【編者按】 本文作者全權(quán)，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院博士/副教授。雷鋒網(wǎng)已獲得授權(quán)。

常見飛行器通常被分為固定翼、直升機(jī)和多旋翼（四旋翼最為主流）。在2010年之前，固定翼和直升機(jī)無(wú)論在航拍還是航模運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，基本上占有絕對(duì)主流的地位。然而，在之后的幾年中，因優(yōu)良的操控性能，多旋翼迅速成為航拍和航模運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的新星，但這仍然需要專業(yè)人員調(diào)試或裝配飛機(jī)。

2012年底，中國(guó)大疆公司推出四旋翼一體機(jī)——小精靈Phantom。因該產(chǎn)品極大地降低了航拍的難度和成本，獲得了廣大的消費(fèi)群體，成為迄今為止最熱銷的產(chǎn)品。之后短短兩年間，圍繞著多旋翼飛行器相關(guān)創(chuàng)意、技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用和投資等新聞層出不窮。目前，多旋翼已經(jīng)成為微小型無(wú)人機(jī)或航模的主流。比如在2015年剛閉幕的中國(guó)國(guó)際模型博覽會(huì)和農(nóng)業(yè)展覽會(huì)上，我們隨處可見多旋翼的身影。隨著大疆產(chǎn)品的走熱、各種相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步、開源飛控社區(qū)的推動(dòng)、專業(yè)人才的不斷加入，以及資本的投入等等因素，多旋翼技術(shù)得到迅猛地發(fā)展。

對(duì)于目前多旋翼產(chǎn)品，一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自動(dòng)駕駛儀的控制算法能夠保持多旋翼飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定（或定點(diǎn)）等，但飛行器還是需要通過人員遙控操縱。在這種控制方式下，多旋翼屬于航模。全自主控制方式是指自動(dòng)駕駛儀的控制算法能夠完成多旋翼飛行器航路點(diǎn)到航路點(diǎn)的位置控制以及自動(dòng)起降等。在這種控制方式下，多旋翼屬于無(wú)人機(jī)，而地面人員此時(shí)進(jìn)行任務(wù)級(jí)的規(guī)劃。作為無(wú)人機(jī)，多旋翼飛行器可以在無(wú)人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和搭載各種負(fù)載任務(wù)，可以被看作是“空中機(jī)器人”。

1、緣何青睞多旋翼

首先，我們以目前電動(dòng)的固定翼、直升機(jī)和多旋翼為例比較它們的用戶體驗(yàn)：

在操控性方面，多旋翼的操控是最簡(jiǎn)單的。

它不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。它的操控原理簡(jiǎn)單，操控器四個(gè)遙感操作對(duì)應(yīng)飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法簡(jiǎn)單，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡(jiǎn)單。相對(duì)而言，學(xué)習(xí)固定翼和直升機(jī)的飛行不是簡(jiǎn)單的事情。固定翼飛行場(chǎng)地要求開闊，而直升機(jī)飛行過程中會(huì)產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計(jì)困難，控制器調(diào)節(jié)也很困難。

在可靠性方面，多旋翼也是表現(xiàn)最出色的。

若僅考慮機(jī)械的可靠性，多旋翼沒有活動(dòng)部件，它的可靠性基本上取決于無(wú)刷電機(jī)的可靠性，因此可靠性較高。相比較而言，固定翼和直升機(jī)有活動(dòng)的機(jī)械連接部件，飛行過程中會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致可靠性下降。而且多旋翼能夠懸停，飛行范圍受控，相對(duì)固定翼更安全。

在勤務(wù)性方面，多旋翼的勤務(wù)性是最高的。

因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若電機(jī)、電子調(diào)速器、電池、槳和機(jī)架損壞，很容易替換。而固定翼和直升機(jī)零件比較多，安裝也需要技巧，相對(duì)比較麻煩。

在續(xù)航性能方面，多旋翼的表現(xiàn)明顯弱于其他兩款，其能量轉(zhuǎn)換效率低下。

在承載性能方面，多旋翼也是三者中最差的。

對(duì)于這三種機(jī)型，操控性與飛機(jī)結(jié)構(gòu)和飛行原理相關(guān)，是很難改變的。在可靠性和勤務(wù)性方面，多旋翼始終具備優(yōu)勢(shì)。隨著電池能量密度的不斷提升、材料的輕型化和機(jī)載設(shè)備的不斷小型化，多旋翼的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。因此，在大眾市場(chǎng)，“剛性”體驗(yàn)最終讓人們選擇了多旋翼。

然而，多旋翼也有自身的發(fā)展瓶頸。

它的運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時(shí)的速度改變，以調(diào)整力和力矩，該方式不宜推廣到更大尺寸的多旋翼。

第一，槳葉尺寸越大，越難迅速改變其速度。

正是因?yàn)槿绱耍鄙龣C(jī)主要是靠改變槳距而不是速度來改變升力。

第二，在大載重下，槳的剛性需要進(jìn)一步提高。

螺旋槳的上下振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷，這與我們平時(shí)來回折鐵絲便可將鐵絲折斷同理。因此，槳葉的柔性是很重要的，它可以減少槳葉來回旋轉(zhuǎn)對(duì)槳葉根部的影響。正因?yàn)槿绱?，為了減少槳葉的疲勞，直升機(jī)采用了一個(gè)容許槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中上下運(yùn)動(dòng)的鉸鏈。如果要提供大載重，多旋翼也需要增加活動(dòng)部件或加入涵道和整流片。這相當(dāng)于一個(gè)多旋翼含有多個(gè)直升機(jī)結(jié)構(gòu)。這樣多旋翼的可靠性和維護(hù)性就會(huì)急劇下降，優(yōu)勢(shì)也就不那么明顯了。當(dāng)然，另一種增加多旋翼載重能力的可行方案便是增加槳葉數(shù)量，增至18個(gè)或32個(gè)槳。但該方式會(huì)極大地降低可靠性、維護(hù)性和續(xù)航性。種種原因使人們最終選擇了微小型多旋翼。

2 、多旋翼爆紅的成因

沉寂期：1990年以前

早在1907年，法國(guó)C.Richet教授指導(dǎo)Breguet兄弟進(jìn)行了他們的旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn)，如圖1a，這是有記錄以來最早的構(gòu)型。第一架成功飛行的垂直起降型四旋翼飛行器出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，但那時(shí)幾乎沒有人會(huì)用到它。1920年，E.Oemichen設(shè)計(jì)了第一個(gè)四旋翼飛行器的原型，但是第一次嘗試空運(yùn)時(shí)失敗了。

之后在1921年B.G.De在美國(guó)俄亥俄州西南部城市代頓的美國(guó)空軍部建造了另一架如圖1c的大型四旋翼直升機(jī)，這架四旋翼飛機(jī)除飛行員外可承載3人，原本期望的飛行高度是100米，但是最終只飛到5米的高度。E.Oemichen的飛機(jī)在經(jīng)過重新設(shè)計(jì)之后（如下圖b所示），于1924年實(shí)現(xiàn)了起飛并創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)直升機(jī)領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了14分鐘的飛行時(shí)間。E.Oemichen和B.G.De設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋槳來推進(jìn)，因此它們都不是真正的四旋翼飛行器。

（早期的多旋翼）

早期四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)受困于極差的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，飛行高度僅僅能達(dá)到幾米，因此在接下來的30年里，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)沒有取得多少進(jìn)步。直到1956年，M.K.Adman設(shè)計(jì)的第一架真正的四旋翼飛行器Convertawings Model“A”（如圖1d）試飛取得巨大成功，這架飛機(jī)重達(dá)1噸，依靠?jī)蓚€(gè)90馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)懸停和機(jī)動(dòng)，對(duì)飛機(jī)的控制不再需要垂直于主旋翼的螺旋槳，而是通過改變主旋翼的推力來實(shí)現(xiàn)。然而，由于操作這架飛機(jī)的工作量繁重，且飛機(jī)在速度、載重量、飛行范圍、續(xù)航性等方面無(wú)法與傳統(tǒng)的飛行器競(jìng)爭(zhēng)，因此人們對(duì)此失去了進(jìn)一步研究的興趣，該研究被迫停止。

在20世紀(jì)50年代，美國(guó)陸軍繼續(xù)測(cè)試各種垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀請(qǐng)參與研制了VZ-7和杠桿燃?xì)鉁u輪機(jī)的幾家公司之一，杠桿燃?xì)鉁u輪機(jī)的出現(xiàn)提高了VZ-7的功率與重量比。因此，VZ-7被稱作“Flying Jeep”，如圖(e)所示，其有效載重量為250千克，靠425馬力的杠桿燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。VZ-7的測(cè)試在1959年至1960年期間得到實(shí)現(xiàn)。雖然它相對(duì)穩(wěn)定，但是它未能達(dá)到軍方對(duì)高度和速度的要求，該計(jì)劃并沒有得到更進(jìn)一步的推行。

在1990年以前，慣性導(dǎo)航體積重量過大，動(dòng)力系統(tǒng)載荷也不夠，因此當(dāng)時(shí)多旋翼設(shè)計(jì)得很大。正如前面分析的，大尺寸的多旋翼并沒有那么大優(yōu)勢(shì)，與多旋翼相比，固定翼和直升機(jī)更適合發(fā)展大尺寸。在此之后的30年中，四旋翼飛行器的研發(fā)沒有取得太大的進(jìn)展，幾近沉寂。

復(fù)蘇期：1990年至2005年

20世紀(jì)90年代之后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）研究的成熟，重量只有幾克的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被開發(fā)運(yùn)用，使制作多旋翼飛行器的自動(dòng)控制器成為現(xiàn)實(shí)。此外，由于四旋翼飛行器的概念與軍事試驗(yàn)漸行漸遠(yuǎn)，它開始以獨(dú)特的方式通過遙控玩具市場(chǎng)進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域。

雖然MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀取并使用，于是人們又花費(fèi)大量的時(shí)間研究去除噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動(dòng)控制器本身通常需要運(yùn)算速度較快的單片機(jī)，可當(dāng)時(shí)的單片機(jī)運(yùn)算速度有限，不足以滿足需求。接著科研人員又花費(fèi)若干年理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并為其建模、設(shè)計(jì)控制算法、實(shí)現(xiàn)控制方案。因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制器才被制作出來。

起步期：2005年至2010年

在生產(chǎn)制造方面，德國(guó)Microdrones GmbH于2005年成立，2006年推出的md4-200四旋翼（如圖a）系統(tǒng)開創(chuàng)了電動(dòng)四旋翼在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先河，2010年推出的md4-1000四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，在全球?qū)I(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)取得成功。另外，德國(guó)人H.Buss和I.Busker在2006年主導(dǎo)了一個(gè)四軸開源項(xiàng)目，從飛控到電調(diào)等全部開源，推出了四軸飛行器最具參考的自駕儀Mikrokopter。2007年，配備Mikrokopter的四旋翼像“空中的釘子”一般停留在空中。很快他們又進(jìn)一步增加了組件，甚至使它半自主飛行。美國(guó)Spectrolutions公司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼（如下圖b），并隨后在2006年推出了搭載SAVS（穩(wěn)定航拍視頻系統(tǒng)）的版本。

在學(xué)術(shù)方面，2005年之后四旋翼飛行器繼續(xù)快速發(fā)展，更多的學(xué)術(shù)研究人員開始研究多旋翼，并搭建自己的四旋翼。

之前一直被各種技術(shù)瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)瞬間被炒得火熱，大家驚喜地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的飛行器的存在。一時(shí)間研究者蜂擁而至，紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。而國(guó)內(nèi)的愛好者也紛紛研究，并開設(shè)論壇。雖然多旋翼的算法易懂，但組裝一架多旋翼卻不是一件容易的事情。在早期研究階段，科研人員把很多時(shí)間都花在了飛行器的組裝調(diào)試環(huán)節(jié)。然而，有能力開發(fā)工藝的人往往缺乏對(duì)飛控的深入了解，一般只是復(fù)現(xiàn)國(guó)外的技術(shù)，談不上進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)時(shí)既掌握飛控技術(shù)又精通多旋翼工藝的經(jīng)常是那些原來從事固定翼或直升機(jī)飛控的公司。德國(guó)Microdrones雖然較早地推出產(chǎn)品，但是工業(yè)級(jí)的四旋翼的價(jià)格對(duì)于普通消費(fèi)者來說簡(jiǎn)直是遙不可及。除此之外，消費(fèi)級(jí)的Draganflyer 四旋翼之所以沒有推廣是因?yàn)槠洳倏匦约皧蕵沸圆粡?qiáng)（智能手機(jī)或平版電腦還尚未普及）、二次開發(fā)能力弱以及銷售渠道窄（當(dāng)時(shí)電商網(wǎng)絡(luò)處于初步發(fā)展階段）。

復(fù)興期：2010年至2013年

經(jīng)過6年努力（2004年至2010年），法國(guó)Parrot公司于2010年推出消費(fèi)級(jí)的AR.Drone四旋翼玩具，從而開啟了多旋翼消費(fèi)的新時(shí)代。AR.Drone四旋翼在玩具市場(chǎng)非常成功，它的技術(shù)和理念也十分領(lǐng)先。

第一，它采用光流技術(shù)，能夠測(cè)量飛行器速度，使得AR.Drone四旋翼(圖3a)能夠在室內(nèi)懸停。

第二，可以做到一鍵起飛，操控性得到極大提升。

第三，它采用手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦控制，視頻能夠直接回傳至電腦，娛樂感較強(qiáng)。

第四，整個(gè)飛行器為一體機(jī)，并帶有防護(hù)裝置，比較安全。

第五，AR.Drone開放了API接口，供科研人員開發(fā)應(yīng)用。

（四旋翼一體機(jī)產(chǎn)品）

AR.Drone的成功也引發(fā)了一些自駕儀研發(fā)公司的思考。兩年后，大疆推出的小精靈Phantom一體機(jī)(圖b)正是借鑒了其設(shè)計(jì)理念。伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)用加速計(jì)、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個(gè)傳感器，成本和功耗進(jìn)一步降低，成本僅為幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價(jià)格不到5美元。WiFi等通信芯片被用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質(zhì)量已經(jīng)可以充分滿足幾百米的傳輸需求。同時(shí)，電池能量密度不斷增加，使無(wú)人機(jī)在保持較輕的重量下，續(xù)航時(shí)間達(dá)到15-30分鐘，基本滿足日常的應(yīng)用需求。近年來移動(dòng)終端同樣促進(jìn)了鋰電池、高像素?cái)z像頭性能的急劇提升和成本下降。這些都促進(jìn)了多旋翼更進(jìn)一步發(fā)展。

與此同時(shí)，學(xué)術(shù)界也開始高度關(guān)注多旋翼技術(shù)。2012年2月，賓夕法尼亞大學(xué)的 V.Kumar 教授在 TED大會(huì)上做出了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講，展示了四旋翼的靈活性以及編隊(duì)協(xié)作能力。這一場(chǎng)充滿數(shù)學(xué)公式的演講大受歡迎，它讓世人看到了多旋翼的內(nèi)在潛能。

2012年，美國(guó)工程師協(xié)會(huì)的機(jī)器人和自動(dòng)化雜志（Robotics & Automation Magazine,IEEE）出版空中機(jī)器人和四旋翼（Aerial Robotics and the Quadrotor）專刊，總結(jié)了階段性成果，展示了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)。在這期間，之前不具備多旋翼控制功能的開源自駕儀增加了多旋翼這一功能，同時(shí)也有新的開源自駕儀不斷加入，這極大地降低了初學(xué)者的門檻，為多旋翼產(chǎn)業(yè)發(fā)展裝上了翅膀。

爆發(fā)期：2013年至今

2012年初，大疆推出小精靈Phantom一體機(jī)。Phantom與AR.Drone一樣控制簡(jiǎn)便，初學(xué)者很快便可上手。同時(shí)，價(jià)格也能被普通消費(fèi)者接受。相比AR.Drone四旋翼飛行器，Phantom具備一定的抗風(fēng)性能、定位功能和載重能力，還可搭載小型相機(jī)。當(dāng)時(shí)利用Gopro運(yùn)動(dòng)相機(jī)拍攝極限運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為歐美年輕人競(jìng)相追逐的時(shí)尚潮流，因此Phantom一體機(jī)一經(jīng)推出便迅速走紅。

連線雜志主編C.Anderson于2012年年底擔(dān)任3D Robotics公司CEO，該公司于2013年8月推出Iris遙控四旋翼飛行器，于2014推出X8+四旋翼飛行器，并很快于2015年推出Solo四旋翼飛行器。

（多旋翼主要開源項(xiàng)目一覽表）

此時(shí)，學(xué)術(shù)界對(duì)于多旋翼的研究更偏向智能化、群體化。2013年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的R.D'Andrea教授在TEDGlobal的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室展示了四旋翼的驚人運(yùn)動(dòng)機(jī)能。縱觀學(xué)術(shù)界的發(fā)展，以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼（multirotor）”為關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)在近年成井噴趨勢(shì)。這些研究往往具備前瞻性，將推動(dòng)多旋翼產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。

3、 新技術(shù)促產(chǎn)業(yè)快速變革

多旋翼的性能會(huì)因其他技術(shù)的進(jìn)步而進(jìn)步，其相對(duì)固定翼和直升機(jī)的優(yōu)勢(shì)也會(huì)進(jìn)一步凸顯。

（近期發(fā)布的多旋翼飛行器產(chǎn)品一覽表）

動(dòng)力技術(shù)

①新型電池。

2015年，來自加拿大蒙特利爾的EnergyOr技術(shù)有限公司采用燃料電池的四旋翼進(jìn)行了2小時(shí)12分鐘續(xù)航飛行。2015年4月6日，科學(xué)權(quán)威期刊《自然》網(wǎng)絡(luò)版刊登了一篇報(bào)道，一種鋁電池僅需60秒便能讓手機(jī)電力“滿血復(fù)活”。此外，石墨烯、鋁空氣、納米點(diǎn)這三項(xiàng)電池技術(shù)將成為未來電池世界的三大奇兵。這些新的電池技術(shù)有著十分迫切的需求，首先會(huì)被應(yīng)用到手機(jī)和電動(dòng)汽車，隨后可配備多旋翼。

②混合動(dòng)力。

2015年，美國(guó)初創(chuàng)公司Top Flight Technologies開發(fā)出混合動(dòng)力六旋翼無(wú)人機(jī)。它僅需要1加侖（約合3.78升）汽油便可以飛行兩個(gè)半小時(shí)（可飛行約160公里），最高負(fù)重達(dá)20磅（約合9公斤）。

③地面供電。

它采用地面供電，通過電纜將電能源源不斷輸送給多旋翼，例如Skysapience公司的Hoverlite。

④無(wú)線充電。

來自德國(guó)柏林的初創(chuàng)公司 SkySense在無(wú)人機(jī)戶外充電方面提供了一種解決方案，他們研發(fā)出一塊可以為無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電的平板。SkySense的最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，無(wú)人機(jī)的“降落—充電—起飛”全過程可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，不需要人為進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)和輔助。如果能夠縮短充電時(shí)間，那么無(wú)線充電技術(shù)將會(huì)極大地幫助多旋翼進(jìn)行長(zhǎng)途飛行。

導(dǎo)航技術(shù)

定位是導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù)，目前該領(lǐng)域發(fā)展迅速。

①GPS載波相位定位。

來自美國(guó)的Swift Navigation公司基于該項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的Piksi是一個(gè)低耗電、高性能的具備RTK功能的厘米級(jí)的GPS接收器。它的小型化、高更新率和低能耗的特點(diǎn)使得它非常適合集成到自動(dòng)駕駛飛行器和便攜的測(cè)量設(shè)備里。由日本東京海洋大學(xué)開發(fā)的RTKLIB開源項(xiàng)目（http://www.rtklib.com/）也在積極推動(dòng)RTK技術(shù)發(fā)展。

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（Navigation via Signals of Opportunity）技術(shù)。該技術(shù)將利用包括TV、收音機(jī)、WiFi等信息進(jìn)行定位，彌補(bǔ)GPS 的不足。

③UWB (Ultra Wideband，超寬帶)無(wú)線定位。

UWB信號(hào)具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此適用于靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤，提供十分精確的定位精度，靜態(tài)精度可達(dá)10厘米。通過與慣性導(dǎo)航傳感器融合，UWB可以提供更高的精度、更強(qiáng)的魯棒性。

對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)，在飛行過程中，快速且準(zhǔn)確地獲取自身速度能有效地提高多旋翼控制的穩(wěn)定性（提高阻尼），從而達(dá)到更好的懸停和操控效果，因此測(cè)速工作起到了十分重要的作用。比較精確的測(cè)速方案是通過“視覺（光流）+超聲波+慣導(dǎo)”的融合。Ar.Drone是最早采用該項(xiàng)技術(shù)的多旋翼飛行器，它極大地提升了飛行器的可操控性。PX4自駕儀開源項(xiàng)目提供了開源的光流傳感器PX4Flow。該傳感器可以幫助多旋翼在無(wú)GPS情況下實(shí)現(xiàn)精確懸停。

為了使多旋翼完成更好的飛行，避障技術(shù)無(wú)疑能夠?yàn)槠涮峁└臃€(wěn)定的導(dǎo)航性能。

①深度相機(jī)避障技術(shù)。

它的原理是先對(duì)場(chǎng)景投影結(jié)構(gòu)光，然后分析紅外傳感器接收的反光得到深度信息。微軟在2010年推出了深度相機(jī)Kinect。然而Kinect體積還是較大，并且在兩米之外才能準(zhǔn)確地識(shí)別用戶手勢(shì)。2014年，芯片廠商英特爾推出RealSense傳感器，體積更小，使用距離更短。在2015年CES美國(guó)消費(fèi)電子展上，英特爾把RealSense技術(shù)也應(yīng)用到了無(wú)人機(jī)上，以用于感知周圍環(huán)境，進(jìn)而自主避障。

②聲吶系統(tǒng)避障技術(shù)。

Panoptes公司擬推出Bumper4避障系統(tǒng)。它由指向多個(gè)方向的超聲波傳感器組成，通過測(cè)量多個(gè)方向的距離來判斷障礙。

③“視覺+憶阻器”避障技術(shù)。

美國(guó) “Bio Inspired”公司期望利用視覺和憶阻器（具有短期記憶效果的電阻器）使系統(tǒng)具備識(shí)別和短期記憶功能，從而使無(wú)人機(jī)擁有避障的能力。

④雙目視覺避障技術(shù)。

美國(guó)的Skydio公司采用兩個(gè)普通的攝像頭充當(dāng)無(wú)人機(jī)的“眼睛”并研發(fā)出識(shí)別障礙軟件，從而使多旋翼無(wú)人機(jī)能夠具備識(shí)別障礙的能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自我導(dǎo)航。

⑤微小型雷達(dá)。

Echodyne公司利用一臺(tái)四軸無(wú)人機(jī)展示了它的小型電子掃描雷達(dá)。它可追蹤地面上的某個(gè)人，或是在飛行中躲避障礙物，不過目前它仍然處于原型階段。他們?cè)噲D將這款雷達(dá)的尺寸縮小到只有一臺(tái)iPhone6 Plus大小，且重量不超過1磅。

無(wú)人機(jī)通常利用被跟蹤者身上放置的GPS裝置進(jìn)行定位和跟蹤。這種方式會(huì)在某種程度上影響用戶體驗(yàn)。除此之外，在沒有GPS信號(hào)的情況下，該方式就會(huì)失效。而且，對(duì)于非自愿攜帶GPS設(shè)備的用戶，該方式也是行不通的。

新的技術(shù)完全可以從視覺和雷達(dá)角度出發(fā)。視覺跟蹤技術(shù)方面，3D Robotics公司推出開源飛控應(yīng)用Tower，它能夠使飛行器跟隨用戶，并將用戶保持在攝像頭中心。OpenCV開源軟件也同樣有很多跟蹤算法供飛行器開發(fā)。此外，采用小型電子掃描雷達(dá)也能夠?qū)崿F(xiàn)新式的跟蹤模式。

交互技術(shù)

①手勢(shì)控制技術(shù)。

在CES 2014的展場(chǎng)上，工作人員演示了利用MYO手勢(shì)控制臂帶來控制AR.Drone 2.0四旋翼。用戶只要將臂帶戴在其中一只手上，并以兩只手指擊響便可啟動(dòng)并控制該飛行器。智能手機(jī)、手環(huán)、手表、戒指等內(nèi)置慣性傳感器的設(shè)備也可以識(shí)別操作者的手勢(shì)，用于控制多旋翼。

②腦機(jī)接口。

它是指在人腦與計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備之間建立直接的連接通路。通過對(duì)于腦電信息的分析解讀，將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動(dòng)作，就像是在用“意念”操控物體。多家機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)也展開了研究。布朗大學(xué)與猶他州Blackrock Microsystems公司的研究員將此無(wú)線裝置商業(yè)化，他們將其粘附在人類頭骨上，并通過無(wú)線電發(fā)送由人腦植入設(shè)備收集的意識(shí)命令；Emotiv公司的EPOC可以檢測(cè)8種行為現(xiàn)象，識(shí)別出7種表情，從而使殘障人士具備控制飛行器的能力；浙江大學(xué)CCNT實(shí)驗(yàn)室的研究人員演示了FlyingBuddy2系統(tǒng)—即用大腦控制四旋翼無(wú)人飛行器；葡萄牙里斯本的無(wú)人機(jī)公司Tekever推出了一種依靠腦電波操控的無(wú)人飛機(jī)。

通信技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)有助于信息共享，適用于交通管理或自身監(jiān)控等，比如將數(shù)據(jù)備份到云端進(jìn)行云計(jì)算等。

①4G/5G通信技術(shù)。

2013年6月17日，北京4G聯(lián)盟聯(lián)合無(wú)人機(jī)聯(lián)盟組織召開了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，促進(jìn)北京市信息產(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，能支持航拍影像即拍即傳。

②WiFi通信技術(shù)。

2013年，德國(guó)的卡爾斯魯厄理工學(xué)院開發(fā)出了一項(xiàng)新的無(wú)線廣域網(wǎng)技術(shù)，打破了最快的WiFi網(wǎng)絡(luò)速度紀(jì)錄，它可以讓1公里以外的用戶每秒鐘下載40GB大小的數(shù)據(jù)。由于這種設(shè)備的傳輸距離比普通WiFi路由器的覆蓋范圍要廣得多，因此這種設(shè)備很適合無(wú)人機(jī)航拍圖傳或光纖布放不方便的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用。

芯片技術(shù)

①在2015年CES上，高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器。

例如，高通在CES上展示的Snapdragon Cargo無(wú)人機(jī)是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來的飛行控制器。它具備無(wú)線通信、傳感器集成和空間定位等功能。英特爾CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無(wú)人機(jī)，采用了四核的英特爾凌動(dòng)（Atom）處理器的PCI-express定制卡。此外，活躍在機(jī)器人市場(chǎng)的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進(jìn)入無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。

②3D Robotics發(fā)表聲明與英特爾共同合作開發(fā)Edison芯片，這是一種新型微型處理芯片。

雖然它只有一個(gè)硬幣的大小，卻具有個(gè)人電腦一樣的處理能力。

③目前，包括IBM在內(nèi)的多家科技公司都在模擬大腦，開發(fā)神經(jīng)元芯片。

而一旦“神經(jīng)形態(tài)”芯片被應(yīng)用于無(wú)人機(jī)，自主反應(yīng)、自動(dòng)識(shí)別將會(huì)變得輕而易舉。

④未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品會(huì)向集成化方向發(fā)展。

例如三軸加速度與三軸陀螺儀結(jié)合而成的集成產(chǎn)品。手機(jī)芯片公司推出無(wú)線多合一芯片后，又推出了手機(jī)市場(chǎng)的定位與導(dǎo)航芯片。新一代定位芯片，將滿足可穿戴與無(wú)人機(jī)等差異化需求。不僅如此，新芯片內(nèi)部還會(huì)直接集成控制算法。

⑤為了讓機(jī)器人應(yīng)用能夠更好地感知環(huán)境，高通研究院正在開發(fā)一款機(jī)器視覺研究軟件開發(fā)工具包(SDK)，其中包含至關(guān)重要的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。

比如：視覺慣性測(cè)程、視覺同步定位和繪圖立體相機(jī)景深。對(duì)于可穿戴設(shè)備和無(wú)人機(jī)等新興領(lǐng)域的定位需求，他們需要更準(zhǔn)確、更小尺寸或是更快速的定位，甚至室內(nèi)導(dǎo)航功能，同時(shí)這些領(lǐng)域的需求并不要求集成其他無(wú)線功能，這給傳統(tǒng)的定位芯片廠家又帶來了新的商機(jī)。

平臺(tái)技術(shù)

①“Dronecode”無(wú)人機(jī)開源系統(tǒng)。

2014年10月，著名計(jì)算機(jī)開源系統(tǒng)公司Linux推出了名為“Dronecode”的無(wú)人機(jī)開源系統(tǒng)合作項(xiàng)目，將3D Robotics、英特爾、高通、百度等科技巨頭納入項(xiàng)目組，旨在為無(wú)人機(jī)開發(fā)者提供所需要的資源、工具和技術(shù)支持，加快無(wú)人機(jī)和機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。

②Ubuntu 15.04操作系統(tǒng)。

Ubuntu 15.04的物聯(lián)網(wǎng)版本是Ubuntu目前最小且最安全的版本，它十分精簡(jiǎn)，適合開發(fā)者、科技專業(yè)人士使用，能夠在無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域中使用。

③Airware企業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

Airware公司旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)人機(jī)軟件系統(tǒng)，幫助企業(yè)迅速、高效地完成商用無(wú)人飛行器的部署及管理。該系統(tǒng)已于2015年4月16日正式發(fā)布，通過硬件與軟件的結(jié)合，Airware成功地實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)軟件平臺(tái)上統(tǒng)一管理多個(gè)不同型號(hào)、不同品牌無(wú)人機(jī)的目標(biāo)。目前，Airware產(chǎn)品已獲得兩家合作伙伴的采納，分別為通用電氣(也同時(shí)是Airware的投資者)和Infinigy。

④一家名為Percepto的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在Indiegogo上發(fā)起了一個(gè)同名開源項(xiàng)目，它是一個(gè)可以安裝在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)之上的計(jì)算機(jī)視覺組件，目標(biāo)是搭建一個(gè)集硬件、驅(qū)動(dòng)、算法、安全、機(jī)身控制于一體的平臺(tái)，讓更多的開發(fā)者在此平臺(tái)上為無(wú)人機(jī)開發(fā)應(yīng)用。

空管技術(shù)

①2014年，Airware計(jì)劃在NASA加州基地針對(duì)不同類型的無(wú)人機(jī)（四旋翼、直升機(jī)、固定翼飛機(jī)）展開一系列的飛行和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，最快可能會(huì)在今年開始該項(xiàng)目。測(cè)試第一階段的目標(biāo)是理解不同的飛行器對(duì)空管系統(tǒng)的響應(yīng)方式。

②初創(chuàng)公司Skyward正在研發(fā)無(wú)人機(jī)交通控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)使數(shù)千無(wú)人機(jī)在城市上空飛行而不會(huì)互相碰撞。Skyward正在跟FAA和全球三大無(wú)人機(jī)制造商（大疆、3D Robotics、Parrot）合作以證明大量的無(wú)人機(jī)可以在擁擠空域安全地共存。

③NASA同空間技術(shù)公司Exelis已經(jīng)聯(lián)手組成團(tuán)隊(duì)開發(fā)無(wú)人機(jī)空中交通管制系統(tǒng)的原型產(chǎn)品。

技術(shù)碰撞產(chǎn)生新火花

在多旋翼的潛在新技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，各個(gè)技術(shù)是相互耦合依存的，比如芯片、傳感器和算法等等。這些技術(shù)將構(gòu)成無(wú)人機(jī)（多旋翼）的生態(tài)環(huán)境, 這種情況下無(wú)人機(jī)（多旋翼）的發(fā)展可能被其中某項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)，存在著各種可能性，很多是我們目前無(wú)法想象到的。同樣，在無(wú)人機(jī)（多旋翼）發(fā)展帶動(dòng)的技術(shù)也會(huì)促進(jìn)相關(guān)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，解決各種實(shí)際問題。

4 、風(fēng)險(xiǎn)問題何解

不同產(chǎn)品可容忍的最低可靠性指標(biāo)是不一樣的，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)不一樣。比如，對(duì)于個(gè)人操作系統(tǒng)，死機(jī)并不會(huì)對(duì)用戶帶來太多的損失，重啟電腦即可。然而，如果多旋翼墜機(jī)，那么損失會(huì)很大，進(jìn)而造成一系列影響。

首先是人身安全問題。雖然多旋翼正向著輕量化方向發(fā)展，但在搭載了各種設(shè)備之后，其自身重量必然大幅增加，很可能砸傷甚至砸死人。

其次是財(cái)產(chǎn)安全。無(wú)人機(jī)不同于航模，它搭載著各種精密昂貴的傳感器設(shè)備，它們有的價(jià)值百萬(wàn)元甚至更高。面對(duì)如此精貴的“測(cè)繪裝備”，多旋翼的操控人員更需要過硬的技術(shù)和心理素質(zhì)。

最后是道德和輿論風(fēng)險(xiǎn)。多旋翼砸傷砸死人、公共安全或隱私等問題很可能引起媒體的大量報(bào)道，這無(wú)疑對(duì)多旋翼的發(fā)展形成較大阻力。目前，我們已經(jīng)能夠看到風(fēng)險(xiǎn)上升的苗頭。2015年1月29日，無(wú)人機(jī)闖入了白宮，緊接著在2015年4月24日，另一架無(wú)人機(jī)又在日本首相官邸墜落。

那么，如何才能有效地降低風(fēng)險(xiǎn)呢？對(duì)于多旋翼生產(chǎn)和設(shè)計(jì)廠商，有效地執(zhí)行以下五點(diǎn)對(duì)策會(huì)在很大程度上減輕飛行器的風(fēng)險(xiǎn)。

第一，提高飛行器自身的可靠性。

硬件方面，購(gòu)買質(zhì)量有保證的元器件。軟件方面，需要進(jìn)行大量的測(cè)試和考慮安全實(shí)效保護(hù)措施。這需要花費(fèi)大量的人力和物力。因此，對(duì)于掌握飛控方面核心技術(shù)和具備開發(fā)能力，十分重要。

第二，減少飛行器下降帶來的沖擊。

減輕重量是最有效的方法，這會(huì)隨著設(shè)備的小型化和材料的輕型化實(shí)現(xiàn)。另外一方面，多旋翼裝載降落傘也是一種選擇。

第三，為飛機(jī)編寫ID號(hào)（飛機(jī)編號(hào)）。

這就像車輛需要有車牌號(hào)一樣，每架多旋翼也需要有個(gè)ID號(hào)。這樣可有效減少不法人員對(duì)多旋翼飛行器的濫用。

第四，設(shè)置禁飛區(qū)。

只要不在人口密集區(qū)飛行，墜機(jī)對(duì)人類的傷害就不會(huì)很大。但在人口密集區(qū)域，墜機(jī)的負(fù)面影響便會(huì)大大增加。因?yàn)椋翘嘏?，無(wú)人機(jī)在人口密集區(qū)域不應(yīng)飛行。此外，在人口稀少地帶，操作人員可以采用運(yùn)營(yíng)商聯(lián)動(dòng)的方式，利用短信群發(fā)功能通知周邊人員，以提高安全系數(shù)。

第五，防欺騙和入侵。

多旋翼在飛行過程中可能被盜或發(fā)生數(shù)據(jù)泄漏，進(jìn)而引發(fā)安全事故。例如在2012年，德克薩斯大學(xué)某一研究團(tuán)隊(duì)告知美國(guó)國(guó)會(huì)，他們可以利用商店買來的GPS設(shè)備入侵價(jià)值8萬(wàn)美元的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部。為了防止類似情況發(fā)生，多旋翼需要更安全的設(shè)計(jì)，包括通訊鏈路加密、防病毒設(shè)計(jì)等等。

對(duì)于多旋翼運(yùn)營(yíng)廠商，要注意以下三點(diǎn)。

第一，培養(yǎng)合格的多旋翼飛控手。在敏感區(qū)域飛行或飛行器重量超過一定限制時(shí)，需要持證上崗。

第二，辦理保險(xiǎn)。未來購(gòu)買多旋翼飛行器應(yīng)該像買汽車一樣繳納強(qiáng)制險(xiǎn)以減少自身風(fēng)險(xiǎn)，尤其當(dāng)多旋翼搭載了十分昂貴的設(shè)備時(shí)。

第三，限制飛行器飛行范圍。

5 “多旋翼+”開啟飛行新時(shí)代

多旋翼本身就是類似“互聯(lián)網(wǎng)+”的平臺(tái)，它與各行業(yè)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用(見下表)。

6 、多旋翼未來何去何從

從事多旋翼開發(fā)，無(wú)外乎從需求、方案、技術(shù)三個(gè)角度入手。

需求創(chuàng)新不僅需要對(duì)用戶需求的把握，還要綜合把握方案和技術(shù)的可行性。需求創(chuàng)新又會(huì)帶來新的問題和特色，這樣會(huì)立刻形成產(chǎn)品和方案的差異性。新的問題引發(fā)新的設(shè)計(jì)、新的技術(shù)開發(fā)與集成，從而形成門檻。

方案創(chuàng)新需要廣闊的知識(shí)面和對(duì)專業(yè)技術(shù)可行性的把握，它會(huì)降低技術(shù)的難度。

技術(shù)創(chuàng)新需要本領(lǐng)域很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，其難度在于需要對(duì)多旋翼的某種性能進(jìn)行較大改善。行業(yè)每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都會(huì)帶來新需求和問題。多旋翼與其他設(shè)備組合，不斷形成新的應(yīng)用。新的應(yīng)用場(chǎng)景勢(shì)必帶來新的問題、新的技術(shù)。同時(shí)，應(yīng)該對(duì)用戶進(jìn)行細(xì)分。這可以挖掘另外的新需求。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推出同樣也會(huì)擴(kuò)大需求。國(guó)內(nèi)外相關(guān)政策不斷完善，行業(yè)也將變得更加規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)必會(huì)給用戶吃下定心丸，刺激用戶購(gòu)買欲望，從而會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大需求。

目前，具有廣大消費(fèi)群體的市場(chǎng)需求是被普遍看好的，比如玩具、教育、可穿戴四旋翼以及農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)等熱門領(lǐng)域。多旋翼需要可靠的品質(zhì)，這就意味著生產(chǎn)商需要源源不斷的研發(fā)投入。因此，安全風(fēng)險(xiǎn)可控和具備廣闊的消費(fèi)群體的市場(chǎng)可以幫助廠家賺取合理的利潤(rùn)，進(jìn)一步幫助產(chǎn)品提升質(zhì)量。

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