□文/全權(quán)

常見飛行器通常被分為固定翼、直升機和多旋翼（四旋翼最為主流）。在2010年之前，固定翼和直升機無論在航拍還是航模運動領(lǐng)域，基本上占有絕對主流的地位。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動領(lǐng)域的新星，但這仍然需要專業(yè)人員調(diào)試或裝配飛機。2012年底，中國大疆公司推出四旋翼一體機——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)成為微小型無人機或航模的主流。比如在2015年剛閉幕的中國國際模型博覽會和農(nóng)業(yè)展覽會上，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)的不斷進步、開源飛控社區(qū)的推動、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。

表1　無人機與航模的區(qū)別

對于目前多旋翼產(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）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駕駛儀的控制算法能夠完成多旋翼飛行器航路點到航路點的位置控制以及自動起降等。在這種控制方式下，多旋翼屬于無人機，而地面人員此時進行任務(wù)級的規(guī)劃。作為無人機，多旋翼飛行器可以在無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“空中機器人”。

緣何青睞多旋翼

我們以目前電動的固定翼、直升機和多旋翼為例比較它們的用戶體驗：

在操控性方面，多旋翼的操控是最簡單的。它不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。它的操控原理簡單，操控器四個遙感操作對應(yīng)飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法簡單，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡單。相對而言，學(xué)習(xí)固定翼和直升機的飛行不是簡單的事情。固定翼飛行場地要求開闊，而直升機飛行過程中會產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計困難，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。若僅考慮機械的可靠性，多旋翼沒有活動部件，它的可靠性基本上取決于無刷電機的可靠性，因此可靠性較高。相比較而言，固定翼和直升機有活動的機械連接部件，飛行過程中會產(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)簡單，若電機、電子調(diào)速器、電池、槳和機架損壞，很容易替換。而固定翼和直升機零件比較多，安裝也需要技巧，相對比較麻煩。

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。

對于這三種機型，操控性與飛機結(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。隨著電池能量密度的不斷提升、材料的輕型化和機載設(shè)備的不斷小型化，多旋翼的優(yōu)勢將進一步凸顯。因此，在大眾市場，“剛性”體驗最終讓人們選擇了多旋翼。

表2　三種飛行器用戶體驗對照表

然而，多旋翼也有自身的發(fā)展瓶頸。它的運動和簡單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時的速度改變，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。正是因為如此，直升機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，槳的剛性需要進一步提高。螺旋槳的上下振動會導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷，這與我們平時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)對槳葉根部的影響。正因為如此，為了減少槳葉的疲勞，直升機采用了一個容許槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中上下運動的鉸鏈。如果要提供大載重，多旋翼也需要增加活動部件或加入涵道和整流片。這相當(dāng)于一個多旋翼含有多個直升機結(jié)構(gòu)。這樣多旋翼的可靠性和維護性就會急劇下降，優(yōu)勢也就不那么明顯了。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個或32個槳。但該方式會極大地降低可靠性、維護性和續(xù)航性。種種原因使人們最終選擇了微小型多旋翼。

多旋翼爆紅的成因

沉寂期：1990年以前[1]

早在1907年，法國C.Richet教授指導(dǎo)Breguet兄弟進行了他們的旋翼式直升機的飛行試驗，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，但那時幾乎沒有人會用到它。1920年，E.Oemichen設(shè)計了第一個四旋翼飛行器的原型，但是第一次嘗試空運時失敗了。

圖1　早期的多旋翼

之后在1921年B.G.De在美國俄亥俄州西南部城市代頓的美國空軍部建造了另一架如圖1c的大型四旋翼直升機，這架四旋翼飛機除飛行員外可承載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的飛機在經(jīng)過重新設(shè)計之后（如圖1b所示），于1924年實現(xiàn)了起飛并創(chuàng)造了當(dāng)時直升機領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，該直升機首次實現(xiàn)了14分鐘的飛行時間。E.Oemichen和B.G.De設(shè)計的四旋翼飛行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋槳來推進，因此它們都不是真正的四旋翼飛行器。

早期四旋翼飛行器的設(shè)計受困于極差的發(fā)動機性能，飛行高度僅僅能達到幾米，因此在接下來的30年里，四旋翼飛行器的設(shè)計沒有取得多少進步。直到1956年，M.K.Adman設(shè)計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，這架飛機重達1噸，依靠兩個90馬力的發(fā)動機實現(xiàn)懸停和機動，對飛機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現(xiàn)。然而，由于操作這架飛機的工作量繁重，且飛機在速度、載重量、飛行范圍、續(xù)航性等方面無法與傳統(tǒng)的飛行器競爭，因此人們對此失去了進一步研究的興趣，該研究被迫停止。

在20世紀(jì)50年代，美國陸軍繼續(xù)測試各種垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀請參與研制了VZ-7和杠桿燃氣渦輪機的幾家公司之一，杠桿燃氣渦輪機的出現(xiàn)提高了VZ-7的功率與重量比。因此，VZ-7被稱作“Flying Jeep”，如圖1(e)所示，其有效載重量為250千克，靠425馬力的杠桿燃氣渦輪發(fā)動機驅(qū)動。VZ-7的測試在1959年至1960年期間得到實現(xiàn)。雖然它相對穩(wěn)定，但是它未能達到軍方對高度和速度的要求，該計劃并沒有得到更進一步的推行。在1990年以前，慣性導(dǎo)航體積重量過大，動力系統(tǒng)載荷也不夠，因此當(dāng)時多旋翼設(shè)計得很大。正如前面分析的，大尺寸的多旋翼并沒有那么大優(yōu)勢，與多旋翼相比，固定翼和直升機更適合發(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)運用，使制作多旋翼飛行器的自動控制器成為現(xiàn)實。此外，由于四旋翼飛行器的概念與軍事試驗漸行漸遠，它開始以獨特的方式通過遙控玩具市場進入消費領(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，于是人們又花費大量的時間研究去除噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動控制器本身通常需要運算速度較快的單片機，可當(dāng)時的單片機運算速度有限，不足以滿足需求。接著科研人員又花費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)計控制算法、實現(xiàn)控制方案。因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機自動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Microdrones GmbH于2005年成立，2006年推出的md4-200四旋翼（如圖2a）系統(tǒng)開創(chuàng)了電動四旋翼在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先河，2010年推出的md4-1000四旋翼無人機系統(tǒng)，在全球?qū)I(yè)無人機市場取得成功。另外，德國人H.Buss和I.Busker在2006年主導(dǎo)了一個四軸開源項目，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。很快他們又進一步增加了組件，甚至使它半自主飛行。美國Spectrolutions公司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼（如圖2b），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。

圖2　早期的四旋翼產(chǎn)品

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、機械結(jié)構(gòu)簡單的飛行器的存在。一時間研究者蜂擁而至，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飛控的深入了解，一般只是復(fù)現(xiàn)國外的技術(shù)，談不上進一步對系統(tǒng)進行改進。當(dāng)時既掌握飛控技術(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飛控的公司。德國Microdrones雖然較早地推出產(chǎn)品，但是工業(yè)級的四旋翼的價格對于普通消費者來說簡直是遙不可及。除此之外，消費級的Draganflyer 四旋翼之所以沒有推廣是因為其操控性及娛樂性不強（智能手機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Parrot公司于2010年推出消費級的AR.Drone四旋翼玩具，從而開啟了多旋翼消費的新時代。AR.Drone四旋翼在玩具市場非常成功，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、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。第四，整個飛行器為一體機，并帶有防護裝置，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。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(圖3b)正是借鑒了其設(shè)計理念。伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)用加速計、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傳感器，成本和功耗進一步降低，成本僅為幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價格不到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，電池能量密度不斷增加，使無人機在保持較輕的重量下，續(xù)航時間達到15-30分鐘，基本滿足日常的應(yīng)用需求。近年來移動終端同樣促進了鋰電池、高像素攝像頭性能的急劇提升和成本下降。這些都促進了多旋翼更進一步發(fā)展。

圖3　四旋翼一體機產(chǎn)品

與此同時，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[2]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協(xié)作能力。這一場充滿數(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，美國工程師協(xié)會的機器人和自動化雜志（Robotics& Automation Magazine,IEEE）出版空中機器人和四旋翼（Aerial Robotics and the Quadrotor）?？?，總結(jié)了階段性成果，展示了當(dāng)時最先進的技術(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。

表3　多旋翼主要開源項目一覽表

爆發(fā)期：2013年至今

2012年初，大疆推出小精靈Phantom一體機。Phantom與AR.Drone一樣控制簡便，初學(xué)者很快便可上手。同時，價格也能被普通消費者接受。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。當(dāng)時利用Gopro運動相機拍攝極限運動已經(jīng)成為歐美年輕人競相追逐的時尚潮流，因此Phantom一體機一經(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。

此時，學(xué)術(shù)界對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的機器人實驗室展示了四旋翼的驚人運動機能?？v觀學(xué)術(shù)界的發(fā)展，以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼（multirotor）”為關(guān)鍵詞的文獻在近年成井噴趨勢。這些研究往往具備前瞻性，將推動多旋翼產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。

新技術(shù)促產(chǎn)業(yè)快速變革

多旋翼的性能會因其他技術(shù)的進步而進步，其相對固定翼和直升機的優(yōu)勢也會進一步凸顯。

動力技術(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行了2小時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)版刊登了一篇報道，一種鋁電池僅需60秒便能讓手機電力“滿血復(fù)活”。此外，石墨烯、鋁空氣、納米點這三項電池技術(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，首先會被應(yīng)用到手機和電動汽車，隨后可配備多旋翼。

②混合動力。2015年，美國初創(chuàng)公司Top Flight Technologies開發(fā)出混合動力六旋翼無人機。它僅需要1加侖（約合3.78升）汽油便可以飛行兩個半小時（可飛行約160公里），最高負(fù)重達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。

表4　近期發(fā)布的多旋翼飛行器產(chǎn)品一覽表

④無線充電。來自德國柏林的初創(chuàng)公司SkySense在無人機戶外充電方面提供了一種解決方案，他們研發(fā)出一塊可以為無人機進行無線充電的平板。SkySense的最大特點是可以進行遠程控制，無人機的“降落—充電—起飛”全過程可以獨立實現(xiàn)，不需要人為進行現(xiàn)場干預(yù)和輔助。如果能夠縮短充電時間，那么無線充電技術(shù)將會極大地幫助多旋翼進行長途飛行。

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

②多信息源定位。英國軍方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、WiFi等信息進行定位，彌補GPS 的不足。

③UWB (Ultra Wideband，超寬帶)無線定位。UWB信號具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強的優(yōu)勢，因此適用于靜止或者移動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、更強的魯棒性。

對于多旋翼無人機，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），從而達到更好的懸停和操控效果，因此測速工作起到了十分重要的作用。比較精確的測速方案是通過“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GPS情況下實現(xiàn)精確懸停。

為了使多旋翼完成更好的飛行，避障技術(shù)無疑能夠為其提供更加穩(wěn)定的導(dǎo)航性能。

①深度相機避障技術(shù)。它的原理是先對場景投影結(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Kinect。然而Kinect體積還是較大，并且在兩米之外才能準(zhǔn)確地識別用戶手勢。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美國消費電子展上，英特爾把RealSense技術(shù)也應(yīng)用到了無人機上，以用于感知周圍環(huán)境，進而自主避障。

②聲吶系統(tǒng)避障技術(shù)。Panoptes公司擬推出Bumper4避障系統(tǒng)。它由指向多個方向的超聲波傳感器組成，通過測量多個方向的距離來判斷障礙。

③“視覺+憶阻器”避障技術(shù)。美國 “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)具備識別和短期記憶功能，從而使無人機擁有避障的能力。

④雙目視覺避障技術(shù)。美國的Skydio公司采用兩個普通的攝像頭充當(dāng)無人機的“眼睛”并研發(fā)出識別障礙軟件，從而使多旋翼無人機能夠具備識別障礙的能力，進而實現(xiàn)自我導(dǎo)航。

⑤微小型雷達。Echodyne公司利用一臺四軸無人機展示了它的小型電子掃描雷達。它可追蹤地面上的某個人，或是在飛行中躲避障礙物，不過目前它仍然處于原型階段。他們試圖將這款雷達的尺寸縮小到只有一臺iPhone6 Plus大小，且重量不超過1磅。

無人機通常利用被跟蹤者身上放置的GPS裝置進行定位和跟蹤。這種方式會在某種程度上影響用戶體驗。除此之外，在沒有GPS信號的情況下，該方式就會失效。而且，對于非自愿攜帶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也能夠?qū)崿F(xiàn)新式的跟蹤模式。

交互技術(shù)

①手勢控制技術(shù)。在CES 2014的展場上，工作人員演示了利用MYO手勢控制臂帶來控制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并控制該飛行器。智能手機、手環(huán)、手表、戒指等內(nèi)置慣性傳感器的設(shè)備也可以識別操作者的手勢，用于控制多旋翼。

②腦機接口。它是指在人腦與計算機等外部設(shè)備之間建立直接的連接通路。通過對于腦電信息的分析解讀，將其進一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動作，就像是在用“意念”操控物體。多家機構(gòu)對該技術(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線裝置商業(yè)化，他們將其粘附在人類頭骨上，并通過無線電發(fā)送由人腦植入設(shè)備收集的意識命令；Emotiv公司的EPOC可以檢測8種行為現(xiàn)象，識別出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實驗室的研究人員演示了FlyingBuddy2系統(tǒng)—即用大腦控制四旋翼無人飛行器；葡萄牙里斯本的無人機公司Tekever推出了一種依靠腦電波操控的無人飛機。

通信技術(shù)

該項技術(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)備份到云端進行云計算等。

①4G/5G通信技術(shù)。2013年6月17日，北京4G聯(lián)盟聯(lián)合無人機聯(lián)盟組織召開了4G聯(lián)盟與無人機聯(lián)盟交流研討會，旨在加強北京4G聯(lián)盟和無人機聯(lián)盟之間技術(shù)交流，尋找無人機機載載荷與4G設(shè)備儀器的聚焦，促進北京市信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2015年，中國移動開發(fā)4G“超級空戰(zhàn)隊”設(shè)備，能支持航拍影像即拍即傳。

②WiFi通信技術(shù)。2013年，德國的卡爾斯魯厄理工學(xué)院開發(fā)出了一項新的無線廣域網(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)備很適合無人機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無人機是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來的飛行控制器。它具備無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。英特爾CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無人機，采用了四核的英特爾凌動（Atom）處理器的PCI-express定制卡。此外，活躍在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經(jīng)進入無人機領(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。雖然它只有一個硬幣的大小，卻具有個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)用于無人機，自主反應(yīng)、自動識別將會變得輕而易舉。

④未來飛行器上的MEMS產(chǎn)品會向集成化方向發(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。手機芯片公司推出無線多合一芯片后，又推出了手機市場的定位與導(dǎo)航芯片。新一代定位芯片，將滿足可穿戴與無人機等差異化需求。不僅如此，新芯片內(nèi)部還會直接集成控制算法。

⑤為了讓機器人應(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)重要的計算機視覺技術(shù)，比如：視覺慣性測程、視覺同步定位和繪圖立體相機景深。對于可穿戴設(shè)備和無人機等新興領(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，同時這些領(lǐng)域的需求并不要求集成其他無線功能，這給傳統(tǒng)的定位芯片廠家又帶來了新的商機。

平臺技術(shù)

①“Dronecode”無人機開源系統(tǒng)。2014年10月，著名計算機開源系統(tǒng)公司Linux推出了名為“Dronecode”的無人機開源系統(tǒng)合作項目，將3D Robotics、英特爾、高通、百度等科技巨頭納入項目組，旨在為無人機開發(fā)者提供所需要的資源、工具和技術(shù)支持，加快無人機和機器人領(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，適合開發(fā)者、科技專業(yè)人士使用，能夠在無人機等領(lǐng)域中使用。

③Airware企業(yè)級無人機系統(tǒng)。Airware公司旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化的無人機軟件系統(tǒng)，幫助企業(yè)迅速、高效地完成商用無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成功地實現(xiàn)了在單個軟件平臺上統(tǒng)一管理多個不同型號、不同品牌無人機的目標(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(也同時是Airware的投資者)和Infinigy。

④一家名為Percepto的創(chuàng)業(yè)團隊在Indiegogo上發(fā)起了一個同名開源項目，它是一個可以安裝在現(xiàn)有無人機之上的計算機視覺組件，目標(biāo)是搭建一個集硬件、驅(qū)動、算法、安全、機身控制于一體的平臺，讓更多的開發(fā)者在此平臺上為無人機開發(fā)應(yīng)用。

空管技術(shù)

①2014年，Airware計劃在NASA加州基地針對不同類型的無人機（四旋翼、直升機、固定翼飛機）展開一系列的飛行和實驗室測試，最快可能會在今年開始該項目。測試第一階段的目標(biāo)是理解不同的飛行器對空管系統(tǒng)的響應(yīng)方式。

②初創(chuàng)公司Skyward正在研發(fā)無人機交通控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)使數(shù)千無人機在城市上空飛行而不會互相碰撞。Skyward正在跟FAA和全球三大無人機制造商（大疆、3D Robotics、Parrot）合作以證明大量的無人機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)手組成團隊開發(fā)無人機空中交通管制系統(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)展進程中，各個技術(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)成無人機（多旋翼）的生態(tài)環(huán)境, 這種情況下無人機（多旋翼）的發(fā)展可能被其中某項技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)，存在著各種可能性，很多是我們目前無法想象到的。同樣，在無人機（多旋翼）發(fā)展帶動的技術(shù)也會促進相關(guān)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，解決各種實際問題。

風(fēng)險問題何解

不同產(chǎn)品可容忍的最低可靠性指標(biāo)是不一樣的，風(fēng)險也會不一樣。比如，對于個人操作系統(tǒng)，死機并不會對用戶帶來太多的損失，重啟電腦即可。然而，如果多旋翼墜機，那么損失會很大，進而造成一系列影響。

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。

其次是財產(chǎn)安全。無人機不同于航模，它搭載著各種精密昂貴的傳感器設(shè)備，它們有的價值百萬元甚至更高。面對如此精貴的“測繪裝備”，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。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道，這無疑對多旋翼的發(fā)展形成較大阻力。目前，我們已經(jīng)能夠看到風(fēng)險上升的苗頭。2015年1月29日，無人機闖入了白宮，緊接著在2015年4月24日，另一架無人機又在日本首相官邸墜落。

那么，如何才能有效地降低風(fēng)險呢？對于多旋翼生產(chǎn)和設(shè)計廠商，有效地執(zhí)行以下五點對策會在很大程度上減輕飛行器的風(fēng)險。

第一，提高飛行器自身的可靠性。硬件方面，購買質(zhì)量有保證的元器件。軟件方面，需要進行大量的測試和考慮安全實效保護措施。這需要花費大量的人力和物力。因此，對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，這會隨著設(shè)備的小型化和材料的輕型化實現(xiàn)。另外一方面，多旋翼裝載降落傘也是一種選擇。

第三，為飛機編寫ID號（飛機編號）。這就像車輛需要有車牌號一樣，每架多旋翼也需要有個ID號。這樣可有效減少不法人員對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，墜機對人類的傷害就不會很大。但在人口密集區(qū)域，墜機的負(fù)面影響便會大大增加。因為，除非特批，無人機在人口密集區(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營商聯(lián)動的方式，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)某一研究團隊告知美國國會，他們可以利用商店買來的GPS設(shè)備入侵價值8萬美元的無人機系統(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，包括通訊鏈路加密、防病毒設(shè)計等等。

對于多旋翼運營廠商，要注意以下三點。

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，需要持證上崗。第二，辦理保險。未來購買多旋翼飛行器應(yīng)該像買汽車一樣繳納強制險以減少自身風(fēng)險，尤其當(dāng)多旋翼搭載了十分昂貴的設(shè)備時。第三，限制飛行器飛行范圍。

“多旋翼+”開啟飛行新時代

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

?分類　原理　實例多旋翼自身　像積木一樣組裝多旋翼飛行器。Kickstarter眾籌了一款通過樂高玩具實現(xiàn)多旋翼飛行器的項目。多旋翼+照相機偵察交通流量、拍攝風(fēng)景圖片以及探測前進道路上的障礙物。Renault汽車公司在新德里車展上推出了“KWID概念”，該車配置了一款內(nèi)置的四軸飛行器，由車內(nèi)的人通過平板電腦控制。極飛農(nóng)業(yè)無人機的亮相，標(biāo)志著極飛科技將無人機技術(shù)運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，掀起中國農(nóng)業(yè)向智能化、精準(zhǔn)化、數(shù)字化邁進的技術(shù)革命浪潮。多旋翼+貨物　無人機派送快件，提高物流效率。多旋翼+農(nóng)藥為農(nóng)民提供智能高效的噴灑植保服務(wù)，幫助更多農(nóng)民增產(chǎn)增收。亞馬遜公司在此方面投入了極大的精力和熱情，進行了多輪飛行器的測試。多旋翼+測繪儀器具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，如采礦、考古學(xué)、施工，和各種軍事功能。法國公司無人機影像以這個創(chuàng)新的方式來快速準(zhǔn)確地生成地形三維模型。他們革命性地利用3D打印技術(shù)將無人機拍攝的三維圖像生成3D模型。多旋翼+通信平臺多旋翼可以載著通信平臺，短時間內(nèi)將一定區(qū)域的通信進行恢復(fù)。多旋翼+光源多旋翼和光涂鴉藝術(shù)創(chuàng)作結(jié)合，提高舞臺劇的故事性。視覺創(chuàng)意工作室FICTION、加拿大太陽劇團。多旋翼+讀卡器利用無人機結(jié)合RFID技術(shù)在倉庫飛行并盤點存貨。德國公司Fraunhofer目前正在開發(fā)一套全新的庫存管理系統(tǒng)。

多旋翼未來何去何從

從事多旋翼開發(fā)，無外乎從需求、方案、技術(shù)三個角度入手。

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

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

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

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推出同樣也會擴大需求。國內(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)勢必會給用戶吃下定心丸，刺激用戶購買欲望，從而會進一步擴大需求。

目前，具有廣大消費群體的市場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)無人機等熱門領(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)險可控和具備廣闊的消費群體的市場可以幫助廠家賺取合理的利潤，進一步幫助產(chǎn)品提升質(zhì)量。