摘要：随着科学技术的进步，微小型多旋翼无人机技术已经日渐成熟，其应用的领域也越来越广泛，随之对技术的要求也不断地提高。近年来无人机行业发展势头异常迅猛，在军用和民用领域都开辟了广阔的市场空间。无人机广泛拓宽应用领域的同时，随之而来的是人们对其各项技术（导航、交互、通讯）及指标越来越高的要求，例如无人机的航迹规划，它需要高效、精密的算法，同时也是无人机实现自主飞行的关键，近年来越来越受到行业里学者的广泛关注。本文从无人机的发展历程展开论述，通过分析无人机国内外的发展现状，以及现有无人机的技术支持，浅谈无人机的发展前景与研究潜力。

关键词：无人机技术；现状；算法

1 无人机的概念

1.1 无人机简介

无人驾驶飞机简称“无人机”（UAV），是利用无线电遥控设备和自身的程序控制装置操纵的无人飞行器。它具有体积小、造价低廉、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。目前无人机在航拍、农业、植物保护、快递运输、抗震救灾、观察野生动物、监控传染病、新闻报道、电力巡检、影视拍摄等领域的应用，大大拓展了军用出身的无人机的用途，多数国家都在积极扩展其行业应用并致力研发无人机技术。

1.2 无人机的发展历程

现代战争可以说是推动无人机发展的基本动力。无人机最早在20世纪20年代出现，在1914年第一次世界大战中，就有人研制出一种不需要人驾驶，利用无线电操纵的小型飞机。而世界第一架无人机诞生于1917年，无人机真正投入作战始于越南战争，在当时主要用于战场侦察。

从20世纪50～60年代开始，美国相继研制出“火蜂”、“先锋”、“猎人”、“捕食者”以及我们最熟悉的“全球鹰”等战略无人侦察机，它们先后在越南战争，海湾战争，科索沃战争和对阿富汗的军事行动中大展身手。

而中国无人机研制始于20世纪五六十年代，逐步改良形成了“长空一号”、靶机等系列，值得一提的是“长空一号”作为一架大型喷气式无线电遥控高亚音速飞机，不仅开创了我国无人机先河，还在此基础上被改装成核试验取样机，于1977年圆满完成了一次核试验穿云取样任务。

1.3 无人机的研究方向

1）续航问题

爱好无人机的朋友们应该对这一点十分了解，在无人机的使用方面，目前最大的难题就是电池能源储存所带来的限制，现有电池的动力严重不足，甚至都没办法让无人机持续飞行上30分钟，电池能源的这一道难关是当下无人机技术无法取得重大进展的重要因素之一。科学家们正试图生产处更有效的电池，使得无人机可以在空中飞行很长时间。

2）导航

无人机的导航系统也同样是一个需要投入大量精力的技术领域。现今，GPS被应用在指挥无人机的飞行方面，但这项技术有以下几点不足：GPS在地形复杂的环境下，例如丛林或湿地，通常并不是很有效率。GPS在探索这些区域的时候，复杂的地形会给无人机的路程设计产生极大的干扰。为了防止这样的问题，科研人员们正在努力为GPS设计提供某种目的的备份技术工作。以确保即使GPS出现了很大的问题时，无人机依旧能够完成工作。

3）控制系统

目前的无人机，在飞行过程中很容易受到其他因素的干扰，因此控制技术将会是无人机突破的关键。这些技术主要体现在无人机受到不同元素影响时所表现出的应变能力：如超速，云雨和复杂地形等。没有这些技术的支持，无人机运动的管理将会十分困难。为了让无人机操控人员能通过控制系统更轻松地控制无人机的运动，更好的控制系统也将成为研究的另一大要素，

4）通信系统

与其他任何飞行设备一样，交互技术对于无人驾驶飞机而言十分重要。如果客机失去了和指挥部的通讯，将无法导航与降落，如同盲人一般。这对于无人机操纵人员也是一样的，与无人机取得联络，并做出必要的指令，才能使无人机正常工作。不过迄今为止，交互技术仍处于只是与无人机保持简单联系的状况。

1.4 无人机的应用

1）快递

我国因早年大量修建高速公路的成果，交通十分发达，使得快递在陆地上也能十分便利。但对于区域划分复杂，经常需要跨国运输的欧洲来说，无人机是运送物资的最好方式。德国DHL公司就使用无人机，来向人烟稀少的小岛运送物资。DHL在没有恶劣天气干扰的情况下，每天运输两次，主要运输药品、紧缺商品等急用物资。无人机运输物资的好处不仅仅在于成本低，而且可以精确入户，免去快递人员搜寻用户具体住址所花费的时间。无人机还可利用GPS和视频等方式对住址进行定位，即便是在建筑密集的高层楼宇，让无人机从窗户进入用户家中也不是问题。

2）灾难救援

无人机还可以用于灾难救援，比如为不幸溺水者运输救生圈。无人机还可以代替人们进入一些危險区域来寻找幸存者，如地震后的区域，或具有大量放射性元素的区域，代替人类去完成一些危险的事情。无人机还可以将食物、药品和其他急用物资及时地送往交通不便的偏远灾区，将救援物资直接送入有需要的人手中。

3）反恐侦察

对于反恐部队来说，最令人头疼的是就城市巷战，陌生的街道、环伺的建筑物内的“冷枪”随时可能夺人性命。为此，美国国防高级研究计划局正在开发“轻量快速自主”（FLA）无人机，可对建筑物内的楼梯、走廊，以及障碍物进行全方位搜索。这种智能自主无人机只有昆虫般的大小，在不依赖GPS的协助以及与外界人工操控与通讯设备联系的情况下，能够以20m/s的飞行速度通过一个洞口并在复杂的室内自由穿梭。

2 无人机的发展现状

2.1 国内发展现状

近年来，以深圳大疆创新科技有限公司为首的无人机企业在世界范围内的行业地位越来越高，从而也带动了一批杰出的科技创新型企业也跻身于无人机的研发当中。

大疆是一家总部位于中国深圳的无人机制造厂商，成立于2006年。该公司生产的DJI无人机被广泛运用于航拍，并且很受专业及业余级摄影师们的青睐。其产品线涵盖中端价位的Phantom以及高端市场绝对王者的Inspire系列。endprint

一架无人机系统由地面站、飞机、链路三个核心部分组成。无人机地面站是整个无人机系统的指挥控制中心，专门用于对无人机的地面控制和管理。飞机是无人机系统的主体，而它的核心组件是其飞行控制系统（简称飞控），它是飞行器稳定飞行的保证。链路主要负责飞机与地面站之间的通讯，通过多种通信方式将飞机上的飞行数据实时传输到地面站，并可以将地面站发出的控制信号传给飞机，从而使得无人机按照既定的指令飞行。

2.2 国外发展现状

在国内无人机大放异彩的同时，较国内无人机起步更早的国外无人机企业，更加值得我们关注和研究。

法国：比大疆成立早12年的Parrot公司是一家总部位于法国巴黎的无人机及无线产品制造商。派诺特设计、研发和销售与智能手机和平板电脑相关的高科技应用产品，并提供汽车制造和城市无人机领域的高科技解决方案。所以我们也就不难理解，为何我们可以在苹果在线商城里看到Parrot无人机的身影。

美国：作为北美最大的消费级无人机厂商，3D Robotics公司主要致力于制造开源无人驾驶飞行器（UAV），目前其全球客户数量超过3万。3D Robotics早期主要销售组装无人机的成套组件。现在，该公司有从入门级到商用级的多种型号无人机产品，搭载了航拍、视频拍摄、测绘、3D建模等多种功能，有些无人机还支持预先规划航线或针对特定人物的追踪跟拍。

3 无人机涉及的技术领域

3.1 控制技术

3.1.1 导航技术

无人机无论作为民用还是军用，都必须准确地知道自己“在哪儿”、“去哪儿”，要达到这个目的需要精密的硬件和高效的算法，这在无人机的任何发展阶段都是绕不开的问题。

3.1.2 定位技术

（1）GPS载波相位定位

目前正在这方面开展研究的项目有：Swift Navigation公司开发的Piksi； 日本东京海洋大学开发的RTKLIB开源项目。

（2）多信息源定位

英国军方BAE 最近公布了他们研发的名为NAVSOP的定位技术。该技术将利用包括TV、收音机、Wi-Fi等等信息定位，弥补GPS的不足。

3.1.3 测速技术

目前公认的比较精确的测速方案是将“视觉（光流）”、“超声波”以及“惯导”结合。AR.Drone是最早采用该项技术的多旋翼飞行器，极大地提升了飞行器的可操控性，获得了巨大的成功。

3.1.4 避障技术

让飞行中的无人机识别飞行路径上的障碍物，并准确绕飞或悬停，是实现无人机智能化的重要一步。恰好备受关注的国内三家无人机厂商最近都分别使用到了不同的无人机避障技术。

（1）零度Xplorer 2：激光雷达TOF（Time of flight）测距，是指利用飞行时间法3D成像，通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行往返时间来测量目标距离。

（2）昊翔Typhoon H：Realsense（单目+结构光），是指Realsense的原理是，它采用了“主动立体成像原理”，模仿了人眼的视差，通过射出一束红外光，以左红外传感器和右红外传感器追踪这束光的位置，然后用三角定位原理来计算出3D图像中的“深度”信息。

3.2 交互技术

1）手势控制技术

手势交互是一种未来的人机交互趋势，目前在精确度上存在挑战。在CES2014的展场上，有利用MYO手势控制臂带来控制AR.Drone2.0四旋翼的演示。

2）脑机接口技术

近年来，科研人员在多个领域都运用到了BCI（Brain Computer Interface）脑机接口技术）技术，各类科技公司运用该技术制作新型玩具、为残疾人制作义肢。但若是作为对安全性要求较高的飞行器，这种技术目前还不成熟。它可作为一种验证性质的技术展示，离实际还有不少距离。

3）体感控制技术

体感控制包括手势和姿态，类似于PS4等游戏机上的体感控制，有着直观、易学、易操作等特点。随着信息时代的不断发展，人机交互越来越成为科研人员研究的重点，Kinect传感器作为人机交互的中介，自然会被应用到无人机的控制中来。

Kinect传感器由Microsoft公司于2010年推出，可以同时获取彩色图像数据和深度图像数据，支持实时的全身骨骼跟踪，获取人体骨架的20个关节点[2]。同时，Kinect SDK允许开发者借助Visual Studio 2010进行相关开发，通过相关算法设计实现人体的动作识别[2]。

3.3 通讯技术

1）4G/5G通讯技术

2013年6月17日，北京4G联盟与无人机联盟组织联合举办了4G联盟与无人机联盟交流研讨会，旨在加强北京4G联盟和无人机联盟之间的技术交流，寻找无人机机载载荷与4G设备仪器的聚焦，以促进北京市IT产业发展。

2015年，中国移动开发4G“超级空战队”设备，可以支持航拍影像即拍即传。

而5G的速度比现在的LTE网络标准连接速度快将近250倍，它开启了无线通讯行业的一个新的里程碑。虽说现在并未看到其广泛应用，但未来无论是智能手机，还是汽车、医疗设备、无人机或其他设备，都将受益于这一无线连接速度。

2）Wifi通讯技术

2013年，德国卡尔斯鲁厄理工学院开发出了一項新的无线广域网技术，打破了之前最快的WiFi速度纪录，它可以让1公里以内的用户每秒钟下载40GB。由于这种设备的传输距离比普通WiFi路由器的范围要广得多，因此这种设备很适合无人机航拍的图片上传或光纤布放不方便的农村地区应用。

4 结论

无人机不论是从它的发展前景，理论技术还是从发展传统汽车行业，增大行业竞争力来看都是非常具有研究潜力的。这些系统的出现离不开很多关键技术，也正是因为这些技术的进步，未来的无人机将会跃向一个新的高度。以史为鉴，我们不难发现无人机发展有几个大致方向：更精密的算法使它们变得越来越智能，而多项尖端科技的加持，减轻了无人机驾驶员在操作无人机时的负担，使得无人机更加“来去自如”。而无人机的高速发展与科研人员的定向研究必将会使它们的成本变低，未来无人机将会步入普通家庭，成为民用的摄影、探索利器。

参考文献

[1]赵毓. 基于群体智能算法的无人机航迹规划研究[D].哈尔滨工业大学，2016

[2]李辉，芦利斌，金国栋. 基于Kinect的四旋翼无人机体感控制[J]. 传感器与微系统，2015，（08）：99-102

[3]邹湘伏，何清华，贺继林. 无人机发展现状及相关技术[J]. 飞航导弹，2006，（10）：9-14.

作者简介

赵晨懿，2000年生，男，汉族，陕西省西安市，就读学校：陕西师范大学附属中学。endprint