物质第四态

无人机是无人驾驶飞机的简称（英语简称UAV）。和一般军用或民用飞机不同的是，无人机上没有为飞行员设置的驾驶舱，也没有操纵杆和仪表盘。但无人机也并非完全不需要人来操控，无人机的使用者需要提前为无人机设定飞行程序，或者通过遥控装置远程控制无人机的飞行。这种无人驾驶的飞机与智能科技新贵——无人驾驶汽车不同，它从形成最初的雏形至今，已经有一个世纪的历史，可队说是“无人驾驶界”的“老前辈”了。虽然它已经一百多岁了，但对于我们来说无人机还很年轻，因为它真正走进我们的生活也不过是最近十几年的事。今天，我们就来了解一下无人机的风雨百年路，看看这位“老前辈”是如何焕发活力的！

从战火中走来的军用无人机

风筝是人类早期的航空器之一，古时称为“鹞”。1887年，英国人道格拉斯·阿奇博尔德把相机放在风筝上，形成了无人侦察机的雏形。美西战争期间，有人借助风筝平台拍摄了大量照片，为无人机在战争中的应用做了先一步试水。

初出茅庐

1909年，美国发明家埃尔默。安布罗斯·斯佩里发明了一种名叫“陀螺仪”的装置，这种装置安装到飞机上后，可以测定飞机的飞行方向和姿态。它是现代飞机自动控制和惯性导航系统的核心组成部分。陀螺仪的出现，吸引了美国海军，他们希望以此为基础研发一种不需要飞行员驾驶的飞行器。1917年，美国海军研制出无人飞行器——“空中鱼雷”，为了提高它的导航精度，美国西电公司还为它开发了专用的无线电控制系统。“空中鱼雷”可以说是现代无人机的鼻祖，它所运用的惯性导航与无线电控制系统，至今仍然是遥控无人机的核心技术。

飞行员在进入战场作战前，需要像射手射击靶子一样，在训练中以实际攻击天空中的靶机来提升自己的作战技能。地面的高炮防空部队也需要靶机来进行训练。在两次世界大战期间，美国、英国和德国都开始将无人机用作靶机，研发了诸如RAE192、VJ-5等型号无人靶机。美国军方还发现，无人机能够代替传令兵，在战场中方便快捷地传递信息。因此，他们在“空中鱼雷”的基础上，研发了用于传递信息的“信使”无人机。1941年，美国海军萌生了使用无人机攻击敌人空中和地面目标的想法，于是研发了TDN-1和TDR-1型无人攻击机。1944年，TDR-1无人机首次参战，向布干维尔以南巴拉列群岛地区的日军目标发动了攻击。

投入应用

“二战”结束后，无人机被用于战场侦察工作。世界上第一种实用型的无人侦察机是无线电控制的美国AN/USD-1战场无人监视机。这种飞机装备有一台可以在白天工作的照相机和一台在夜间工作的红外照相机，通过火箭助推器起飞，完成任务后释放降落伞降落。这种无人机在当时也存在一些局限性，比如当无人机回收后，要花很多时间对它采集来的照片进行处理和分析。在冷战期间，美军发现无人机除了可以照相外，还可以执行另一种形式的搜索任务：将无人机派往敌人控制的空域后，可以诱骗敌人的防空雷达开机，获得防空雷达的信号特征。敌人的高炮、防空导弹、战斗机在拦截无人机的过程中，也会暴露自身的部署情况。可以说，无人机出动一次就可以获取大量敌人防空力量的情报。又因为没有飞行员驾驶，就算无人机被击落，损失也并不大。在无人机第一次大规模实战应用的越南战争期间，美军在战场上大量使用“萤火虫”型无人侦察机执行这种诱骗侦察任务。在此期间，美国还发展出直升机在半空回收无人机的技术。

进入20世纪80年代后，电子工业和航天工业的发展为无人机带来了新的发展契机。此时，军用无人机的飞行控制技术出现了两大分支，即自动飞行控制系统和指令控制系统。自动飞行控制系统需要在无人机起飞前将本次飞行的路径、高度和侦察目标等信息设定好，无人机依靠这些信息自己完成飞行任务。这种模式虽然看起来比较简单，但一旦目标位置发生变化，提前设定的飞行路线就有可能随之失效。与自动飞行控制系统不同，指令控制系统将飞行员的位置由飞机上搬到了地面站的控制室中。无人机可以通过无线电信号实时将侦察图像信息传回控制室，而控制员可以根据画面实时操控无人机飞行，按照瞬息万变的战场形势灵活改变飞行路线。80年代以后，指令控制技术逐渐成为军用无人机飞行控制系统的主流。

卫星通信技术和GPS导航技术也给指令控制技术的应用提供了支持。在应用卫星通信前，无人机的飞行距离会受控制信号传输距离和山川阻挡等因素的限制。应用卫星通信技术后，地面控制室可以将控制信号上传给太空中的通信卫星，由卫星中继放大后再发送到无人机接收天线上。这样一来，无人机就可以突破地面障碍物和地平线的限制了。GPS导航技术的应用使得控制人员能够更准确地获取无人机的位置，同时，在控制信号因为干扰中断时，无人机可以使用GPS导航自主返航回收。此外，小型攝像机的应用改善了无人机的摄像品质，指挥官可以实时看到前方的战场信息，而不必像以往那样待无人机返回后还要等候照片冲洗完毕。

全面成熟

在20世纪90年代初的海湾战争和21世纪初的伊拉克战争中，无人机得到全方位的应用。两种美军现役的明星无人机——“捕食者”和“全球鹰”也在此期间崭露头角。“捕食者”无人机（RQ-1）源自之前研发的“蚊”-75011型远程无人机，它是一种长航时无人机，采用涡轮增压的螺旋桨发动机作为动力。侦察型的“捕食者”配有光电/红外侦察设备，在白天和夜间都能执行侦察任务。在“捕食者”上，还装备有一种被称作“合成孔径雷达”的新装备。这种装备可以发射无线电信号，并接收大地或目标反射信号，绘制出目标的高分辨率图像。即便在有云层或雾气遮挡的情况下，这种雷达依旧可以出色地完成任务，回传清晰的图像。从2000年起，美军开始对“捕食者”进行改进，使它具备了使用武器对敌人进行攻击的能力。通过在无人机头部安装用于指引导弹打击目标的激光指示器，捕食者可以发射用来打击坦克、装甲车等目标的“地狱火”导弹。2006年，攻击型“捕食者”的升级版MQ-9“死神”无人攻击机问世，这种无人机体积更大、性能更先进，还能发射激光制导炸弹等武器。

和“捕食者”相比，“全球鹰”最大的特点在于它使用了喷气式发动机作为动力，从而获得了比“捕食者”更快的飞行速度。美军本来也打算将“全球鹰”改装成攻击型无人机，但由于“全球鹰”的飞行高度较高，用来执行对地攻击任务并不是十分合适，因此美军放弃了这一想法。除了“全球鹰”和“捕食者”这类大型无人机外，美军还研制了小型无人机，如RQ-11“大乌鸦”和“龙眼”无人机。由于这些无人机体形轻巧，基层部队可以在日常巡逻中将无人机随身携带。一旦遇到战斗情况，士兵用双手就可以就地将无人机放飞，让无人机提供侦察支援。这样的无人机使用灵活，特别适合反恐作战。

在军用无人机的设计制造方面，美国使用无人机的时间最长，经验最丰富，是当之无愧的王者。近年来，我国在无人机的研发上也取得了一系列进展，达到了与美国基本相当的技术水平。目前，中国性能较为先进的无人机有“彩虹-5”“翼龙-2”和“云影”无人机。它们都是同时具备侦察和对地打击能力的多面手，能够长时间翱翔在战场上空执行任务。“彩虹-5”无人机采用喷气式发动机，机翼下方有6个武器挂载点，可以挂载16枚不同类型的对地攻击导弹，最大载弹量达1吨。“翼龙-2”无人机也具备较强的侦察和打击能力，可以配备的侦察设备有光电监视/瞄准装置、合成孔径雷达等，可配备的武器有激光制导导弹和炸弹。“云影”无人机则是一种具备隐身性能的无人机，前起落架舱舱门采用了锯齿状设计，机头的光学窗口也采用了同样的设计，以减少雷达波的反射。“云影”无人机还可以多机组队，建立无人机空中作战网络，利用“蜂群战术”对敌人进行打击。

用途多样的民用无人机

虽然无人机技术的发展源于军事需求，但目前大家最熟悉的无人机，还是那种有着多个旋翼，可以在空中灵活地运动或悬停，并可进行航拍活动的无人机。这种无人机是自21世纪初以来迅猛发展的民用无人机的典型代表

无人机的发展基地

进入21世纪后，由于基础技术的发展，民用无人机的各个组成部分性能越来越强、重量越来越轻、成本也越来越低，给无人机的普及提供了条件。目前，无人机的“大脑”一般采用高性能FPGA芯片，可以实现双CPU（中央处理器）的功能，处理各种传感器传来的无人机状态信息，控制无人机高效飞行。如今，我们的手机大都具有重力感应和定位功能，这得益于惯性传感器和GPS芯片的小型化、廉价化。对于无人机来说，惯性传感器和GPS芯片也是非常重要的硬件。Wi-Fi技术的发展也给民用无人机的信号传输提供了一种简单有效的实现方式。在续航方面，由于锂电池技术的发展，一块重量不大的电池就可以让无人机在天空中飞行很长一段时间。

无人机的迅速兴起

2010年，法国Parrot公司发布了世界上第一款四旋翼无人机AR.Drone。与军用无人机和传统民用无人机所采用的固定翼方案相比，这种无人机没有了翅膀，只有四个被称为“旋翼”的螺旋桨，为无人机提供升力和前进的推力。这种结构的无人机小巧、稳定、机械结构简单，可以像直升机那样，不借助跑道垂直起降。不仅如此，它还非常容易控制，操作新手稍加训练便可以操控这种无人机做出各种花式动作。在四旋翼无人机的基础上，厂商们还设计出六旋翼、八旋翼无人机。一般来说，无人机的旋翼数量越多，能够提供的升力也就越强，可以搭载的载荷越重。

无人机能够迅速兴起的另外一个关键设备是以GoPro为代表的运动相机。这种相机可以获得比一般相机更加宽广的视野，可以拍摄高清晰度的照片或视频。因为轻便小巧，GoPro特别适合安装在无人机上，获得从天空或高处向下的视角，从而让使用者获得平时生活中很难获得的视觉体验。

目前，在这种小型民用无人机的市场中，市场份额最大的公司是中国的大疆公司。一开始，这家公司的业务是研制直升机的控制系统。2010年，AR.Drone的成功也促使大疆公司开始考虑开发四旋翼无人机产品。2013年，大疆公司推出了DJI Phantom四旋翼无人机。这种无人机操作简便、飞行稳定，还创造性地提供了GoPro相机的接口，这便使得这款产品迅速风靡世界。之后，大疆公司在Phantom无人机的基础上，进行了各种升级换代。例如，他们研发出了防止相机在拍摄过程中抖动的云台，让无人机能够连续拍摄出清晰的视频，且影像质量达到了电影级别。这样的无人机在电影拍摄者中建立了良好的口碑，也带动了“航拍公司”这一产业的形成。大疆公司还将民航飞机中使用的黑匣子引入无人机，因此飞行数据可以被记录、分析，飞行的安全性得到提升。

除了四旋翼无人机外，固定翼无人机也在民用领域得到了广泛应用。与四旋翼无人机或多旋翼无人机相比，固定翼无人机的续航时间更长，飞行高度更高、活动范围更大，采用更加可靠的控制系统和信号传输系统，因此比四轴多旋翼无人机更适合专业生产领域的应用。

本领多样的无人机

除了航拍的功能外，民用无人机还有多种多样的本领。我国各大城市道路拥堵严重，尤其是在发生交通事故时，执法的警车和救护车也无法到达事故现场。这时，无人机便可快速低空飞抵事故现场，第一时间进行执法拍摄取证。它传回的图像还能帮助交通部门更好地疏导交通，从而更快到达现场进行事故救援工作。遇到犯罪分子驾车逃窜时，无人机可以在空中跟踪罪犯，引导警察实施抓捕。在高层建筑发生火灾时，消防员可以释放无人机航拍，快速获取火灾蔓延的情况和被困人员位置，准确部署灭火力量。当洪水发生时，无人机可携带救生绳或救生圈，并将其投送到被困人员身边。那些位于偏远地区的输电线路和石油管道，我们也可以派无人机前去进行线路巡检工作。无人机出动一次就可以巡检几十甚至上百千米的线路，减轻了工人师傅们的工作负担。

在未来，你在网购之后，还可能收到无人机送来的快递包裹。快递企业计划用四旋翼或八旋翼无人机，在10千米的范围内派送重量不超过10千克的包裹。无人机当然不会取代快递员的工作，它的主要任务是派送紧急快件和偏远地区快件，提高配送效率，减少人力、运力成本。目前，国外的亚马逊、DHL和国内的京东、顺丰等网商或物流企业，都在大量开展无人机配送快递的业务。德国DHL公司已经开始使用无人机为居住在偏远海岛上的人们递送药品。中国邮政在浙江安吉山村地区也开通了第一条无人机配送航线，尝试偏远地区配送服务。亚马逊推出的Prime Air服务，可以将包裹在30分钟内送交客户。美国邮政还研制出一种电动邮政汽车和无人机结合的派送模式，由司机驾驶电动邮车到达社区，再由无人机从邮车上自动取走包裹、送交住户。最近，中国科学院工程热物理研究所还成功研制出一种大型货运无人机，它可以在极短的跑道上起飞、降落，一次可以运输多达1.5吨的货物，适合将一批快递包裹集中运到偏远乡镇和村庄，使那里的人们也能享受到网购带来的便利。

无人机作为一种空中平台，把人们的生活从二维空间扩展到了三维空间，在垂直高度上赋予了生活无限的可能。随着人工智能技术的发展，无人机未来还能够有更多自主性能，如具备路径规划功能或自主决策能力的自动控制无人机。不仅如此，互联网的发展将会把原先一架一架的无人机联结起来，形成无人机集群，这样组合在一起的无人机就可以进行协同目标探测和协同态势共享等协同操作。而随着大数据时代的到来，无人机不仅本身呈现出集群化趋势，它们作为空中数据节点，还能通过采集来的大數据实现各行各业的互联。走过百年，走进人工智能时代的无人机会以怎样的面貌再展活力？就让我们拭目以待吧！