第四节　无人机的发展历程及趋势

一、多旋翼无人机的发展历程

多旋翼无人机结构简单，维护成本低，近几年得到快速发展。现以航拍无人机为例，介绍多旋翼无人机的发展历程。根据多旋翼无人机核心技术的应用，可以把航拍多旋翼无人机的发展归纳为4代，如图1-41所示。

1.第1代多旋翼无人机

2009～2012年，第1代多旋翼无人机以飞控系统为核心，外挂小型运动相机和模拟图像传输（简称图传），通过无线电遥控器操控飞机进行最初级的短距离飞行和视频录制，因此，第1代多旋翼无人机也称为近距离航拍无人机。在这期间，国内大疆公司推出了Wookong-M和Naza-M飞控系统，极飞科技推出了SuperX飞控系统，国外推出了APM开源飞控系统，如图1-42所示。这些飞控系统具备姿态增稳的飞行控制方式，通过GPS定位系统实现户外定位悬停和自主返航。

F450四旋翼航拍无人机是第1代多旋翼无人机的典型代表，如图1-43所示。

飞控系统、外挂相机和模拟图传是第1代多旋翼无人机的典型特征。

2.第2代多旋翼无人机

2012～2014年，在以飞控系统为核心技术的基础上，采用无刷电动机驱动云台、高清广角相机和Wi-Fi数字图传这三大核心技术，开发了第2代多旋翼无人机，因此，第2代多旋翼无人机也称为远距离高画质航拍无人机。2012年，大疆公司发布的全球首款三轴无刷电动机直驱禅思Z15-5N云台，如图1-44所示，它利用姿态解析和超高精度无刷电动机控制解决了舵机式云台响应慢、转动不平滑所导致拍摄的视频抖动以及水波纹问题，开启了多旋翼无人机真正意义上的航拍时代。2013～2014年，消费类多旋翼无人机开始全面普及搭载无刷云台和相机，代表的云台是大疆公司的Zenmuse H3-2D，如图1-45所示。

2014年，大疆公司推出了首款高清广角相机并和无刷云台集成的一体机方案Phantom 2 Vision+，同时采用Wi-Fi数字图传提供远距离和清晰的传输画质，如图1-46所示。无人机厂商自主研发高清相机并集成到云台成为发展趋势，以一体化为标准的第2代无人机设计理念逐步得到广泛认同。

无刷电动机驱动云台、高清广角相机、Wi-Fi数字图传、一体化设计成为第2代多旋翼无人机的典型特征。

3.第3代多旋翼无人机

2014～2015年出现第3代多旋翼无人机，在第2代高画质航拍无人机核心技术的基础上，发展了全高清图传、4K相机和初级视觉悬停辅助系统三大核心技术，并增加如GPS跟随等辅助功能，因此，第3代多旋翼无人机也称为全高清航拍无人机。2014年，大疆公司发布了Lightbridge全高清数字图传，如图1-47所示。它实现了3km的高清图像实时传输功能，相比Wi-Fi数字图传，传输距离远2～3倍，环境抗干扰能力更强，信号传输延时低。Lightbridge的发布可以说是开启了无人机高清航拍的时代。

2014年，Parrot公司推出的AR Drone是首款具备超声波加光流传感器实现无GPS定位悬停功能的一体机，如图1-48所示。超声波加光流的视觉悬停辅助系统可实现室内飞行器精准的定位悬停，大大提高了飞行安全性。

大疆公司的Inspire 1是全球首款配备4K相机、集成Lightbridge高清图传的一体化设计航拍四旋翼无人机，同时配备超声波加光流的视觉悬停辅助系统，如图1-49所示。

消费类航拍无人机进入高清时代是从2015年大疆公司的Phantom3系列开始，配备视觉悬停辅助系统，提升飞行的安全性，无人机厂商也相继研发出4K超高清相机和视觉悬停辅助系统的一体机。

大疆公司的Phantom3、3DR公司的SOLO、零度智控公司的XIRO Explorer等无人机纷纷加入GPS跟随功能，提升个人航拍的操控体验，如图1-50所示。

高清图传、初级视觉悬停辅助、自带4K高清相机是第3代多旋翼无人机的典型特征。

4.第4代多旋翼无人机

2016年，随着智能硬件技术的快速发展，以第3代全高清航拍无人机核心技术为基础，具备环境感知、视觉跟随、自主避障和精确视觉悬停辅助系统等核心技术的消费类航拍无人机进入第4代智能视觉航拍无人机时代。

前3代的消费类航拍无人机在拍摄方式上都是基于用户手动或者借助GPS进行半自动跟随飞行。2014年，北美无人机公司推出“AirDog”无人机，主打功能是自动跟随拍摄，虽然依靠GPS的位置跟随效果并不理想，但也引申出第4代消费类航拍无人机所需技术：环境感知并识别周围的障碍物、跟随时自动绕飞、依靠非GPS跟随的方式追踪目标。

2016年，大疆公司推出的Phantom4是全球首款第4代智能视觉无人机，如图1-51所示。其前视双摄像头具备障碍物感知功能，基于图像识别的视觉跟随能够实时自主避障。视觉悬停辅助的系统组成和处理性能进一步提升，由单一超声波和光流传感器扩展至双超声波加双光流传感器的系统，悬停精度、响应速度和环境抗干扰能力大大提升，降低了无GPS飞行时的安全风险。

视觉精确悬停辅助、环境感知与避障、视觉跟随是第4代多旋翼无人机的典型特征。

二、无人机的发展现状

目前世界上有三十几个国家和地区研制了数百种型号的无人机，广泛应用到航拍、警力、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾等多个行业。

2015年，全球无人机大约销售58.7万架，其中军用无人机约占3%，民用无人机约占97%。民用无人机销量中，专业级无人机销量约17.1万架，消费级无人机销量约39.9万架，预计2016年民用无人机将保持48%左右的速率增长，达84万架。2015年全球无人机销售额达70亿美元，同比增长9.4%，预计2016年将达到76.3亿美元，2020年将超过100亿美元。

2015年世界民用无人机企业排行榜见表1-2。

根据前瞻产业研究院发布的《2015～2020年中国无人机行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》，目前，我国从事无人机行业的单位有300多家，其中规模比较大的企业有160家左右，形成了配套齐全的研发、制造、销售和服务体系。目前在研和在用的无人机型多达上百种，小型无人机技术逐步成熟，战略无人机已试飞，攻击无人机也已多次成功试射空地导弹。

2010年之前，我国民用无人机市场规模小，增长缓慢，主要用于灾害救援、地图测绘等专业级市场。最开始的消费级无人机主要受众是航模爱好者和DIY（do it yourself，自己动手做）发烧友。2014年国内民用无人机产品销售规模为15亿元人民币，2015年约为23.3亿元人民币。未来5年，将保持60%左右的复合增长率，到2018年市场规模将超过80亿元人民币。

三、多旋翼无人机的发展趋势

未来多旋翼无人机的发展趋势是智能化，并向高空、高速、长航程、高载荷、能源多样化等方向发展。

（1）高速旋翼无人机　速度一直是衡量无人机性能的指标，但也是旋翼式无人机的固有弱点。通过各种旋翼技术提高旋翼式无人机航速，是未来高速旋翼无人机的发展方向之一。

（2）大型旋翼无人机　目前旋翼无人机多是中小型无人机，承载小，而很多任务需要载荷更大、滞空时间更长、航程更远的无人机来完成。长航时、高航程无人机可在侦察、通信中继、边境巡逻等军民用任务方面发挥更大的作用。很多国家都开始了大型无人直升飞机的研究和开发，并有了一定的进展。而随着飞行控制算法的改进，无线通信技术的发展以及动力系统的提升，可以飞行数十小时、上千千米，搭载大重量载荷的旋翼无人机将会逐渐出现。

（3）微型旋翼无人机　微型旋翼无人机通常指基准尺寸（长度和翼展）小于15cm的无人机，这种无人机很难用雷达或红外传感器探测到，而且飞行噪声小。微型无人机在携带、执行情报、监视、侦察和电子战等任务方面拥有极大的优势，而且机型的缩小也带来了机动能力和战场生存能力的提高。随着纳米技术、微型传感器技术、微电波技术的发展，微型无人机将会越来越小。

（4）多用途高智能化旋翼无人机　目前的旋翼式无人机缺少应对突发情况的能力，只能执行预定的任务和接受地面站的控制，功能单一，智能化程度低。因此，随着电子技术、信息技术、控制技术的飞速发展，旋翼无人机需要能根据飞行控制算法自主判断当前状态，快速进行危机决断，选择飞行动作。目前的无人机多是单架执行单一任务，很难满足日益增长的任务需要，所以，旋翼无人机还需要可以搭载功能更多更全的电子设备，实现旋翼无人机的多用途化以及多机集群的任务协作。在未来信息化社会的大背景下，高智能化的旋翼无人机将逐步走入人们的生活。