無人機簡介及原理概論

楊介之

序言

自“無人機”這個概念被提出以來，它的曝光率從未達到當下這一高度。無人機，全稱無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle），簡稱UAV。近年來，無人機的普及率不斷提高，甚至有的未成年人都擁有了自己的無人機。不過即使包括擁有者在內，真正了解無人機工作原理的人卻并不多。我們將在這篇文章中介紹一套完整飛行系統所包含的功能模塊，例如螺旋槳、飛控、傳感器等，以及它們是怎樣為我們的飛行夢協作助力的。

在了解專業知識之前，我們必須先留意一個更為重要的話題——無人機飛行安全。無人機的制造門檻并不高，但是真正困難的是如何確保飛行過程中的絕對安全。無人機闖入機場上空，便是一個幾乎每月都會發生的安全反例。這不僅會造成航班延誤，還會帶來不小的經濟損失。放眼無人機論壇，無人機事故（“炸機”）的帖子也比比皆是——當然大部分是用戶沒有仔細閱讀厚重的新手指南所致。購買者所希望擁有的，一定都是一架對新手友好，并且絕對安全的無人機。這便也成為了下文將提到的幾家無人機公司所致力的目標。比如全球最大的無人機公司大疆（DJI），占據著最多的無人機市場份額，這離不開它已潛心鉆研了數年的避障技術和冗余技術。

在我們使用無人機的過程中，遵守相關法規遠比單純追求刺激更為重要。按照多數國家的規定，在相關部門網站進行注冊登記，是使用無人機的第一步，比如美國的FAA、中國的CAAC。同時，無人機的規格也受到多重限制，例如在中國，若要操控七千克以上的無人機，必須考取相關執照，進行特殊活動時則必須在政府部門進行備案（如峰會期間）。不同地區的差異性也促成了無人機監管政策的差異化，比如，機場、國境線、政府機關的周圍是嚴禁飛行無人機的。香港的法律體系則更為嚴格，以更好地保護相對密集的人口。可在禁飛區信息和航空管理局條例中獲取各地區具體規定，以保證飛行時的人員及財產安全。

無人機的應用

攝影：

攝影行業是無人機已廣泛應用的行業之一，它的相關特性，諸如長距離控制和圖像傳輸，四旋翼設計，構成了消費者眼中無人機的標志性形象。

電力線纜檢測：

無人機在電力線纜檢測中的應用，極大地彌補了人力和直升機檢測的缺陷。同時，它以相對低廉的價格與較高效率，正在逐漸取代傳統作業方法。這一領域的無人機通常采用固定翼設計，以延長飛行時間，增大覆蓋范圍。

遠程測繪與勘測：

無人機對其經過的地理環境，例如山脈、湖泊、建筑等，可以建立3D模型以供分析。通過它采集的地理位置、海拔、長度信息等，科學家可以實現對自然資源的規劃與利用，也可進行地質勘測與水資源保護等研究。

植物保護：

用于這一行業的無人機，可通過在樹林、農場上空的飛行來獲取相關信息，比如作物產量、植被覆蓋率等，同時也可進行相關操作，比如噴灑農藥、授粉等。

飛行原理

通常來說，無人機依靠四個螺旋槳向下推動氣流，來獲得上升的動力，它的原理是作用力與反作用力相當（牛頓第三定律）。在垂直方向進行運動，無人機需要改變電機的角速度，以此制造動力與重力的差額。在水平方向進行運動，則需要制造無人機各邊電機的角速度差。由于無人機的相鄰電機旋轉方向相反，當對角線上的兩對電機轉速不同時，無人機就會產生自轉。

但是，僅僅通過這些，無人機無法達到我們的“飛行”需求，它需要更深層次的內部機制來支撐。這一內部機制，意味著許許多多的傳感器與芯片。

螺旋槳

螺旋槳的分類標準中，首要標準是其長度和螺距。后者決定了螺旋槳自轉一周所前進的距離，螺距越小所需扭矩越小，電機的電流要求也就越小。螺旋槳的長度則要與無人機尺寸相匹配，一個過大的螺旋槳在小型無人機上顯然作用有限。螺旋槳上有相關符號對其標準進行標注，例如SI 64/34，一般表示螺旋槳直徑為64英寸，螺距為34英寸。

無人機傳感器及導航系統

對于無人機來說，所有的傳感器和相關部件都是從穩定飛行這一需求中延伸出的必要組成部分。為了平穩飛行，無人機必須了解自身的相對位置和絕對位置。在一個3D世界中，x，y，z是需要測量的三種位置坐標數據，這就要求無人機配備GPS系統。雖然GPS也可以通過分析其多普勒效應而獲得三位速度，這種計算通常不能在小型無人機平臺上實現。但是，為了滿足所有飛行需求，四軸飛行器僅僅獲知這幾個量是遠遠不夠的。當無人機向前飛行，它需要通過產生傾角來獲得一個螺旋槳氣流產生的水平分力。故無人機需要測量其姿態，也就是與角度相關的量，包括3D的角度，角速度。加上之前提到的3D位置，速度，加速度，一共是15個量需要被測量。

拿無人機懸停舉個例子：當無人機檢測到一個水平方向向東的漂移，它需要一個向西的水平目標速度來回到原位。通常這個目標速度是通過獲知其當前速度并產生一個目標加速度而實現的。為了精確控制無人機的加速度，無人機需要了解其三維角度和角速度來改變點擊速度，進而產生一個瞬時目標姿態來移動位置。

在這個過程中，無人機的各類傳感器和其之間的相互配合是最復雜的部分。最近幾十年來科技的發展建立起了一套組合導航系統，包括GPS、IMU、氣壓計、電子指南針等模塊，以測量上述數據。

IMU：

IMU（Inertial Measurement Unit 慣性測量單元）包括加速度測量儀和角速度測量儀。根據微積分原理，加速度的積分是速度，速度的積分是位移。同樣可知，角加速度的積分是角速度，角速度的積分是角位移。所以，這套系統原則上已足夠測量出飛行所需的全部數據。事實上，在GPS發明之前，導彈等飛行物就是利用相似原理進行定位與導航的。但是這套系統的缺點在于其產生的誤差會不斷累積，尤其是當無人機的自身限制使得IMU不斷縮小體積、降低成本時，這種誤差會更為凸顯，甚至在幾秒鐘的時間內定位便會產生數米的偏移。

除了GPS，電子指南針和氣壓計也可以作為IMU中矯正誤差、精確并完善定位功能的重要補充元件，例如，加速度的積分——速度，既可以被IMU直接測量，又可以由GPS信息經過積分得出。因此，同種數據之間得以相互矯正、減小誤差。同理，經二級積分后的數據又可以與其他同種數據相互矯正。隨著數學科學的不斷發展，更多計算方法提出也使得IMU的誤差不斷縮小。比如卡爾曼（Rudolf E.Kálmán）所提出的卡爾曼濾波器可將過去的測量估計誤差合并到新的測量誤差中，來估計相對準確的目標量。這一理論在NASA的阿波羅飛船上得以首次應用。

GPS：

GPS是最常見、最被廣泛應用的傳感器，可以測量三維位置量及通過計算三個量的倒數獲知無人機的三維速度，加速度。但是它有著明顯的缺點：它需要從大氣層另一側發射的衛星信號支撐，這也就決定了當處于一個受遮蔽的環境中，信號將會變得非常微弱，同時受到許多干擾。所以特殊環境要求著替代方案，例如超聲波定位和視覺定位。

超聲波模塊：

超聲波傳感器由兩部分組成：發出特定頻率聲波信號的發射器，和將接收到的聲波信號轉化為電子信號的接收器。它通過測量聲波發射與接收時間的差值，從而計算出距離長度。在短距離的應用場景中，這是一個相對廉價高效的方案。但是這種方案也有明顯的短板，如無人機自身震動干擾、水汽干擾、反射面材質干擾等。在目前的無人機行業中，超聲波定位系統通常用于0.1-10米的高度測量，特別是室內等GPS信號弱的環境。

視覺模塊：

人類的一只眼睛可以看到二維世界，而將兩只眼睛的物象處理和結合后，便可以得出一個三維的立體世界。視覺定位系統來源于相機的發明，有了相機來模仿人眼，工程師便可以構建一些算法使其達到能夠感知三維世界的目的，叫做“機器視覺”。僅僅通過機器視覺系統，飛行所需的物理量也可以被測量出，但較大的計算量和圖像質量是其主要約束。不過，機器視覺系統也可以同本文其他傳感器結合以共同工作。

利用機器視覺系統得出物體速度這一想法，首先于1950年在生物領域被提出，靈感是人類可以輕松感知周圍物體的運動。1981年盧卡斯（Lucas-Kanade）提出了光流算法，也就是用連續的圖片來分析運動物體的 速度。雖然聽起來很簡明實用，但是其潛在的條件是物體必須只做水平運動，同時需得知圖像像素與真實尺寸的固定關系，比如1像素代表1米的實際距離。所以，除了這顆相機之外，IMU和超聲波傳感器也需共同工作，來減小各種因素所致的誤差。

視覺里程計和速度測量儀使用的元器件大致相同，但前者需要結合更復雜的算法，從而由相似圖像得出更多所需數據。視覺里程計的數據處理量與速度測量儀相比是成倍增加的，因為其不但要分析平面位移，還要反推出三維位置，并且進行多次優化處理。有的視覺里程計甚至還包含并依賴于光流測速模塊，所以視覺里程計的精確性往往優于速度測量儀，甚至在長距離飛行中也可以將誤差控制在厘米級。

以復雜程度劃分，視覺里程計有兩種類型：更早出現、運算量更小的雙目視覺模塊，和各大高校正致力于研發的單目視覺模塊。前者可以在一定時間內拍攝連續照片，并分析左右相機所成圖像的視覺差，即可通過幾何原理算出其三維位置。雙目視覺模塊已在現今無人機上實現成熟應用，如大疆精靈4 PRO即配備了三套（有冗余）的視覺里程計以進行數據測量并提供避障功能。

與雙目視覺模塊相比，單目視覺模塊只能由相機運動獲得視覺差，而不是前者左右相機位置不同所得的視覺差。這就決定了單目視覺系統的相關算法更為復雜，相關技術也正處于研發過程中，還未實現商用。

NASA曾將視覺里程計與一枚20MHz的處理器裝配到MER-A和MER-B兩輛火星車上，并成功帶到火星。2007年，《火星上的機器視覺》一文發表，并極大地激起了相關領域的關注度和研發熱情。隨著科技的發展，視覺定位系統定會不斷完善自身，同時實現更廣闊的用途。

飛控：

有了上述復雜的組合導航系統以及飛行傳感器，就需要一個強大的處理器整合這些數據，并提供更多功能如新手模式、禁飛區、SDK、自動返航等——這就是飛控。

總結

我們上文討論了組合導航系統所包含的GPS、IMU、氣壓計、指南針、超聲波傳感器以及視覺定位模塊，雖然它們都無法獨立承擔數據測量工作，但是可以共同與飛控協作，來穩定應對各種飛行環境，如搖曳的灌木叢上方、流水上方等場景。同時，關鍵傳感器的冗余設計進一步降低了無人機出現故障（炸機）的風險。

正如氣囊和ABS系統對于汽車的必要性，無人機也需要一套可靠的傳感器與完善的飛控系統來保障安全。例如，當無人機從高層室內直接飛向室外時，不完善的飛控系統就無法應對突然變化的高度，若GPS不能立即作用，那結果只能是墜落，威脅整個社會的安全。從對大眾負責的角度而言，一個缺少安全措施的無人機不應該被推向市場。飛控系統完善的基礎仍然是一個個基本的傳感器，同時伴隨基礎算法的迭代而成。新型傳感器則必須真正融入整套飛控系統，才能發揮應有的作用。從操縱者的角度出發，拋開安全去談論任何花哨的功能是沒有一點意義的。無人機不是玩具，消費者夢想的無人機不僅僅是價格低廉者，安全性更不能缺席。

（作者單位：山東青島市）