無人機的誕生可以追溯到1914年。當(dāng)時第一次世界大戰(zhàn)正進(jìn)行得如火如荼，英國的卡德爾和皮切爾兩位將軍，向英無人駕駛飛機國軍事航空學(xué)會提出了一項建議：研制一種不用人駕駛，而用無線電操縱的小型飛機，使它能夠飛到敵方某一目標(biāo)區(qū)上空，將事先裝在小飛機上的炸彈投下去。那之后軍用無人機便誕生了。

　　而消費無人機自2014年進(jìn)入公眾視野以來，一直保持著超高的關(guān)注度。隨著無人機行業(yè)持續(xù)升溫，整個消費級無人機市場也正在迅速膨脹，并呈現(xiàn)爆發(fā)增長的態(tài)勢。從研究機構(gòu)EVTank的數(shù)據(jù)來看，2013—2015年3年內(nèi)，全球民用無人機的市場銷量分別為15萬架、37.8萬架和57萬架，其中消費級市場需求是專業(yè)級無人機的兩倍左右，并且以每年50%的速度快速增長。

  本文搜集了世上最全的無人機知識，包括分類、技術(shù)難點、發(fā)展歷史、產(chǎn)業(yè)鏈、相關(guān)政策、市場分析…希望此文能夠帶您走進(jìn)無人機的世界。

   上篇：

   1.無人機是什么

　　無人機是無人駕駛飛機的簡稱(Unmanned Aerial Vehicle)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器(20-100公里空域)，如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。從某種角度來看，無人機可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看做是“空中機器人”。

　　按照不同平臺構(gòu)型來分類，無人機可主要有固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三大平臺，其它小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等。固定翼無人機是軍用和多數(shù)民用無人機的主流平臺，最大特點是飛行速度較快;無人直升機是靈活性最強的無人機平臺，可以原地垂直起飛和懸停;多旋翼(多軸)無人機是消費級和部分民用用途的首選平臺，靈活性介于固定翼和直升機中間(起降需要推力)，但操縱簡單、成本較低。

　　按不同使用領(lǐng)域來劃分，無人機可分為軍用、民用和消費級三大類，對于無人機的性能要求各有偏重：

　　1)軍用無人機對于靈敏度、飛行高度速度、智能化等有著更高的要求，是技術(shù)水平最高的無人機，包括偵察、誘餌、電子對抗、通信中繼、靶機和無人戰(zhàn)斗機等機型;

　　2)民用無人機一般對于速度、升限和航程等要求都較低，但對于人員操作培訓(xùn)、綜合成本有較高的要求，因此需要形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈提供盡可能低廉的零部件和支持服務(wù)，目前來看民用無人機最大的市場在于政府公共服務(wù)的提供，如警用、消防、氣象等，占到總需求的約70%，而我們認(rèn)為未來無人機潛力最大的市場可能就在民用，新增市場需求可能出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)植保、貨物速度、空中無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域;

　　3)消費級無人機一般采用成本較低的多旋翼平臺，用于航拍、游戲等休閑用途。

　　圖：世界民用無人機使用領(lǐng)域構(gòu)成。

　　2.無人機技術(shù)難點

　　1、飛控系統(tǒng)是無人機的“駕駛員”-更精確、更清晰

　　飛控子系統(tǒng)是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，飛控對于無人機相當(dāng)于駕駛員對于有人機的作用，我們認(rèn)為是無人機最核心的技術(shù)之一。飛控一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設(shè)備三大部分，實現(xiàn)的功能主要有無人機姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。

　　圖：飛機架構(gòu)

　　其中，機身大量裝配的各種傳感器(包括角速率、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等)是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是保證飛機控制精度的關(guān)鍵，在不同飛行環(huán)境下、不同用途的無人機對傳感器的配置要求也不同。未來對無人機態(tài)勢感知、戰(zhàn)場上識別敵我、防區(qū)外交戰(zhàn)能力等方面的需求，要求無人機傳感器具有更高的探測精度、更高的分辨率，因此國外無人機傳感器中大量應(yīng)用了超光譜成像、合成孔徑雷達(dá)、超高頻穿透等新技術(shù)。

　　2、導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機的“眼睛”，多技術(shù)結(jié)合是未來方向

　　導(dǎo)航系統(tǒng)向無人機提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài)，引導(dǎo)無人機按照指定航線飛行，相當(dāng)于有人機系統(tǒng)中的領(lǐng)航員。無人機載導(dǎo)航系統(tǒng)主要分非自主(GPS等)和自主(慣性制導(dǎo))兩種，但分別有易受干擾和誤差積累增大的缺點，而未來無人機的發(fā)展要求障礙回避、物資或武器投放、自動進(jìn)場著陸等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干擾性能，因此多種導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合的“慣性+多傳感器+GPS+光電導(dǎo)航系統(tǒng)”將是未來發(fā)展的方向。

　　3、動力系統(tǒng)-渦輪有望逐步取代活塞，新能源發(fā)動機提升續(xù)航能力

　　不同用途的無人機對動力裝置的要求不同，但都希望發(fā)動機體積小、成本低、工作可靠：1)無人機目前廣泛采用的動力裝置為活塞式發(fā)動機，但活塞式只適用于低速低空小型無人機;2)對于一次性使用的靶機、自殺式無人機或?qū)?，要求推重比高但壽命可以?1-2h)，一般使用渦噴式發(fā)動機;3)低空無人直升機一般使用渦軸發(fā)動機，高空長航時的大型無人機一般使用渦扇發(fā)動機(美國全球鷹重達(dá)12t);4)消費級微型無人機(多旋翼)一般使用電池驅(qū)動的電動機，起飛質(zhì)量不到100克、續(xù)航時間小于一小時。

　　往前看，我們認(rèn)為隨著渦輪發(fā)動機推重比、壽命不斷提高、油耗降低，渦輪將取代活塞成為無人機的主力動力機型，太陽能、氫能等新能源電動機也有望為小型無人機提供更持久的生存力。

　　4、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)?amp;ldquo;放風(fēng)箏的線”–從獨立專用系統(tǒng)向全球信息格柵(GIG)過渡

　　數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)是無人機的重要技術(shù)組成，負(fù)責(zé)完成對無人機遙控、遙測、跟蹤定位和傳感器傳輸，上行數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)對無人機遙控、下行數(shù)據(jù)鏈執(zhí)行遙測、數(shù)據(jù)傳輸功能。普通無人機大多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈，而中高空、長航時無人機則都會采用視距和超視距衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈。

　　現(xiàn)代數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展推動者無人機數(shù)據(jù)鏈向著高速、寬帶、保密、抗干擾的方向發(fā)展，無人機實用化能力將越來越強。往前看，隨著機載傳感器、定位的精細(xì)程度和執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度不斷上升，對數(shù)據(jù)鏈的貸款提出了很強的要求，未來隨著機載高速處理器的突飛猛進(jìn)，預(yù)計幾年后現(xiàn)有射頻數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率將翻倍，未來在全天候要求低的領(lǐng)域可能還將出現(xiàn)激光通訊方式。

　　從美國制定的無人機通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略上看，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)從最初IP化的傳輸、多機互連網(wǎng)絡(luò)，正在向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換傳輸，以及最終的完全全球信息格柵(GIG)配置過渡，為授權(quán)用戶提供無縫全球信息資源交互能力，既支持固定用戶、又支持移動用戶。

　　3.無人機發(fā)展緣起

　　1、軍用技術(shù)溢出，成本下降引爆民用市場

　　戰(zhàn)爭是無人機發(fā)展的頭號牽引力，20世紀(jì)末經(jīng)歷三大技術(shù)發(fā)展浪潮

　　毫無疑問，無人機發(fā)展的初期是為了純粹的軍事用途：一戰(zhàn)時期英國研制的世界第一款無人機被定義為“會飛的炸彈”，二戰(zhàn)時期德軍已經(jīng)開始大量應(yīng)用無人駕駛轟炸機參戰(zhàn);二戰(zhàn)后無人機研發(fā)的中心出現(xiàn)在美國和以色列，用途延伸至戰(zhàn)地偵察和情報搜集，無人機被派往朝鮮、越南和海灣戰(zhàn)場協(xié)助美軍和以色列軍隊作戰(zhàn)。正是由于無人機在偵查方面低成本、控制靈活、持續(xù)時間長的天然優(yōu)勢，各國軍隊相繼投入大量經(jīng)費研發(fā)無人機系統(tǒng)。

　　無人機技術(shù)在20世紀(jì)末經(jīng)歷了三次發(fā)展浪潮、真正進(jìn)入了第一個“黃金時代”：1)1990年后，全球共有30多個國家裝備了師級(大型)戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng)，代表機型有美國“獵人”、“先驅(qū)者”，以色列“偵察兵”、“先鋒”等;2)1993年后，中高空長航時軍用無人機得到迅速發(fā)展，以美國“蒂爾”無人機發(fā)展計劃為代表，在波黑戰(zhàn)爭中大放異彩;3)20世紀(jì)末，旅團(tuán)級(中小型)固定翼和旋翼戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng)出現(xiàn)，其體積小、價格更低、機動性好，標(biāo)志著無人機進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用時代。

　　早期的航空技術(shù)解決的是無人機能夠飛行的問題，而20世紀(jì)80年代以來現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為無人機更高的飛行性能、更好的可靠性提供了條件，其中：1)智能化：自主飛控技術(shù)、急劇攀升的計算機處理能力推動無人機向智能化發(fā)展，真正成為“會思考”的空中機器人;2)高速帶寬：高速寬帶網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)無人機組網(wǎng)和互相連通，無人機編組、空地裝備聯(lián)合成為可能;3)更輕的材料和傳感器：材料科學(xué)和微機電技術(shù)進(jìn)一步減輕無人機平臺重量、提高精確度;4)更強的續(xù)航能力：電池續(xù)航能力的大幅上升，以及新能源技術(shù)賦予無人機更長的飛行時間。

　　2、技術(shù)向民用外溢，無人機產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入普及時代

　　由于軍用無人機在”3D”(DULL，DIRTY，DANGEROUS)環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的顯著優(yōu)勢以及靈活機動的特性，民用各行各業(yè)對無人機的應(yīng)用也翹首以盼。但相比軍用無人機近百年的發(fā)展歷史，民用無人機在上世紀(jì)80年代軍用無人機的現(xiàn)代系統(tǒng)得到大發(fā)展的基礎(chǔ)上才開始嘗試應(yīng)用，各領(lǐng)域全面開花應(yīng)用只有10余年時間。

　　日本的民用無人機開發(fā)較早：早在1983年雅馬哈公司采用摩托車發(fā)動機，開發(fā)了一種用于噴灑農(nóng)藥的無人直升機，1989年其成為實際首架成功用于試飛的無人直升機，2002年CERP公司及發(fā)明一款JAXA多用途民用無人機;2003年開始，耗時3年，岐阜工業(yè)協(xié)會先后開發(fā)了4代無人機產(chǎn)品，主要應(yīng)用于森林防火、地震災(zāi)害評估等領(lǐng)域;

　　美國NASA牽頭成立世界級無人機應(yīng)用中心：2003年美國NASA成立世界級的無人機應(yīng)用中心，專門研究裝有高分辨率相機傳感器無人機的商業(yè)應(yīng)用。

　　近年美國國家海洋和大氣管理局用無人機追蹤熱帶風(fēng)暴有關(guān)數(shù)據(jù)，借此完善颶風(fēng)預(yù)警模型。2007年森林大火肆虐時，美國宇航局使用“伊哈納”(Ikhana)的無人機來評估大火的嚴(yán)重程度，以及災(zāi)害的損失估算工作。2011年墨西哥灣鉆井平臺爆炸后艾倫實驗室公司的無人機協(xié)助溢油監(jiān)測和溢油處理等。

　　以色列也專門組建了一個民用無人機及其工作模式的試驗委員會，2008年給予“蒼鷺“無人機非軍事任務(wù)執(zhí)行證書，并與有關(guān)部門合作展開多種民用任務(wù)的試驗飛行。。

　　歐洲在2006年制定并即刻實施的“民用無人機發(fā)展路線圖”，之后歐盟擬籌夠一個泛歐民用無人機協(xié)調(diào)組織，為解決最關(guān)鍵的空中安全和適航問題提供幫助。

　　中國起步早，近年發(fā)展較快：中國上世紀(jì)80年代，就將自行開發(fā)的無人機(脫胎于軍用機型)在地圖測繪和地質(zhì)勘探中做了嘗試。近些年，專為民用研制額”黔中“1號無人機與2010年順利首飛，2011你那國產(chǎn)”蜜蜂“28無人機，可全自主起飛、著陸、懸停和航路規(guī)劃，能應(yīng)用農(nóng)業(yè)噴灑、電力巡檢、防災(zāi)應(yīng)急、航拍測繪、中繼通信等。

　　對于民用領(lǐng)域，無人機僅僅是一個飛行平臺，其功能歸根到底要通過機載系統(tǒng)中的任務(wù)載荷設(shè)備來完成。

　　和ToB端各行各業(yè)無人機領(lǐng)域快速發(fā)展相比，近兩年ToC消費端航拍、娛樂等市場，受益于無人機各方面技術(shù)的成熟和成本的大幅下降，可謂是爆發(fā)式發(fā)展。深圳大疆成立于06年，10年僅幾百萬收入，13年高達(dá)8億元，14年近30億元，15年估值100億。

　　3、硬件產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本下降為民用&消費無人機爆發(fā)創(chuàng)造條件

　　近十年民用和消費級無人機市場的興起，和硬件產(chǎn)業(yè)鏈的成熟、成本曲線不斷下降密不可分：隨著移動終端的興起，芯片、電池、慣性傳感器、通訊芯片等產(chǎn)業(yè)鏈迅速成熟，成本下降，使智能化進(jìn)程得以迅速向更加小型化、低功耗的設(shè)備邁進(jìn)。這也給無人機整體硬件的迅速創(chuàng)新和成本下降創(chuàng)造了良好條件：

　　芯片——目前一個高性能FPGA芯片就可以在無人機上實現(xiàn)雙CPU的功能，以滿足導(dǎo)航傳感器的信息融合，實現(xiàn)無人飛行器的最優(yōu)控制。

　　慣性傳感器——伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，成本和功耗進(jìn)一步降低，成本僅在幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價格不到5美元。

　　Wifi等無線通信——Wifi等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質(zhì)量已經(jīng)可以充分滿足幾百米的傳輸需求。

　　電池——電池能量密度不斷增加，使得無人機在保持較輕的重量下，續(xù)航時間能有25-30分鐘，達(dá)到可以滿足一些基本應(yīng)用的程度，此外，太陽能電池技術(shù)使得高海拔無人機可持續(xù)飛行一周甚至更長時間。

　　相機等——近年來移動終端同樣促進(jìn)了鋰電池、高像素攝像頭性能的急劇提升和成本下降。

　　4、飛控系統(tǒng)開源，無人機飛入尋常百姓家

　　如果說硬件成本下降解決了無人機“身體”的問題，近年來飛控系統(tǒng)開源化的趨勢解決了無人機“大腦”的問題，從此無人機不再是軍用和科研機構(gòu)的專利，全世界的商業(yè)企業(yè)和發(fā)燒友都加入了無人機系統(tǒng)設(shè)計的大潮中，是引爆民用和消費無人機市場的“爆點”。

　　德國MK公司是多旋翼無人機系統(tǒng)開源的鼻祖，其后2011年美國APM公司開放無人機設(shè)計平臺徹底點燃了市場對無人機系統(tǒng)開發(fā)的熱情，2012年以后民用和消費無人機進(jìn)入了加速上行的通道。

　　至今，國際無人機行業(yè)已經(jīng)形成了APM(用戶最多)、德國MK(最早的開源系統(tǒng))、Paparazzi(穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性強)、PX4和MWC(兼容性強)等五大無人機開源平臺。

　　以PPZ(Paparazzi)為例，始于2003年的PPZ是一個軟硬件全開源的系統(tǒng)，至今已經(jīng)形成了不僅覆蓋傳感器、GPS、自動駕駛軟件，同時覆蓋地面設(shè)備的全套成熟解決方案，既可以驅(qū)動固定翼飛機、也可以驅(qū)動旋翼機，并且可以通過地面控制軟件實時監(jiān)控飛機飛行的衛(wèi)星地圖?？梢哉f，強大的開源飛控系統(tǒng)已經(jīng)使得無人機全面進(jìn)入“用戶友好”時代。

　　2014年10月，著名計算機開源系統(tǒng)公司Linux推出了名為“Dronecode”的無人機開源系統(tǒng)合作項目，將3DRobotics、英特爾、高通、百度等科技巨頭納入項目組，旨在為為無人機開發(fā)者提供所需要的資源、工具和技術(shù)支持，加快無人機和機器人領(lǐng)域的發(fā)展。根據(jù)Teal航空市場調(diào)研公司的報告，Dronecode項目使未來十年世界無人機研發(fā)、測試和評估等活動的總值達(dá)到910億美元。Dronecode開發(fā)界面囊括了無人越野車、無人固定翼飛機、無人直升機和各種多軸旋翼無人機等，吸收了APM、PX4等多個平臺，進(jìn)一步推動了系統(tǒng)開發(fā)的可視化和友好化。

　　5、無人機相關(guān)政策：各國政策都處于持續(xù)完善中

　　中國無人機相關(guān)政策：走出了規(guī)范化的第一步

　　圖：2009年至今中國無人機相關(guān)主要政策匯總

　　總的來說，2009年前，無人機處于無監(jiān)管的空白狀態(tài)。2009年以后至今，開始進(jìn)入持證飛行階段，但是法律法規(guī)和監(jiān)管執(zhí)行尚未完善和正規(guī)化，實際申請操作上模糊不清。

　　美國無人機相關(guān)政策：商業(yè)無人機草案終出

　　圖：2014-2015美國聯(lián)邦航空管理局無人機管理動態(tài)匯總。

　　經(jīng)歷了長時間的等待，數(shù)次延期，2015年2月15日，美國聯(lián)邦航空管理局終于公布了期盼已久的無人機商轉(zhuǎn)管理辦法草案。這項新規(guī)打破了之前全面禁飛的局面，但是還有待最終定案。

　　這份規(guī)則主要適用于重量25千克以下的無人機，主要限定包括：

　　(1)飛行時間，高速，速度，搭載限制：它限定無人機只能在白天飛行，且全程都必須保持在操作人員的視線范圍內(nèi)，飛行高度不得超過150米，時速不得超過160公里。不得從人頭頂上飛過，不得從無人機上扔?xùn)|西，機體外側(cè)不得搭掛包裹。

　　(2)飛行路線地點限制：無人機都必須避開飛機飛行路線和飛行限制區(qū)，必須嚴(yán)格遵守相關(guān)臨時限飛令。無人飛機應(yīng)避開人駕駛的飛機機場至少八公里。無人飛機飛行時，應(yīng)始終維持于無線電操作者視界以內(nèi)。

　　(3)駕駛員資格要求：無人機操作人員至少滿17歲，需考取美國聯(lián)邦航空局無人機操作人員資格證書，并且通過TSA(美國運輸安全管理局)的審查要求。

　　(4)另外，關(guān)于愛好者的模型無人機，則仍然跟之前一樣不受限制，只要不妨礙空中交通。

　　英國無人機政策：世界無人機法規(guī)領(lǐng)航者

　　圖：最新歐洲無人機相關(guān)主要政策匯總。

　　CAP722是英國民航局在英國領(lǐng)空內(nèi)對無人機使用的指導(dǎo)準(zhǔn)則，第四版的CAP722發(fā)布于2010年4月已適應(yīng)空中導(dǎo)航法2009的推出。所有關(guān)于無人機的法規(guī)現(xiàn)在都收在空中導(dǎo)航法2009中.在那之前，CAP722是行業(yè)的參考標(biāo)準(zhǔn)，并被全世界所模仿學(xué)習(xí)與實施。這份文件強調(diào)了在英國操作無人機前需要注意的適航性和操作標(biāo)準(zhǔn)方面的安全要求。最新版的cap722發(fā)布于2012年8月，并且對民用無人機實施相當(dāng)程度的開放政策。英國民航局是無人機法規(guī)領(lǐng)域的領(lǐng)航者。

　　歐洲法規(guī)2008第216號監(jiān)管著所有整機重量超過150公斤的無人機.無人機的設(shè)計和生產(chǎn)也必須和常規(guī)飛機一樣遵循相關(guān)的認(rèn)證規(guī)范(該規(guī)范由EuroUSC公司主導(dǎo)，該公司獲得民航局的授權(quán)實施輕型無人機計劃)，并且必須獲得適航認(rèn)證或準(zhǔn)飛許可.在英國，整機重量在20公斤到150公斤的無人機需要具有英國法律下的適航性資質(zhì).如果飛行器在半徑500米和低于400英尺的范圍或者在隔離的飛行區(qū)域內(nèi)，并且無人機和該飛行有一定的適航性保證，英國民航局可以豁免適航性認(rèn)證的需求.英國民航局也會在自己調(diào)查和被推薦的基礎(chǔ)上頒發(fā)豁免權(quán)，當(dāng)前僅有一家組織獲得了此項許可.整機重量20公斤以下的無人機并不需要遵從很多主要政策要求，但是領(lǐng)航法第98號文中設(shè)立了一些條件。這些條件包括禁止在管制區(qū)域或者飛機場附近飛行，除非獲得空管局的許可，最大高度400英尺和禁止在沒有英國民航局特別許可的情況下高空作業(yè)。

　　當(dāng)前英國航空法中操控?zé)o人機并不需要認(rèn)證飛行員執(zhí)照.但是英國民航局要求所有潛在無人機操控者都掌握飛行資質(zhì)。飛行資質(zhì)可以通過完成指定課程獲得，并有四家認(rèn)證機構(gòu)運營著培訓(xùn)與考試。