第五节　无人机的关键技术

随着无人机向智能化方向发展，涉及的关键技术主要有飞控系统、导航系统、动力源和遥控系统。

一、飞控系统

飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控系统对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，是无人机最核心的技术之一。飞控系统一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。其中，机身大量装配的各种传感器（包括角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等）是飞控系统的基础，是保证飞机控制精度的关键，在不同飞行环境下，不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。军用无人机对传感器配置要求非常高，未来对无人机态势感知、战场上识别敌我、防区外交战能力等方面的需求，要求无人机传感器具有更高的探测精度、更高的分辨率，因此国外军用无人机传感器中大量应用了超光谱成像、合成孔径雷达、超高频穿透等新技术。相对于军用无人机，民用无人机对传感器配置要求较低。消费类无人机的飞控系统很多是开源的，供用户开发新的各种用途。

二、导航系统

导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行，相当于有人机系统中的领航员。无人机导航系统主要分为非自主（GPS等）和自主（惯性制导）两种，但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点，而未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能，因此多种导航技术结合的“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”将是未来发展的方向。

避障技术是导航系统的关键技术之一，目前避障技术主要有深度相机避障技术、声呐系统避障技术、“视觉+忆阻器”避障技术、双目视觉避障技术、微小型雷达避障技术等。

（1）深度相机避障技术　深度相机避障技术的原理是先对场景投影结构光，然后分析红外传感器接收的反光得到深度信息。2014年，英特尔推出RealSense传感器，其体积小，使用距离短。在2015年美国消费电子展览会上，英特尔把RealSense技术应用到了无人机上，以用于感知周围环境，进而自主避障。

（2）声呐系统避障技术　Panoptes公司推出的Bumper4避障系统由指向多个方向的超声波传感器组成，通过测量多个方向的距离来判断障碍。

（3）“视觉+忆阻器”避障技术　美国Bio Inspired公司期望利用视觉和忆阻器（具有短期记忆效果的电阻器）使系统具备识别和短期记忆功能，从而使无人机拥有避障的能力。

（4）双目视觉避障技术　美国Skydio公司采用两个普通的摄像头充当无人机的“眼睛”，并研发出识别障碍软件，从而使无人机具备识别障碍的能力，进而实现自主导航。

（5）微小型雷达避障技术　Echodyne公司利用一台四轴无人机展示了它的小型电子扫描雷达，它可追踪地面上的某个人，或是在飞行中躲避障碍物。

无人机通常利用被跟踪者身上放置的GPS装置进行定位和跟踪。这种方式会在某种程度上影响用户体验。除此之外，在没有GPS信号的情况下，该方式就会失效。而且，对于非自愿携带GPS设备的用户，该方式也是行不通的。

新的技术完全可以从视觉和雷达角度出发。视觉跟踪技术方面，3D Robotics公司推出开源飞控应用——Tower，它能够使无人机跟随用户，并将用户保持在摄像头中心。OpenCV开源软件也同样有很多跟踪算法供无人机开发。此外，采用小型电子扫描雷达也能够实现新式的跟踪模式。

三、动力源

不同用途的无人机对动力源有不同的要求，但都希望动力源体积小，重量轻，保障无人机续航里程长。对于消费级多旋翼无人机，目前一般使用的是锂电池，但锂电池续航里程短。燃料电池、石墨烯电池等新型电池技术有望在无人机上应用。

四、遥控系统

对于消费级多旋翼无人机，目前遥控系统主要采用遥控器。随着控制技术的发展，一些新型遥控技术用于控制无人机，如手势控制技术、脑机接口控制技术。

（1）手势控制技术　在2014年国际消费类电子产品展览会上，工作人员演示了利用手势控制臂带来控制四旋翼无人机。用户只要将臂带戴在其中一只手上，并以两只手指击响便可启动并控制该无人机。智能手机、手环、手表、戒指等内置惯性传感器的设备也可以识别操控者的手势，用于控制无人机的飞行。

（2）脑机接口控制技术　脑机接口是指在人脑与计算机等外部设备之间建立直接的连接通路。通过对脑电信号的分析解读，将其进一步转化为相应的动作，就像是在用“意念”操控物体。多家机构对该技术也展开了研究。美国布朗大学与犹他州Blackrock Microsystems公司的研究员将此无线装置商业化，他们将其黏附在人类头骨上，并通过无线电波发送由人脑植入设备收集的意识命令；Emotiv公司的EPOC可以检测8种行为现象，识别出7种表情，从而使残障人士具备控制无人机的能力。