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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具
圖：旋翼軸。
本文的目的：1、介紹什么是無人機(jī)。2、介紹四軸飛行器的歷史。3、介紹民用四軸飛行器市場的目前狀況。
我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前正兒八經(jīng)研究機(jī)器人、無人機(jī)并且還能活躍地上網(wǎng)關(guān)注前沿動向、熱愛寫科普文章的研究人員真心不多。因此所有回答里沒有人真正說明白無人機(jī)是什么，而理解無人機(jī)是什么是回答這個問題的先決條件。
什么是無人機(jī)
首先，無人機(jī)就是不載人的飛行器，而說到飛行器，通常我們把飛行器分為三類。
1、固定翼（fixed wing）。平時坐的波音747空客A380，還有F-16殲-15之類的都是固定翼飛機(jī)。顧名思義就是翅膀形狀固定，靠流過機(jī)翼的風(fēng)提供升力。動力系統(tǒng)包括槳和助推發(fā)動機(jī)。固定翼根據(jù)機(jī)翼尺寸的不同還有很多小的分類，在此不細(xì)說。固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)是在三類飛行器里續(xù)航時間最長、飛行效率最高、載荷最大，缺點(diǎn)是起飛的時候必須要助跑，降落的時候必須要滑行。
2、直升機(jī)（helicopter）。特點(diǎn)是靠一個或者兩個主旋翼提供升力。如果只有一個主旋翼的話，還必須要有一個小的尾翼抵消主旋翼產(chǎn)生的自旋力。為了能往前后左右飛，主旋翼有極其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過控制旋翼槳面的變化來調(diào)整升力的方向。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、整套復(fù)雜的槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)、槳。直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以垂直起降，續(xù)航時間比較中庸，載荷也比較中庸。缺點(diǎn)是極其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了比較高的維護(hù)成本。
3、多旋翼（multi-rotor）。四個或者更多個旋翼的直升機(jī)，也能垂直起降，但是通常只有直升機(jī)叫直升機(jī)，多旋翼就叫多旋翼，而不叫多旋翼直升機(jī)。四旋翼特別叫做quadrotor。多旋翼機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡單，動力系統(tǒng)只需要電機(jī)直接連槳就行。下圖是直升機(jī)的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再下圖是多旋翼的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。不懂機(jī)械的人也能看出多旋翼簡單得多。多旋翼的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械簡單，能垂直起降，缺點(diǎn)是續(xù)航時間最短，載荷也最小。
圖：旋翼軸。
上文談到了三種飛行器外形和續(xù)航時間的不同點(diǎn)，這里要再說一些更理論的不同之處。
首先，固定翼是自穩(wěn)定系統(tǒng)，簡單說就是固定翼飛上天、助推發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作之后，不需要怎么控制，固定翼就能自己抵抗氣流的干擾保持穩(wěn)定。此外對于飛行器姿態(tài)控制來說，固定翼是完整驅(qū)動系統(tǒng)，意思是它在任何姿態(tài)下可以調(diào)整到任何姿態(tài)，并且保持住這個姿態(tài)（當(dāng)然失速的時候不可以，但是失速是特殊情況，我們也可以忽略……）。
其次，直升機(jī)是不穩(wěn)定系統(tǒng)，飛上天之后如果不施加控制，一陣風(fēng)吹來就翻了。不過還好的是，直升機(jī)也是完整驅(qū)動系統(tǒng)，可以自由調(diào)整姿態(tài)。這是因?yàn)橹鄙龣C(jī)的槳面不但可以產(chǎn)生相對機(jī)身向上的推力，也可以產(chǎn)生相對機(jī)身向下的推力。而且直升機(jī)沒有失速的問題，什么時候都能調(diào)整姿態(tài)，可以在天上如散步一般自由運(yùn)動。所以直升機(jī)雖然不穩(wěn)定、很難控制好，但是姿態(tài)翻了的時候完全可以控制回到正常的姿態(tài)。
最后，看官們可能猜到了，多旋翼是不穩(wěn)定系統(tǒng)，也不是完整驅(qū)動系統(tǒng)（或者叫欠驅(qū)動系統(tǒng)）。它的槳只能產(chǎn)生相對機(jī)身向上的升力。所以它不穩(wěn)定、很難控制好，飛行器翻過來之后基本沒辦法控制回來，就墜機(jī)了。
因?yàn)樯鲜鲲w行器作為系統(tǒng)有穩(wěn)定不穩(wěn)定、驅(qū)動完整不完整的區(qū)別，所以固定翼和直升機(jī)讓人控制難度相對不高；多旋翼讓人來控制難度相對高，最好有自動控制器來控制飛行器的姿態(tài)。對于自動控制器，固定翼的自動控制器比較好做，直升機(jī)和多旋翼的自動控制器比較難做。讓事情更加難辦的是，飛行器自動控制器通常需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取自身的姿態(tài)，而在20世紀(jì)90年代之前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。為了把這么重的東西放到一個多旋翼飛行器上，飛行器的載荷必須很大，可是人們發(fā)現(xiàn)，不管是用油機(jī)還是電機(jī)做多旋翼飛行器的動力系統(tǒng)，都很難得到足夠的載荷。同時，因?yàn)楣潭ㄒ砗椭鄙龣C(jī)已經(jīng)很夠?qū)嶋H使用了，所以沒有人愿意多花功夫去研究多旋翼飛行器這個棘手的問題。很長一段時間里，只有美國一些研發(fā)性的項(xiàng)目做出了多旋翼飛行器的樣機(jī)。
四軸飛行器的歷史
20世紀(jì)90年代之后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）研究的成熟，幾克重的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來，使得多旋翼飛行器的自動控制器可以做了。但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀出來用，于是人們又花了一些年的時間研究MEMS去噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動控制器本身通常需要速度比較快的單片機(jī)來運(yùn)行，于是人們又等了一些年時間，等速度比較快的單片機(jī)誕生。接著人們再花了若干年的時間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給它建模、設(shè)計(jì)控制算法、實(shí)現(xiàn)控制算法。
因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)自動控制器才被制作出來。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)突然出現(xiàn)在人們視野中，大家驚奇地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單的飛行器存在。一時間研究者趨之若鶩，紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。
四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡單最流行的一種。如上所述，最初的一段時間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。四旋翼飛行器最早出現(xiàn)在公眾視野可能要追溯到2009年的著名印度電影《三傻》……2010年，法國Parrot公司發(fā)布了世界上首款流行的四旋翼飛行器AR.Drone。作為一個高科技玩具，它的性能非常優(yōu)秀：輕便、靈活、安全、控制簡單，還能通過傳感器懸停，用WIFI傳送相機(jī)圖像到手機(jī)上。
AR.Drone的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進(jìn)入人類社會。在玩具這個尺寸上，多旋翼飛行器的優(yōu)勢就顯示出來了，同尺寸的固定翼基本飛不起來，而同尺寸的直升機(jī)因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根本沒法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。
2012年2月，賓夕法尼亞大學(xué)的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講。這一場充滿數(shù)學(xué)公式的演講居然大受歡迎，迄今已經(jīng)有三百多萬次觀看，是TED成百上千個演講中瀏覽量最高的演講之一。
自此之后，四旋翼飛行器受到的關(guān)注度迅速提升，成為了新的商業(yè)焦點(diǎn)。
民用四軸飛行器市場的目前狀況
談?wù)撍男盹w行器的市場，我們應(yīng)該先談?wù)?a href="http://www.hldxsj.cn/sell/search.php?keyword=DJI" title="DJI" target="_blank">DJI。早年DJI專注在直升機(jī)自動控制器上。不過在2010年，AR.Drone的成功也讓DJI開始考慮四旋翼飛行器產(chǎn)品。2012年DJI相繼推出了風(fēng)火輪系列四旋翼機(jī)架、悟空四旋翼飛控和S800六旋翼飛行器。當(dāng)時，在AR.Drone的引領(lǐng)下，全球范圍內(nèi)都有一股將四旋翼商業(yè)化的熱潮，DJI只是眾多小四旋翼公司中稍微出眾的一個。
當(dāng)新技術(shù)產(chǎn)生的時候，人們總是充滿希望用這些技術(shù)趕快賺錢，但是很多技術(shù)如果找不到合適的應(yīng)用，就會流于衰敗的命運(yùn)。2012年的時候，研發(fā)四旋翼產(chǎn)品的人們在熱情之余也存有一絲迷茫：四旋翼飛行器是很好玩，但是它除了作為玩具之外，還有什么價(jià)值呢？就像AR.Drone被定義成玩具一樣，DJI最早的多旋翼產(chǎn)品也被人定義成玩具、航模。2012年底的時候，我碰到一個天使投資人，他直言自己不看好DJI這樣的玩具公司。
這個問題在2013年得到了解答。隨著DJI Phantom在2013年1月的推出，四旋翼飛行器市場的形勢發(fā)生了巨大的變化?！癙hantom”在英語里有幻影、精靈的意思，它優(yōu)雅的白色流線型外形也確實(shí)配得上精靈這個稱呼。Phantom與AR.Drone一樣控制簡便，新手學(xué)習(xí)多半個小時就可以自由飛行。Phantom尺寸比AR.Drone大的多，抗風(fēng)性更好，還具有內(nèi)置GPS導(dǎo)航功能，可以在戶外很大的范圍內(nèi)飛行。更重要的是，當(dāng)時利用GoPro運(yùn)動相機(jī)拍攝極限運(yùn)動已經(jīng)成為歐美國家的時尚，而Phantom提供了掛載GoPro的連接架，讓用GoPro相機(jī)的人們有了從天空向下的拍攝視角。特別地，與傳統(tǒng)的飛機(jī)和直升機(jī)航拍不同，多旋翼系統(tǒng)小巧靈活，能讓拍攝者自由地控制角度和距離。就像iPhone重新定義了手機(jī)一樣，我們也可以毫不夸張地說Phantom+GoPro重新定義了航拍，也重新定義了相機(jī)。
Phantom迅速成為了世界上銷量最大的四旋翼飛行器，每月銷量成千上萬。隨著Phantom的成功，“多旋翼航拍影像系統(tǒng)”成為了DJI的主要發(fā)展方向。按照多方進(jìn)行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球稱為航拍影像系統(tǒng)的產(chǎn)品中，DJI產(chǎn)品的銷量超過5成，是名符其實(shí)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。事實(shí)是，DJI產(chǎn)品在國內(nèi)銷量差不多是國外銷量的零頭。
其他四旋翼公司看到了DJI的成功，也開始紛紛跟進(jìn)，但是持續(xù)創(chuàng)新的DJI很快做出了精準(zhǔn)的相機(jī)消抖云臺，讓S800的航拍影像質(zhì)量達(dá)到了電影級別，在好萊塢的電影拍攝者中建立了良好的口碑，也帶動了“航拍公司”這個產(chǎn)業(yè)的形成。DJI發(fā)明了四旋翼系統(tǒng)的黑匣子IOSD，讓飛行數(shù)據(jù)可以被記錄、分析，增加飛行的安全性。DJI開發(fā)了優(yōu)秀的圖傳系統(tǒng)，提高了遠(yuǎn)程實(shí)時圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量……2013年下半年，以“會飛的相機(jī)”為宣傳語的Phantom Vision帶著一體化的相機(jī)和改進(jìn)的電池系統(tǒng)面世，進(jìn)一步提升了航拍的體驗(yàn)。
DJI優(yōu)秀的marketing team借助在好萊塢的人脈迅速拓展了大量名人作為Phantom的用戶，在北美廣為人知。所以現(xiàn)在四旋翼飛行器的市場一部分是以AR.Drone和比他尺寸更小的玩具市場，另一部分是DJI Phantom和DJIS1000這個尺寸段的航拍飛行器市場。玩具市場暫且不說，航拍飛行器市場據(jù)分析未來幾年會發(fā)展到100億美元的規(guī)模。
喬布斯說過：“people don't know what they want until you show it to them.”兩年前，當(dāng)四旋翼無人機(jī)還處在玩具階段的時候，沒有人知道它能用來干什么。而現(xiàn)在，當(dāng)成千上萬的四旋翼飛行器在我們四周盤旋的時候，成千上萬的新想法也隨之起飛了。隨著亞馬遜、DHL和順豐相繼進(jìn)行多旋翼飛行器測試送快遞，隨著媒體不斷報(bào)道哪個國家的誰誰誰又用四旋翼飛行器做了啥啥啥應(yīng)用，諸如送快遞、輸電線路勘測、野生動物保護(hù)、安防監(jiān)控之類的想法似乎都已經(jīng)不是新鮮名詞了。四旋翼飛行器的市場似乎變得很大。
人們熱切地提出各種各樣的想法。在DJI，幾乎每天都有人來找我們說你們的飛機(jī)能不能用來作啥啥啥，其中不乏一些世界500強(qiáng)公司的代表。大部分這些想法通常是不切實(shí)際的，因?yàn)槿藗兺ǔ２焕斫馑男盹w行器和直升機(jī)以及固定翼的區(qū)別，不明白什么樣的應(yīng)用應(yīng)該用什么樣的飛行器，這就是為什么開頭我要花巨大的篇幅來解釋無人機(jī)的分類。比如說，勘測稻田這個事情，顯然是固定翼更合適，因?yàn)樗w行半徑大，續(xù)航時間長。而勘測溫室里的植物，顯然是四旋翼更合適，因?yàn)樗叽缧?、靈活、運(yùn)動更自由。
通常一個公司如果專注于做一類飛行器，很難快速地切換去做另一類飛行器。比如做四旋翼飛行器需要大量做控制的人才，而做固定翼需要大量懂空氣動力學(xué)的人才。同一個團(tuán)隊(duì)基本不可能又能做四旋翼又能做固定翼。所以一個無人機(jī)公司如果不是非常有錢，應(yīng)該專注在三種飛行器中的一種上。
“人類對飛行的夢想是與生俱來的?！蹦阋呀?jīng)看到人們的創(chuàng)意如何在一兩年之內(nèi)被四旋翼點(diǎn)燃起來，想必當(dāng)人們更加了解三類飛行器的優(yōu)缺點(diǎn)之后，更多的公司進(jìn)入各種飛行器行業(yè)，更多的飛行器被制造出來，更多的想法也會被創(chuàng)造出來，這樣更大的市場也會形成。我相信在未來的十年之內(nèi)，無人機(jī)行業(yè)會逐步壯大，我們今天產(chǎn)生的所有想法基本都會實(shí)現(xiàn)，更多的想法也會逐步被實(shí)現(xiàn)，利用無人機(jī)的應(yīng)用越來越多，無人機(jī)將會變成我們生活不可或缺的部分。
當(dāng)然，三種無人機(jī)的比例會在不同時期有所不同。四旋翼市場很可能萎縮，因?yàn)樗m(xù)航時間短，載重量小，還像蚊子一樣嗡嗡叫，不合適大多數(shù)我們想實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用?，F(xiàn)在人們覺得可以用四旋翼送快遞或者干這個干那個，完全只是因?yàn)閥ou show it to them。如果將來有人設(shè)計(jì)了一種利用固定翼送快遞的方案，顯然能送更多的東西，更省電，也更安靜，那么很可能人們主要會研究用固定翼送快遞。人們暫時只是被成熟的四旋翼解決方案沖昏了頭腦，以為四旋翼無所不能，但這種看法是不完整的。
2025-09-04 22:09
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