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摘 要：当前，无人机的市场规模正在以一种不可思议的速度扩增，各种无人机新技术涌现。另一方面诸如5G、物联网、大数据等相关技术的逐渐成熟，更快的连接速度将使无人机在救援、物流等方面工作时速度更快，新技术的提升也有助于无人机避障与跟踪反应技术的升级。
关键词：无人机；新技术；反应技术；升级
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0054-02
随着无人机技术的不断创新，其在各个领域大放异彩。尤其是民用无人机，发展方向包含了警用、巡线、农林植保、航拍、快递和科研，这对无人机的智能化、多任务化提出更高的要求。无人机的新技术发展总结起来体现在4个方面，飞控系统，导航系统，动力系统，数据链。这些发展使得无人机在机身平台、平台任务、以及导航技术上有了新的突破。
1 无人机平台新技术发展分析
1.1 基于增强续航能力的能源与动力技术
无人机目前所受到的最大限制无人机发展就是续航能力，大多数消费级多旋翼续航时间基本在20min左右，若是进行外出长时飞行不得不携带多块电池备用，且锂电池的重量对飞行系统也有影响，这对任务作业造成了极大的不便。无人机必须在动力方面实现突破才能走上新的革命性高度。
（1）太阳能无人机。在阳光充足的时候，通过太阳能电池的光电转换效应，将光能转换为可以向动力系统、航空电子设备及机体载荷供能的电能。在实际中，太阳能无人机数10km的飞行高度、长达数月的巡航能力也使得其成为世界強国的聚焦点。我国的彩虹系列太阳能无人机，近年来异军突起，成为这一领域极具竞争力的选手。
（2）激光充电技术。应用激光代替太阳光对无人机进行非接触的远程充电成为当前的研究热点。激光技术在军事领域的应用通常是与防空、反导及致盲等硬杀伤系统和效能联系起来的，但实际上，激光技术在雷达探测、能量传输等其他方面也有发挥作用。早在2012年7月，美国动力公司就研发了一种利用光纤供电系统，通过携带自由电子的激光波束对长距离设备进行能量传输。而且这项新技术已经通过了一系列的测试，并被验证了可行性。
（3）无线充电。在现实中，无线充电技术仅仅针对智能手机、电动牙刷等产品，无线充电的距离受到限制，而最近的研究团队将无线充电技术应用在更长的距离内，面向无人机传输能量。无线充电，又称非接触式感应充电，是利用近场感应，即电感耦合，由供电设备将能量传送至用电装置。由于充电器与用电装置间以电感耦合传送能量，两者间不需使用电线连接。这项技术已发展多年，但此前还没有应用到无人机这样的飞行载体上。
（4）无人机新型电池。将易燃液体电解质换成塑料或陶瓷等惰性固体，是比锂离子电池更安全的替代方案。虽然固体电池能量密度约为500Wh/kg，是传统锂离子电池的2倍，但其缺点是只能重复充电200次（传统电池重复次数接近1000次），相比起来半固体电池方案更好。与同样重量的传统锂离子电池相比，半固体电池容纳的能量增加了一倍。
1.2 机体平台与平台/任务一体化技术
随着无线电技术，计算机技术的飞速发展，无人机可以执行的任务也越来越复杂，可以应用的场合也越来越多样。
（1）软机翼无人机。美国Challenger航宇集团2017年9月公开的一种名为Avina的独特无人机系统，该无人机采用的是软机翼，配备冲压式翼伞。软机翼可以降低平台的单位有效载荷成本，延长飞行时间。
（2）倾斜摄影技术。倾斜摄影通过低空多位镜头获取影像数据，通过专业软件自动生成三维地理信息模型的技术手段。这种手段在测绘行业得到极大认可，它快速实现地理信息的获取，并且效率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息可用。通过结合先进的定位技术与GPS信息还可获取更丰富的影像信息。
（3）高光谱影像。高光谱遥感的特点是光谱分辨率高、波段范围窄、图谱合一、连续成像等，对于只有细微差别的光谱也能感受到。无人机通过搭载高光谱遥感相机，使用空间信息技术来获取信息。无人机高光谱可用于不同类型植被的遥感监测。
（4）激光雷达技术。无人机激光雷达是一种新兴的技术手段，现广泛用于电力行业，可直观的展示和还原电力线路实际情况、对导线与周围物体的距离进行监测等，是保障电网设备安全的有效手段，但其应用却一直处于探索阶段。
2 无人机导航技术发展
2.1 定位测速技术
（1）GPS载波相位定位。GPS载波相位定位是一种基于RTK技术的定位方法。RTK全称是载波相位差分技术，是军事上常用的精准定位系统。相比于传统的GPS定位，它能够让航行达到厘米级别的精度，从而实现精准的避障和定位，很适合动态的位置捕捉。
（2）多信息源定位。英国军方BAE最近公布了他们研发的名为NAVSOP的定位技术。该技术将利用包括TV、收音机、Wi-Fi等等信息定位，弥补GPS的不足。通过利用几百个不同的已有信号，它便能够进行准确定位。
（3）UWB（Ultra Wide band，超宽带）无线定位。超宽带定位系统通常包括UWB接收器、参考标签和其他标签。超宽带技术通过发送纳秒级及其以下的超窄脉冲来传输数据，可以获得GHz级的数据带宽，发射功率较低，无载波。因为其高带宽，理论上基于TOA或TDOA方法实现厘米级的定位。
（4）“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”。在室内外复杂条件下的精准悬停技术，组合导航技术，结合GPS、惯性测量元件、地磁指南针和气压计各自的优缺点，通过处理电子信号、融合多种传感器的测量值，获得较为准确的飞行器状态量的测量。无人机载导航系统中如GPS导航为分非自主导航，也有自主导航如惯性导航，但都存在分诸如易受干扰和误差积累增大的缺点，所以高精度、高抗干扰性能的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。未来无人机对障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能的要求也会更加严格。AR.Drone是最早采用该项技术的多旋翼飞行器，极大提升了飞行器的可操控性，获得了巨大的成功。大疆公司推出的“悟”和“Phantom3”、“Phantom4”同样采用了该项技术。 2.2 避障技术
（1）红外线或激光测距避障。该技术检测方法有两种：①光的时间；②光的相位。但是和超声波一样，光波会由于光污染问题受到干扰。为了避开太阳光的主要能量波段，从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰，就需要进一步的非常精准的时间测量，这可能就需要专业级处理芯片，价格则较为高昂。
（2）视觉图像复合型技术。智能避障系统“Guidance”就是典型的视觉图像复合型技术。Guidance系统的前后左右下五个方向都有专门进行障碍识别的摄像头，识别机制也有超声波和图像视觉两种。也就是说，除了常规的超声波模块以外，5個方向上还专门放置了摄像头用于获取视觉图像，然后直接传输到机载的l处理器进行计算处理。
（3）电子地图。当飞行目标区域被模型化为一张精确的三维立体地图，借助GPS等导航系统，就可以能够实现避开障碍物自主飞行。在无人机上预先载入目标区域的三维立体地图，就能知道障碍物的具体位置，从而在飞行时候就提前避开它。而且在飞行的时候，无人机还可以从多条路径中选择出最优路径，这样可以大大加快任务效率。随着精确度的提升，无人机运用三维立体地图实现避障，还是指日可待。
2.3 跟踪技术
（1）视觉跟踪。可以理解成用摄像头代替人眼和传感器结合计算机模拟大脑，来得到物体在三维空间的位置，进而识别物体、判断物体的运动状态，这也是人工智能中的不可或缺的部分之一，是无人机实现自主操作的核心技术，包括了障碍物识别、自主导航、飞行姿态矫正等多个方面，和高通Cargo无人机平台，以及应用在AscTec的Firefly无人机上的英特尔RealSense3D相机系统类似。目前在大疆Phantom4等先进机型上这些技术都已经有所体现。
（2）多传感器追踪技术。多传感器追踪技术相比于单纯图像追踪的优势，首先在于多样，除了能够在身后跟飞，当人朝向飞机运动的时候，也能很好的进行追踪。其次，知道飞机和信号发射器的相对和绝对速度，也可以更好地进行控制。还有就是基于图像识别如果人和背景颜色反差很小就难以判断，但带有多传感器追踪技术的无人机可以知道人的大概位置，快速收敛到图像中的一小片区域对人进行再搜索和识别。
3 结束语
无人机领域在近几年的升级中，各种概念和技术推陈出新。本文对市场流行的无人机技术和概念进行了多方面的总结了，即使技术发展迅速，无人机的仍存在诸多限制，如何在技术上对无人机的推广进行改善，仍然是研发团队需要努力的方向。
收稿日期：2018-9-6
关键词：无人机；新技术；反应技术；升级
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0054-02
随着无人机技术的不断创新，其在各个领域大放异彩。尤其是民用无人机，发展方向包含了警用、巡线、农林植保、航拍、快递和科研，这对无人机的智能化、多任务化提出更高的要求。无人机的新技术发展总结起来体现在4个方面，飞控系统，导航系统，动力系统，数据链。这些发展使得无人机在机身平台、平台任务、以及导航技术上有了新的突破。
1 无人机平台新技术发展分析
1.1 基于增强续航能力的能源与动力技术
无人机目前所受到的最大限制无人机发展就是续航能力，大多数消费级多旋翼续航时间基本在20min左右，若是进行外出长时飞行不得不携带多块电池备用，且锂电池的重量对飞行系统也有影响，这对任务作业造成了极大的不便。无人机必须在动力方面实现突破才能走上新的革命性高度。
（1）太阳能无人机。在阳光充足的时候，通过太阳能电池的光电转换效应，将光能转换为可以向动力系统、航空电子设备及机体载荷供能的电能。在实际中，太阳能无人机数10km的飞行高度、长达数月的巡航能力也使得其成为世界強国的聚焦点。我国的彩虹系列太阳能无人机，近年来异军突起，成为这一领域极具竞争力的选手。
（2）激光充电技术。应用激光代替太阳光对无人机进行非接触的远程充电成为当前的研究热点。激光技术在军事领域的应用通常是与防空、反导及致盲等硬杀伤系统和效能联系起来的，但实际上，激光技术在雷达探测、能量传输等其他方面也有发挥作用。早在2012年7月，美国动力公司就研发了一种利用光纤供电系统，通过携带自由电子的激光波束对长距离设备进行能量传输。而且这项新技术已经通过了一系列的测试，并被验证了可行性。
（3）无线充电。在现实中，无线充电技术仅仅针对智能手机、电动牙刷等产品，无线充电的距离受到限制，而最近的研究团队将无线充电技术应用在更长的距离内，面向无人机传输能量。无线充电，又称非接触式感应充电，是利用近场感应，即电感耦合，由供电设备将能量传送至用电装置。由于充电器与用电装置间以电感耦合传送能量，两者间不需使用电线连接。这项技术已发展多年，但此前还没有应用到无人机这样的飞行载体上。
（4）无人机新型电池。将易燃液体电解质换成塑料或陶瓷等惰性固体，是比锂离子电池更安全的替代方案。虽然固体电池能量密度约为500Wh/kg，是传统锂离子电池的2倍，但其缺点是只能重复充电200次（传统电池重复次数接近1000次），相比起来半固体电池方案更好。与同样重量的传统锂离子电池相比，半固体电池容纳的能量增加了一倍。
1.2 机体平台与平台/任务一体化技术
随着无线电技术，计算机技术的飞速发展，无人机可以执行的任务也越来越复杂，可以应用的场合也越来越多样。
（1）软机翼无人机。美国Challenger航宇集团2017年9月公开的一种名为Avina的独特无人机系统，该无人机采用的是软机翼，配备冲压式翼伞。软机翼可以降低平台的单位有效载荷成本，延长飞行时间。
（2）倾斜摄影技术。倾斜摄影通过低空多位镜头获取影像数据，通过专业软件自动生成三维地理信息模型的技术手段。这种手段在测绘行业得到极大认可，它快速实现地理信息的获取，并且效率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息可用。通过结合先进的定位技术与GPS信息还可获取更丰富的影像信息。
（3）高光谱影像。高光谱遥感的特点是光谱分辨率高、波段范围窄、图谱合一、连续成像等，对于只有细微差别的光谱也能感受到。无人机通过搭载高光谱遥感相机，使用空间信息技术来获取信息。无人机高光谱可用于不同类型植被的遥感监测。
（4）激光雷达技术。无人机激光雷达是一种新兴的技术手段，现广泛用于电力行业，可直观的展示和还原电力线路实际情况、对导线与周围物体的距离进行监测等，是保障电网设备安全的有效手段，但其应用却一直处于探索阶段。
2 无人机导航技术发展
2.1 定位测速技术
（1）GPS载波相位定位。GPS载波相位定位是一种基于RTK技术的定位方法。RTK全称是载波相位差分技术，是军事上常用的精准定位系统。相比于传统的GPS定位，它能够让航行达到厘米级别的精度，从而实现精准的避障和定位，很适合动态的位置捕捉。
（2）多信息源定位。英国军方BAE最近公布了他们研发的名为NAVSOP的定位技术。该技术将利用包括TV、收音机、Wi-Fi等等信息定位，弥补GPS的不足。通过利用几百个不同的已有信号，它便能够进行准确定位。
（3）UWB（Ultra Wide band，超宽带）无线定位。超宽带定位系统通常包括UWB接收器、参考标签和其他标签。超宽带技术通过发送纳秒级及其以下的超窄脉冲来传输数据，可以获得GHz级的数据带宽，发射功率较低，无载波。因为其高带宽，理论上基于TOA或TDOA方法实现厘米级的定位。
（4）“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”。在室内外复杂条件下的精准悬停技术，组合导航技术，结合GPS、惯性测量元件、地磁指南针和气压计各自的优缺点，通过处理电子信号、融合多种传感器的测量值，获得较为准确的飞行器状态量的测量。无人机载导航系统中如GPS导航为分非自主导航，也有自主导航如惯性导航，但都存在分诸如易受干扰和误差积累增大的缺点，所以高精度、高抗干扰性能的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。未来无人机对障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能的要求也会更加严格。AR.Drone是最早采用该项技术的多旋翼飞行器，极大提升了飞行器的可操控性，获得了巨大的成功。大疆公司推出的“悟”和“Phantom3”、“Phantom4”同样采用了该项技术。 2.2 避障技术
（1）红外线或激光测距避障。该技术检测方法有两种：①光的时间；②光的相位。但是和超声波一样，光波会由于光污染问题受到干扰。为了避开太阳光的主要能量波段，从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰，就需要进一步的非常精准的时间测量，这可能就需要专业级处理芯片，价格则较为高昂。
（2）视觉图像复合型技术。智能避障系统“Guidance”就是典型的视觉图像复合型技术。Guidance系统的前后左右下五个方向都有专门进行障碍识别的摄像头，识别机制也有超声波和图像视觉两种。也就是说，除了常规的超声波模块以外，5個方向上还专门放置了摄像头用于获取视觉图像，然后直接传输到机载的l处理器进行计算处理。
（3）电子地图。当飞行目标区域被模型化为一张精确的三维立体地图，借助GPS等导航系统，就可以能够实现避开障碍物自主飞行。在无人机上预先载入目标区域的三维立体地图，就能知道障碍物的具体位置，从而在飞行时候就提前避开它。而且在飞行的时候，无人机还可以从多条路径中选择出最优路径，这样可以大大加快任务效率。随着精确度的提升，无人机运用三维立体地图实现避障，还是指日可待。
2.3 跟踪技术
（1）视觉跟踪。可以理解成用摄像头代替人眼和传感器结合计算机模拟大脑，来得到物体在三维空间的位置，进而识别物体、判断物体的运动状态，这也是人工智能中的不可或缺的部分之一，是无人机实现自主操作的核心技术，包括了障碍物识别、自主导航、飞行姿态矫正等多个方面，和高通Cargo无人机平台，以及应用在AscTec的Firefly无人机上的英特尔RealSense3D相机系统类似。目前在大疆Phantom4等先进机型上这些技术都已经有所体现。
（2）多传感器追踪技术。多传感器追踪技术相比于单纯图像追踪的优势，首先在于多样，除了能够在身后跟飞，当人朝向飞机运动的时候，也能很好的进行追踪。其次，知道飞机和信号发射器的相对和绝对速度，也可以更好地进行控制。还有就是基于图像识别如果人和背景颜色反差很小就难以判断，但带有多传感器追踪技术的无人机可以知道人的大概位置，快速收敛到图像中的一小片区域对人进行再搜索和识别。
3 结束语
无人机领域在近几年的升级中，各种概念和技术推陈出新。本文对市场流行的无人机技术和概念进行了多方面的总结了，即使技术发展迅速，无人机的仍存在诸多限制，如何在技术上对无人机的推广进行改善，仍然是研发团队需要努力的方向。
收稿日期：2018-9-6