1.1 无人机纵横百年

1.1.1 无人机的发展简史

无人机诞生已有百年时间了，但是直到最近几年，无人机才开始风靡全球，进入大众的视野。

这究竟是为什么呢？

最初，无人机的研发和生产仅为军事用途。这可以追溯到1917年。^[1]到二十世纪二十年代，无人机开始作为军事训练用的靶机使用。在1933年，英国费尔雷公司将一架代号为“女王”的双翼飞机改装成无人驾驶靶机并投入实际使用，这就是著名的“蜂后”无人机。

第二次世界大战后，全球无人机研发中心从英国转移到了美国和以色列，无人机的使用范围扩展到战地侦察、诱饵和情报搜集，再后来无人机被派往朝鲜、越南和海湾战场协助作战。到了二十世纪八九十年代，随着电子技术的进步，无人机在战争中扮演“侦察兵”的角色越来越耀眼夺目。

进入二十一世纪，无人机在军事领域的功能逐步向“侦查+定向”的方向去延伸，并增加了“进攻”的功能，其角色从“最佳配角”逐步向“主角阵营”靠拢。最近几十年，在世界经济持续发展、全球一体化潮流的大背景下，无线电技术、自动化技术、计算机技术、飞行控制和卫星导航等相关技术均取得了日新月异的进步。半导体产业、通信产业和航空产业等先进制造业也取得了飞速发展。技术和产业进步为无人机的发展提供了质优价廉的设备与配件，使得无人机在材料、续航能力、飞行控制、传感技术和性价比等许多关键领域取得了重大突破，各种各样高性能的现代无人机纷纷横空出世。

当今，全球最为先进的军用无人机主要分布在美国、以色列、英国、法国、德国和俄罗斯等国家。

同一时期，无人机在民用领域的发展也取得了长足进步。人类在步入后工业化的时代，智能化社会在各方面都释放出巨大的需求，无人机的应用领域越来越广，市场规模越来越大。由军用领域切入民用领域，对无人机产业而言，是顶破了天花板。民用无人机需求广泛，在相关联的各个行业都存在着巨大的应用潜力，加上行业需求是常态化的，市场前景将长期向好。民用无人机的行业应用主要体现在影视广告航拍、农业植保、森林防火、电力巡检、石油管道巡检、防恐救灾、地质勘探、海洋遥感、通信中继、互联网接入和物流等方面。

近年来无人机在国内外的发展实践表明，对其深度应用产生了良好的经济和社会效益。相比于军用，在全球范围内，民用无人机的应用亦如是。

以下为无人机在民用领域发展的几个重要节点：

1982年，中国西北工业大学研发出民用无人机D-4，主要用于航空测绘和探矿。

1991年，日本的雅马哈公司首开无人机用于农业植保领域的先例，具体主要用于稻田的病虫害防治作业。雅马哈无人机在农业植保领域的地位，至今无人能撼动。

1997年，由澳大利亚Aerosonde公司研发的一款气象无人机投入使用。

2005年，中国台湾科学家利用Aerosonde公司生产的“MK-Ⅲ”无人机成功穿越了“龙王”的台风眼，在台风核心区持续飞行了10小时左右，并获取了3000米高度台风云墙内的风速。

2013年初，中国深圳的大疆创新科技有限公司（DJI-Innovations，简称DJI）推出精灵系列无人机的第一代产品，获得极大成功。这个时间点是具有里程碑式的意义，它标志着无人机的发展进入了一个全新的时代，从那一时刻开始，无人机的操作变得相当容易，普通人也能经过学习很快上手，而且更为重要的是产品的成本足够低廉。DJI的无人机在操作上和价格上双双降低了门槛，民用无人机的发展由此步入突飞猛进的快车道。

经济发展、技术进步、开放共享以及企业的创新精神等多重因素的合力促使无人机在便捷性、实用性和经济性等方面产生了质的飞跃，这些飞跃使它终于甩掉神秘、昂贵等小众化标签，开始迈开大步跨向发展的黄金时代。

综观无人机的整个发展历程，可以说有两个极为重要的节点：

第一个重要的节点是在二十世纪八九十年代，重点是在军事领域，无人机在其中发挥了巨大作用。此后，无人机的以下价值才引起人们的足够重视：①没有驾驶人员伤亡的风险；②成本低、效率高和用途广；③生存能力强，机动性能好；④使用和调度方便等。

军用无人机取得了飞跃式的大发展，比较著名的军用无人机有：美国的“全球鹰”无人机（图1-1）、美国的“死神”无人机（图1-2）、以色列的“苍鹭”无人机（图1-3）、法国的“神经元”无人机（图1-4）。

执行任务的飞行器，从有人驾驶向无人驾驶的转变是带有趋势性的。无人驾驶最突出的优点是可以避免驾驶人员的伤亡，并且更加机动灵活。

图1-1 “全球鹰”无人机

图1-2 “死神”无人机

图1-3 “苍鹭”无人机

图1-4 “神经元”无人机

无人机更大的应用价值和发展潜力在民用领域。从本质上说，无人机是一种先进的生产工具。人类社会的生产方式持续向机械化、自动化和智能化方向发展，无人机协助人类，或部分替代人类，发挥人机协同的优势，得以解放和发展生产力。

无人机发展史上的第二个重要节点发生在民用领域，以2013年DJI无人机的大获成功为标志。

在DJI之前，民用无人机的应用已经初露端倪，典型案例是在二十世纪八十年代前后，日本的雅马哈公司开发的农业植保无人机（图1-5），主要用于稻田的病虫防害作业，产生了极好的经济效益。雅马哈的无人机性能很好，但价格过于昂贵，在很长一段时间内，仅仅局限于日本国内和少数地区使用，其影响范围不够广泛。无人机这一“神秘”的高科技产品要真正开始“亲民”的征程，还必须耐心地等待机会。

图1-5 雅马哈植保无人机

2006年，一个26岁的年轻人拉了几个小伙伴，在深圳的一间民房内开始了无人机的研发，这就是DJI的雏形，这个年轻的创业者就是汪韬。在2013年初，大疆的“精灵”无人机（图1-6）在欧美市场获得了巨大成功。在汪韬和同事们历经多年的默默无闻、备尝艰辛的艰苦奋斗下，在各方人士的帮助下，大疆的航拍无人机终于取得了成功。“精灵”无人机开创性的多轴设计，操作简便，性能优异，价格实惠，从而得以迅速风靡全球，并占领了全世界同类产品70%左右的市场份额。从那时起，无人机这一看似神奇而先进的科技产品变得越来越平民化，得到媒体的曝光，频频出现在人们的日常生活中。

图1-6 DJI早期的“精灵”无人机

在DJI无人机成功案例的示范和催化作用下，近几年无人机在其他民用领域的应用也得以迅速发展。比如，电力巡检无人机（图1-7）、测绘无人机（图1-8）、农业植保无人机（图1-9）、快递无人机（图1-10）、自拍无人机（图1-11）和影视航拍无人机（图1-12）等。

图1-7 电力巡检无人机

图1-8 测绘无人机

图1-9 农业植保无人机

图1-10 快递无人机

图1-11 自拍无人机

图1-12 影视航拍无人机

成本降低和技术突破相得益彰，使得最近几年无人机在民用领域的各行各业取得了飞跃发展。从个人娱乐用途来说，无人机很有趣，是个好玩具。从行业应用的角度说，无人机代表的是一种先进的生产力，是不折不扣的机械化、自动化的工具。

人类进化靠的是什么？归根结底靠的是认知能力的不断提高，靠的是制造工具和使用工具以及对工具的不断革新换代。认知能力和生产工具的进步，推动着人类社会从采集狩猎时代，到农业时代、到工业时代、到信息时代和人工智能时代的进步和演化。未来，机械化、自动化、智能化以及人机协同，将协助人类的生产发展，民用无人机将会在各自的应用领域发挥得越来越好。

1.1.2 无人机的概念、分类和应用

无人机的全称是无人驾驶航空器（Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV），是指没有机载驾驶员操作的，有动力、带任务、可回收、能遥控操作和自主飞行的航空器，通常简称为无人机。其包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇和无人伞翼机等。广义讲也包括临近空间飞行器（20～100公里空域），比如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。

从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂的空中飞行任务和各种负载任务，可以被看作是“空中机器人”。无人机的飞行控制可以是利用无线电遥控飞行，或是用自备的程序自主飞行。

无人机与传统的有人驾驶飞机相比具备如下优势：

首先，操作方便、成本低、运用弹性大，没有驾驶人员伤亡的风险以及支援装备少等。

其次，个人娱乐用途和微型航拍用途等无人机，任务简单，系统构成也相对简单，主要为主机和遥控装置。行业应用的无人机，任务要求较高，环境较为复杂，通常在构成上需要有一整套较为复杂、严谨的构件系统，以确保完成既定的任务。这套较为复杂的系统被命名无人机系统，也称无人驾驶航空器系统（Unmanned Aircraft System，简称UAS），由航空器、遥控站（或遥控器）、指挥与控制链路以及其他相关部件构成。

需要说明一点，在某些场合，广义上的无人机泛指无人驾驶（自动驾驶）飞机、轮船和潜水器等无人驾驶的机械设备的统称。除特别说明外，本书提到的无人机指无人驾驶飞机。

总之，不同用途、不同使用场景下的无人机，往往有其鲜明的特点，具体在尺寸、构造、飞行原理、航程、航时、飞行高度、飞行速度和功能任务等方面都存在明显差异。

鉴于无人机的多样性，其分类方法如下所述：

1.按飞行平台构型分类

无人机可分为固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞艇等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，最大特点是飞行速度快；多旋翼（多轴）无人机是消费级和部分民用的首选平台，优势是结构简单、操作方便、垂直起降、成本较低。无人直升机是灵活性最强的无人机平台，无人机的平台构型不同，其飞行原理也有本质区别。

常见和常用的民用无人机平台构型主要有：固定翼、多旋翼（多轴）、直升机以及倾转旋翼无人机等类别。

2.按尺度分类

无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机以及大型无人机。

微型无人机是指空机质量小于等于7kg，轻型无人机质量大于7kg，但小于等于116kg的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于100km/h，升限小于3000m。小型无人机，是指空机质量小于等于5700kg的无人机，微型和轻型无人机除外。大型无人机，是指空机质量大于5700kg的无人机。

3.按活动半径分类

无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。

（1）超近程无人机活动半径在15km以内。

（2）近程无人机活动半径在15～50km之间。

（3）短程无人机活动半径在50～200km之间。

（4）中程无人机活动半径在200～800km之间。

（5）远程无人机活动半径大于800km。

4.按任务高度分类

无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。

（1）超低空无人机任务高度一般在0～100m之间。

（2）低空无人机任务高度一般在100～1000m之间。

（3）中空无人机任务高度一般在1000～7000m之间。

（4）高空无人机任务高度一般在7000～18000m之间。

（5）超高空无人机任务高度一般大于18000m。

5.按用途或应用领域分类

按用途可以将无人机分为军用无人机、民用专业级无人机（业内也称工业级或商业级无人机）和民用消费级无人机（如自拍无人机、娱乐无人机）等类别。

无人机的军事应用主要体现在侦查、演练靶机、骗敌诱饵、通信中继、无人战斗机、电子对抗无人机和校射引导机等方面。

民用无人机除娱乐表演和个人航拍用途之外，还广泛应用于各行各业，以提高工作效率，如表1-1所示。举例如下：

1.用无人机进行地理测绘和环境监测

主要是使用无人机对自然地理或地表人工设施的形状、大小、空间位置等信息进行采集、测量和绘图。在工程和地图等测绘方面，无人机已经是比较常用的工具。在这一领域使用的无人机类型主要是固定翼无人机。使用无人机进行国土资源调查与土地利用监测，能够及时地查勘各种国土资源的具体情况，增强资源开发、环境保护与灾害防治的预见性，为国土开发与整治，环境和灾害监测，水文地质、工程地质勘查，建设工程选址、选线及城市规划提供科学依据。

2.在农作物的监测、估产和植保等方面，无人机的使用已经有相当长的历史

比如前文提到的日本的雅马哈无人机，几十年来一直应用于日本稻田的病虫害防护，成效卓著。近些年，我国研制的植保机也得以迅速发展，在产品的性价比方面具备一定优势。我国部分地区已经把植保无人机列入农机补贴的范围，这将有助于推动农业生产的发展和无人机行业的发展。农业应用的无人机类型主要是无人直升机和多轴无人机。

3.在影视广告航拍方面，无人机的技术可以说日趋完美

DJI的“悟”Inspire系列、经纬M600等设备在飞行性能和摄影品质方面都达到了一定水准。同时，设备成本也能够为行业用户所接受，无论是广告、宣传片，还是影视航拍，无人机都获得了广泛应用、成绩斐然。

相比于传统方式下的乘坐直升机进行空中摄影，无人机航拍风险小、成本低、机动灵活；相比于铺设轨道、摇臂和架设高机位，无人机航拍效率高、用工少、成本低，还可以产生更多新的创意。

4.无人机用于电力巡检

巡线工人减少了攀爬铁塔的风险，省去了翻山越岭的时间和体力消耗，也大大提升了工作效率。

5.无人机在石油管道巡检、建筑桥梁巡检的应用

无人机在石油管道巡检、建筑桥梁巡检方面的应用，和电力巡检类似。

6.无人机进行搜索营救

比如“驴友”在山中迷路，大片的植被和陡峻曲折的山路，使搜救人员往往难以在短时间内找到被困人员或者提供急需物品，使用无人机则可以大大提升效率。

7.无人机在防灾减灾方面的应用

在一些滨海地区，台风及风暴潮、赤潮、绿潮等海洋灾害危及沿海地区的经济发展和人民的生命财产安全。使用无人机可以迅速查看灾情，并能形成目标区域的三维立体模型，实现精细分析，并能实现灾前仿真、灾后损失评估、变化趋势分析，为灾害预警、抢险指挥决策、人员疏散等提供准确可靠的信息支撑，并能迅速下达救援指令。

在一些山区，当地质灾害发生时，通过无人机也能第一时间掌握受灾地区的真实状况，为救援指挥提供科学依据。救援部门可以利用无人机深入人员、车辆难以到达的区域，以高分辨率低空遥感监测，第一时间获取一手信息，并根据现场情况及时调整救援抢险策略，大大提升救援效率、有效减少灾害带来的损失。

在森林防火方面，为行业用户提供了火源自动识别与定位、监测数据实时传输、灾害应急监控以及综合调度等服务，从而提升防灾和救灾效能。

8.在气象监测领域的应用

我国国土辽阔，气象监测管理具有一定控制面上的局限性，人工作业方式效率不高；在气象预报方面，某些地区的卫星图清晰度不高，无法获取有效的实时气象数据。使用无人机进行气象监测的优点主要有：低成本，高性价比，一架无人机的成本只需有人机的几十分之一，甚至几百分之一，而且使用和维护费用低；无人员伤亡的风险；高机动性，小型无人机机体小、重量轻、不要求有专门设备的机场起降。

9.互联网接入

当今世界仍有一些地方未能接通互联网。而太阳能无人机因为有能耗低、飞行时间较长、机动性较强等优势，可以为更大范围内的用户，或者某一区域内的特殊需要来提供互联网接入的服务。

需要说明一点，使用无人机与卫星、氦气球等类似，这些方式主要解决的是网络覆盖范围的问题，无人机在成本、机动性等方面更有优势；而常见的有线接入方式是在已有网络覆盖的地区提供更优质的服务。

10.无人机在物流行业的应用

作为本书的主要内容，将在后面章节详细介绍。

11.其他方面的应用尝试

比如用无人机协助放牧，用无人机增雨和消除雾霾等。

无人机在各行各业可以大显身手，在服务经济、造福社会和改善人们生活方面有着巨大的潜力。

表1-1 民用无人机行业应用分布表

不同类型的无人机按照其不同用途、场景而进行功能和性能等方面的设计，从而在外观结构、飞行原理和参数配置等方面存在很大差别。但是，作为一种生产工具，促进生产力的提高，是各类商用无人机的核心和本质。