论述无人机的“5S”趋势与技术挑战

徐浩博

（山西省晋中市榆次一中，榆次 030600）

论述无人机的“5S”趋势与技术挑战

徐浩博

（山西省晋中市榆次一中，榆次 030600）

随着工业4.0时代的到来，无人机逐渐步入人们的生活，本文提出无人机的“5S”发展趋势，总结其发展现状和主要的技术挑战，对未来无人机的研发方向具有一定的参考价值。

无人机；“5S”趋势；技术挑战；研发方向

1 引言

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的“空中机器人”，或由车载计算机等地面站完全或间歇地自主操作[1]。近年来，随着科技的迅速发展，无人机已渐渐融入人们生活，其日益丰富的行业应用给社会带来巨大价值，由此也成为社会关注的焦点和众多研发团队的研发方向。

2 无人机的研发现状

近年来，无人机的研发热潮已在全球范围内兴起，全世界有多达57个国家研制和发展无人机，种类共有1,000多种，其中有400多种已成为无人机产品[2]。无人机概念源自于军事领域的应用，在该领域以美国和以色列水平最高、起步最早、技术最成熟[2]。国内无人机在军事领域的发展与美国等无人机强国比还存在一定的差距，但经过不懈努力已取得长足进展，研发出“翼龙”无人机，“彩虹四号”无人机等已实现侦查打击一体化的实战无人机[3]。

随着军民融合的大趋势，无人机的应用慢慢进入到民用领域，形成了一个庞大的新兴市场。我国民用无人机行业发展迅速，其技术水平已上升到世界前列，以消费级无人机为例，大疆无人机已占据国际消费级航拍市场的90%左右，毫无疑问成为该行业的“领头羊”。

无人机由于其不存在人体生理限制和健康损伤问题，易于执行枯燥、危险和污染环境下的任务，并且机动性强，可搭载多类传感器，实现影像实时传输。当前国民经济的诸多领域已显现出“无人机+行业应用”的蓬勃发展势头，显现出其广泛的应用前景。

3 无人机“5S”趋势

美国国家工程院院士Vijay Kumar在2016年的全球人工智能与机器人峰会上提出无人机发展的“5S”趋势，即“Small，Safe，Smart，Speed，Swarms”。本文在此基础上，结合当前无人机发展的最新趋势，创新性地提出并阐释了新的“5S”趋势，即“Small，Safe，Smart，Special-purpose，Swarms”。

3.1 Small（小型化）

为适应复杂或未知的勘探环境、侦测环境，无人机小型化成为一重要发展趋势。小型化无人机操作简便灵活，使用成本低，具有较强的机动性和低空飞行优势[2]，在复杂环境中执行任务时可以大显身手，无论军用还是民用领域都有很大发展空间。

3.2 Safe（安全性）

安全性主要体现在两个方面，一方面是其作为自动化产品在运行过程中对人身造成的安全隐患。以多旋翼无人机为例，带动其螺旋桨的无刷电机额定转数往往在3000rmp以上。高速旋转的螺旋桨如同锋利的刀片，对人身安全造成很大威胁。出于这种考虑，很多团队开始着手提高无人机的安全性。英国一初创团队开发了一种安全无人机“Droneball”，在多旋翼外安装金属网框，规避风险。

另一方面是其自身的隐蔽性和智能化带来的信息安全隐患，即存在侵犯个人隐私和窃取机密文件等方面的隐患。因此，无人机的行业安全标准必须执行，国家需颁布相关法律法规，尽快推行消费级无人机的实名注册，来确保无人机行业的健康发展。

3.3 Smart（智能化）

随着近年来人工智能的发展，无人机的智能化程度越来越高。主要发展方向有：借助机器视觉或雷达感知技术实现自动避障功能；通过视觉定位和图像识别技术，实现特定目标的跟踪拍摄功能（如英特尔实感技术）；提高算法成熟度，实现完全自主控制的定点起落功能等。[4]

3.4 Special-purpose（专业化）

民用无人机市场的兴起，使得无人机行业分类逐渐细化，呈现出专业化的发展趋势。例如，民用无人机可分为物流无人机（以顺丰，京东为代表），航拍无人机（以大疆为代表），农林植保无人机（以极飞为代表），巡线无人机等。京东和顺丰先后于2017年6月进行了物流无人机的试飞，亚马逊物流中心也针对无人机物流服务申请了相关专利。

3.5 Swarms（集群化）

无人机集群化即利用多架无人机协同工作，模仿自然界的群体现象，各自执行一定的任务，最终实现工作目的。集群化使得每个无人机个体都成为一个独立工作平台，将功能分布化，通过个体间通讯实现协同工作，使得系统效益倍增，往往可以完成单一个体难以完成的复杂任务。单一个体受损后，不会影响其他环节正常工作，提高了体系生存率。在军事领域，集群化增加了敌方的防御成本，为我方带来巨大优势[5]。

4 无人机发展的技术挑战

4.1 稳定性对算法复杂度的要求

无人机的核心部件是其飞行控制模块，需要设计相关算法对其飞行姿态进行实时控制。飞控算法的优劣直接决定了无人机飞行的稳定性，消费级无人机对稳定性有很高的要求，飞控算法越好，无人机越容易实现稳定飞行，航拍的质量也就越高，用户体验感更好。现有的典型算法包括PID控制算法，模糊控制算法等，但仍需要进一步优化。

4.2 硬件电路存在挑战

无人机的小型化对其硬件集成度提出更高要求。目前，高通和英特尔等芯片商都针对消费级无人机设计了控制平台，将控制芯片集成在扑克牌大小的电路板上，节省了大量空间。此外，用于航拍等用途的无人机需要短延迟甚至无延迟的图像传输和数据传输，对图/数传模块和处理器的速度有较高要求，构成了硬件电路设计上的技术挑战。

4.3 多机协同工作存在的问题

多机协同工作，即无人机集群化的工作形式，现阶段还存在很多问题亟待解决。归结为以下几点：

⊙ 任务分配和轨迹规划停留在实验室阶段，对复杂环境下的无人机编队实时协同工作还未实现。

⊙ 现阶段多机协同的编队方法大部分实现了2维编队，即在同一平面内协同飞行，对于三维立体编队的控制策略有待提高。

⊙ 编队间的通讯研究存在缺陷，未来要实现无人机与其他平台的互联互通。

⊙ 利用无人机群的多传感器进行协同感知，从而扩大其感知范围，实现复杂任务，目前尚未实现，会成为未来一研发重点。

5 结束语

本文立足于当前无人机高速发展的科技背景，总结并阐述了无人机研发现状，重新定义了无人机发展的“5S”趋势并做出创新性的说明，提出无人机现阶段主要的技术挑战和发展趋势，对未来无人机的研发方向具有一定的参考性。无人机作为集机械、电子为一身的智能化终端产品，存在巨大的应用价值和研发潜力。该产品未来具有很大的发展空间，将会在军事和民用等诸多领域扮演越来越重要的角色。

[1] 牛轶峰，肖湘江，柯冠岩．无人机集群作战概念及关键技术分析[J]．国防科技，2013, 34(5):37-43

[2] 陶于金，李沛峰．无人机系统发展与关键技术综述[J]．航空制造技术，2014, 464(20):34-39

[3] 景岩．无人机发展综述[J]．才智，2013(16):189

[4] 张涛，芦维宁，李一鹏．智能无人机综述[J]．航空制造技术，2013,432(12):32-35

[5] 宗群，王丹丹，邵士凯等．多无人机协同编队飞行控制研究现状及发展[J]．哈尔滨工业大学学报，2017, 49(3):1-14

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.10.023

TN92文献标示码：A

1672-7274（2017）10-0060-02