器上。PC通過無線網絡連接向無人機發(fā)出指令，控制無人機的飛行路線，同時無人機會將內置的攝像頭拍攝的高清視頻發(fā)送給用戶，用戶在監(jiān)控周圍環(huán)境的同時，可調整無人機的飛行路線。