一、無人機(jī)是什么

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱（Unmanned AerialVehicle），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)，包括無人直升機(jī)、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)。廣義地看也包括臨近空間飛行器（20-100公里空域），如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機(jī)等。從某種角度來看，無人機(jī)可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看做是“空中機(jī)器人”。

按照不同平臺(tái)構(gòu)型來分類，無人機(jī)可主要有固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)三大平臺(tái)，其它小種類無人機(jī)平臺(tái)還包括傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)和無人飛船等。固定翼無人機(jī)是軍用和多數(shù)民用無人機(jī)的主流平臺(tái)，最大特點(diǎn)是飛行速度較快；無人直升機(jī)是靈活性最強(qiáng)的無人機(jī)平臺(tái)，可以原地垂直起飛和懸停；多旋翼（多軸）無人機(jī)是消費(fèi)級(jí)和部分民用用途的首選平臺(tái)，靈活性介于固定翼和直升機(jī)中間（起降需要推力），但操縱簡(jiǎn)單、成本較低。

按不同使用領(lǐng)域來劃分，無人機(jī)可分為軍用、民用和消費(fèi)級(jí)三大類，對(duì)于無人機(jī)的性能要求各有偏重：1）軍用無人機(jī)對(duì)于靈敏度、飛行高度速度、智能化等有著更高的要求，是技術(shù)水平最高的無人機(jī)，包括偵察、誘餌、電子對(duì)抗、通信中繼、靶機(jī)和無人戰(zhàn)斗機(jī)等機(jī)型；

2）民用無人機(jī)一般對(duì)于速度、升限和航程等要求都較低，但對(duì)于人員操作培訓(xùn)、綜

合成本有較高的要求，因此需要形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈提供盡可能低廉的零部件和支持服務(wù)，目前來看民用無人機(jī)最大的市場(chǎng)在于政府公共服務(wù)的提供，如警用、消防、氣象等，占到總需求的約70%，而我們認(rèn)為未來無人機(jī)潛力最大的市場(chǎng)可能就在民用，新增市場(chǎng)需求可能出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)植保、貨物速度、空中無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域；

3）消費(fèi)級(jí)無人機(jī)一般采用成本較低的多旋翼平臺(tái)，用于航拍、游戲等休閑用途。

（圖 ：世界民用無人機(jī)使用領(lǐng)域構(gòu)成）

二、無人機(jī)技術(shù)難點(diǎn)

1、飛控系統(tǒng)是無人機(jī)的“駕駛員”-更精確、更清晰

飛控子系統(tǒng)是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場(chǎng)回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)，飛控對(duì)于無人機(jī)相當(dāng)于駕駛員對(duì)于有人機(jī)的作用，我們認(rèn)為是無人機(jī)最核心的技術(shù)之一。飛控一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分，實(shí)現(xiàn)的功能主要有無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。

其中，機(jī)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(chǔ)，是保證飛機(jī)控制精度的關(guān)鍵，在不同飛行環(huán)境下、不同用途的無人機(jī)對(duì)傳感器的配置要求也不同。未來對(duì)無人機(jī)態(tài)勢(shì)感知、戰(zhàn)場(chǎng)上識(shí)別敵我、防區(qū)外交戰(zhàn)能力等方面的需求，要求無人機(jī)傳感器具有更高的探測(cè)精度、更高的分辨率，因此國(guó)外無人機(jī)傳感器中大量應(yīng)用了超光譜成像、合成孔徑雷達(dá)、超高頻穿透等新技術(shù)。

2、導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)的“眼睛”，多技術(shù)結(jié)合是未來方向

導(dǎo)航系統(tǒng)向無人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)，引導(dǎo)無人機(jī)按照指定航線飛行，相當(dāng)于有人機(jī)系統(tǒng)中的領(lǐng)航員。無人機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)主要分非自主（GPS等）和自主（慣性制導(dǎo)）兩種，但分別有易受干擾和誤差積累增大的缺點(diǎn)，而未來無人機(jī)的發(fā)展要求障礙回避、物資或武器投放、自動(dòng)進(jìn)場(chǎng)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(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。

3、動(dòng)力系統(tǒng)-渦輪有望逐步取代活塞，新能源發(fā)動(dòng)機(jī)提升續(xù)航能力

不同用途的無人機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的要求不同，但都希望發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、成本低、工作可靠：1）無人機(jī)目前廣泛采用的動(dòng)力裝置為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，但活塞式只適用于低速低空小型無人機(jī)；2）對(duì)于一次性使用的靶機(jī)、自殺式無人機(jī)或?qū)?，要求推重比高但壽命可以短?-2h），一般使用渦噴式發(fā)動(dòng)機(jī)；3）低空無人直升機(jī)一般使用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，高空長(zhǎng)航時(shí)的大型無人機(jī)一般使用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（美國(guó)全球鷹重達(dá)12t）；4）消費(fèi)級(jí)微型無人機(jī)（多旋翼）一般使用電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起飛質(zhì)量不到 100 克、續(xù)航時(shí)間小于一小時(shí)。

往前看，我們認(rèn)為隨著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的主力動(dòng)力機(jī)型，太陽能、氫能等新能源電動(dòng)機(jī)也有望為小型無人機(jī)提供更持久的生存力。

4、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)恰胺棚L(fēng)箏的線” –從獨(dú)立專用系統(tǒng)向全球信息格柵（GIG）過渡

數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)是無人機(jī)的重要技術(shù)組成，負(fù)責(zé)完成對(duì)無人機(jī)遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和傳感器傳輸，上行數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)遙控、下行數(shù)據(jù)鏈執(zhí)行遙測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸功能。普通無人機(jī)大多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，而中高空、長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)則都會(huì)采用視距和超視距衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)者無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈向著高速、寬帶、保密、抗干擾的方向發(fā)展，無人機(jī)實(shí)用化能力將越來越強(qiáng)。往前看，隨著機(jī)載傳感器、定位的精細(xì)程度和執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度不斷上升，對(duì)數(shù)據(jù)鏈的貸款提出了很強(qiáng)的要求，未來隨著機(jī)載高速處理器的突飛猛進(jìn)，預(yù)計(jì)幾年后現(xiàn)有射頻數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率將翻倍，未來在全天候要求低的領(lǐng)域可能還將出現(xiàn)激光通訊方式。

從美國(guó)制定的無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略上看，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)從最初 IP化的傳輸、多機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)，正在向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換傳輸，以及最終的完全全球信息格柵（GIG）配置過渡，為授權(quán)用戶提供無縫全球信息資源交互能力，既支持固定用戶、又支持移動(dòng)用戶。

三、無人機(jī)發(fā)展緣起

1、軍用技術(shù)溢出，成本下降引爆民用市場(chǎng)

戰(zhàn)爭(zhēng)是無人機(jī)發(fā)展的頭號(hào)牽引力，20世紀(jì)末經(jīng)歷三大技術(shù)發(fā)展浪潮。毫無疑問，無人機(jī)發(fā)展的初期是為了純粹的軍事用途：一戰(zhàn)時(shí)期英國(guó)研制的世界第一款無人機(jī)被定義為“會(huì)飛的炸彈”，二戰(zhàn)時(shí)期德軍已經(jīng)開始大量應(yīng)用無人駕駛轟炸機(jī)參戰(zhàn)；二戰(zhàn)后無人機(jī)研發(fā)的中心出現(xiàn)在美國(guó)和以色列，用途延伸至戰(zhàn)地偵察和情報(bào)搜集，無人機(jī)被派往朝鮮、越南和海灣戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)助美軍和以色列軍隊(duì)作戰(zhàn)。正是由于無人機(jī)在偵查方面低成本、控制靈活、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的天然優(yōu)勢(shì)，各國(guó)軍隊(duì)相繼投入大量經(jīng)費(fèi)研發(fā)無人機(jī)系統(tǒng)。

無人機(jī)技術(shù)在 20 世紀(jì)末經(jīng)歷了三次發(fā)展浪潮、真正進(jìn)入了第一個(gè)“黃金時(shí)代”：1）1990年后，全球共有 30多個(gè)國(guó)家裝備了師級(jí)（大型）戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)，代表機(jī)型有美國(guó)“獵人”、“先驅(qū)者”，以色列“偵察兵”、“先鋒”等；2）1993年后，中高空長(zhǎng)航時(shí)軍用無人機(jī)得到迅速發(fā)展，以美國(guó)“蒂爾”無人機(jī)發(fā)展計(jì)劃為代表，在波黑戰(zhàn)爭(zhēng)中大放異彩；3）20世紀(jì)末，旅團(tuán)級(jí)（中小型）固定翼和旋翼戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)，其體積小、價(jià)格更低、機(jī)動(dòng)性好，標(biāo)志著無人機(jī)進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用時(shí)代。

早期的航空技術(shù)解決的是無人機(jī)能夠飛行的問題，而 20 世紀(jì) 80年代以來現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為無人機(jī)更高的飛行性能、更好的可靠性提供了條件，其中：1）智能化：自主飛控技術(shù)、急劇攀升的計(jì)算機(jī)處理能力推動(dòng)無人機(jī)向智能化發(fā)展，真正成為“會(huì)思考”的空中機(jī)器人；2）高速帶寬：高速寬帶網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)無人機(jī)組網(wǎng)和互相連通，無人機(jī)編組、空地裝備聯(lián)合成為可能；3）更輕的材料和傳感器：材料科學(xué)和微機(jī)電技術(shù)進(jìn)一步減輕無人機(jī)平臺(tái)重量、提高精確度；4）更強(qiáng)的續(xù)航能力：電池續(xù)航能力的大幅上升，以及新能源技術(shù)賦予無人機(jī)更長(zhǎng)的飛行時(shí)間。

2、技術(shù)向民用外溢，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入普及時(shí)代

由于軍用無人機(jī)在”3D”(DULL,DIRTY,DANGEROUS)環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的顯著優(yōu)勢(shì)以及靈活機(jī)動(dòng)的特性，民用各行各業(yè)對(duì)無人機(jī)的應(yīng)用也翹首以盼。但相比軍用無人機(jī)近百年的發(fā)展歷史，民用無人機(jī)在上世紀(jì)80 年代軍用無人機(jī)的現(xiàn)代系統(tǒng)得到大發(fā)展的基礎(chǔ)上才開始嘗試應(yīng)用，各領(lǐng)域全面開花應(yīng)用只有 10 余年時(shí)間。

日本的民用無人機(jī)開發(fā)較早：早在 1983年雅馬哈公司采用摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，開發(fā)了一種用于噴灑農(nóng)藥的無人直升機(jī)，1989 年其成為實(shí)際首架成功用于試飛的無人直升機(jī)，2002 年CERP 公司及發(fā)明一款 JAXA 多用途民用無人機(jī)；2003 年開始，耗時(shí) 3 年，岐阜工業(yè)協(xié)會(huì)先后開發(fā)了 4代無人機(jī)產(chǎn)品，主要應(yīng)用于森林防火、地震災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域；

美國(guó) NASA牽頭成立世界級(jí)無人機(jī)應(yīng)用中心：2003 年美國(guó) NASA成立世界級(jí)的無人機(jī)應(yīng)用中心，專門研究裝有高分辨率相機(jī)傳感器無人機(jī)的商業(yè)應(yīng)用。近年美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局用無人機(jī)追蹤熱帶風(fēng)暴有關(guān)數(shù)據(jù)，借此完善颶風(fēng)預(yù)警模型。2007年森林大火肆虐時(shí)，美國(guó)宇航局使用“伊哈納”（Ikhana）的無人機(jī)來評(píng)估大火的嚴(yán)重程度，以及災(zāi)害的損失估算工作。2011年墨西哥灣鉆井平臺(tái)爆炸后艾倫實(shí)驗(yàn)室公司的無人機(jī)協(xié)助溢油監(jiān)測(cè)和溢油處理等。

以色列也專門組建了一個(gè)民用無人機(jī)及其工作模式的試驗(yàn)委員會(huì)，2008年給予“蒼鷺“無人機(jī)非軍事任務(wù)執(zhí)行證書，并與有關(guān)部門合作展開多種民用任務(wù)的試驗(yàn)飛行。

歐洲在 2006年制定并即刻實(shí)施的“民用無人機(jī)發(fā)展路線圖”，之后歐盟擬籌夠一個(gè)泛歐民用無人機(jī)協(xié)調(diào)組織，為解決最關(guān)鍵的空中安全和適航問題提供幫助。

中國(guó)起步早，近年發(fā)展較快：中國(guó)上世紀(jì) 80年代，就將自行開發(fā)的無人機(jī)（脫胎于軍用機(jī)型）在地圖測(cè)繪和地質(zhì)勘探中做了嘗試。近些年，專為民用研制額”黔中“1 號(hào)無人機(jī)與 2010年順利首飛，2011 你那國(guó)產(chǎn)”蜜蜂“28無人機(jī)，可全自主起飛、著陸、懸停和航路規(guī)劃，能應(yīng)用農(nóng)業(yè)噴灑、電力巡檢、防災(zāi)應(yīng)急、航拍測(cè)繪、中繼通信等。

對(duì)于民用領(lǐng)域，無人機(jī)僅僅是一個(gè)飛行平臺(tái)，其功能歸根到底要通過機(jī)載系統(tǒng)中的任務(wù)載荷設(shè)備來完成。

和 To B 端各行各業(yè)無人機(jī)領(lǐng)域快速發(fā)展相比，近兩年 To C消費(fèi)端航拍、娛樂等市場(chǎng)，受益于無人機(jī)各方面技術(shù)的成熟和成本的大幅下降，可謂是爆發(fā)式發(fā)展。深圳大疆成立于06年，10年僅幾百萬收入，13年高達(dá)8億元，14 年近30億元。

3、硬件產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本下降為民用&消費(fèi)無人機(jī)爆發(fā)創(chuàng)造條件

近十年民用和消費(fèi)級(jí)無人機(jī)市場(chǎng)的興起，和硬件產(chǎn)業(yè)鏈的成熟、成本曲線不斷下降密不可分：隨著移動(dòng)終端的興起，芯片、電池、慣性傳感器、通訊芯片等產(chǎn)業(yè)鏈迅速成熟，成本下降，使智能化進(jìn)程得以迅速向更加小型化、低功耗的設(shè)備邁進(jìn)。這也給無人機(jī)整體硬件的迅速創(chuàng)新和成本下降創(chuàng)造了良好條件：

芯片——目前一個(gè)高性能FPGA芯片就可以在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)雙CPU的功能，以滿足導(dǎo)航傳感器的信息融合，實(shí)現(xiàn)無人飛行器的最優(yōu)控制。

慣性傳感器——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，成本僅在幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價(jià)格不到5美元。

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(zhì)量已經(jīng)可以充分滿足幾百米的傳輸需求。

電池——電池能量密度不斷增加，使得無人機(jī)在保持較輕的重量下，續(xù)航時(shí)能

有25-30分鐘，達(dá)到可以滿足一些基本應(yīng)用的程度，此外，太陽能電池技術(shù)使得高海拔無人機(jī)可持續(xù)飛行一周甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

相機(jī)等——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。

4、飛控系統(tǒng)開源，無人機(jī)飛入尋常百姓家

如果說硬件成本下降解決了無人機(jī)“身體”的問題，近年來飛控系統(tǒng)開源化的趨勢(shì)解決了無人機(jī)“大腦”的問題，從此無人機(jī)不再是軍用和科研機(jī)構(gòu)的專利，全世界的商業(yè)企業(yè)和發(fā)燒友都加入了無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大潮中，是引爆民用和消費(fèi)無人機(jī)市場(chǎng)的“爆點(diǎn)”。

德國(guó) MK 公司是多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)開源的鼻祖，其后 2011 年美國(guó) APM公司開放無人機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)徹底點(diǎn)燃了市場(chǎng)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的熱情，2012 年以后民用和消費(fèi)無人機(jī)進(jìn)入了加速上行的通道。

至今，國(guó)際無人機(jī)行業(yè)已經(jīng)形成了 APM（用戶最多）、德國(guó)MK（最早的開源系統(tǒng)）、Paparazzi（穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性強(qiáng)）、PX4 和 MWC（兼容性強(qiáng)）等五大無人機(jī)開源平臺(tái)。

以 PPZ（Paparazzi）為例，始于 2003 年的 PPZ是一個(gè)軟硬件全開源的系統(tǒng)，至今已經(jīng)形成了不僅覆蓋傳感器、GPS、自動(dòng)駕駛軟件，同時(shí)覆蓋地面設(shè)備的全套成熟解決方案，既可以驅(qū)動(dòng)固定翼飛機(jī)、也可以驅(qū)動(dòng)旋翼機(jī)，并且可以通過地面控制軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)飛行的衛(wèi)星地圖?？梢哉f，強(qiáng)大的開源飛控系統(tǒng)已經(jīng)使得無人機(jī)全面進(jìn)入“用戶友好”時(shí)代。

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