一.前言

    上一篇中回顾了多旋翼无人机的发展史，对多旋翼无人机领域的现状以及未来发展趋势进行了浅析，本篇将对多旋翼无人机的技术发展进行回顾，剖析多旋翼无人机的技术组成。

二.多旋翼无人机技术发展历程及未来技术发展趋势浅析

    众所周知，多旋翼无人机因其机械结构简单，操作便利而深受广大航模爱好者喜爱。最初的多旋翼无人机由以下几部分组成（这里称为阶段一）：

1.    IMU（惯性测量单元），用于测量多旋翼飞行器的三轴加速度、角速度。

IMU

2.    气压计，用于测量多旋翼飞行器的海拔高度。

3.   遥控接收/发送模块，用于提供多旋翼飞行器的手动操作功能。

遥控器

4.    动力系统，包括电机、桨叶，用于提供飞行器升力及扭矩。

动力系统

5.    机身骨架，用于安装以上各模块。

机身骨架

    与传统的无人机相比而言，多旋翼无人机的组成可以说是相当的简单了，这也是其受众较广的原因之一。然而，也正因为如此，最初的多旋翼无人机只能实现较为简单的功能，如飞行器姿态稳定以及高度稳定等。同时，尽管其操作相比其他无人机简单许多，但对于毫无操作经验的一般用户而言，操作一台这样的多旋翼无人机依然存在较大难度。这也是多旋翼无人机行业发展缓慢的重要原因之一。在当时，航模爱好者们仅仅将其当作航模飞行器。

    工程师们不满足于当时的多旋翼飞行器，既然多旋翼飞行器存在这么多的优点，为何不好好挖掘一下它的潜力呢？终于，在工程师与技术爱好者们的努力下，多旋翼无人机开始往自主飞行的方向发展（这里称为阶段二）。工程师们在阶段一的基础上，对多旋翼无人机的组成进行了优化升级，添加了：

1.   GPS模块，用于测量飞行器的速度、位置等信息。

GPS模块

2.    磁力计模块，用于测量飞行器所处环境的磁场场强。

磁力计模块

3.    图像传输模块，用于传输实时图像数据。

    

图传模块

4.    相机及其他负载，用于拍摄照片以及视频等。

相机负载

    这一阶段的多旋翼飞行器已经能够较容易实现悬停飞行以及半自主飞行（基于人工设定航点任务的自动飞行功能），同时，能够搭载不同负载，实现原本大型航拍器才能实现的航拍以及测绘等任务。然而，仅仅具备基本的业务能力与飞行能力无法大批量推向市场。

    于是，工程师们继续在多旋翼无人机的稳定性上投入大量精力（这里称为阶段三）。这一阶段的多旋翼飞行器加入了以下传感器/功能：

1.    超声波/TOF测距仪

超声波模块

TOF测距模块

2.    光流传感器

3.    双目相机

双目相机

4.    毫米波雷达/激光雷达

毫米波雷达

激光雷达

5.    多传感器冗余/系统级冗余

    同时，考虑到飞控主控芯片运算能力有限，采用运算性能更强、外设资源更丰富的机载计算机执行独立的视觉算法以及智能算法。在这些传感器的辅助下，多旋翼飞行器能够实现：

1.     低空高精度悬停

2.     自主避障

3.     半自主路径规划

4.    传感器故障情况下的容错

    这些功能大幅提升了飞行器的飞行稳定性，降低了多旋翼无人机的操作难度，使得毫无飞行经验的用户也能够做到上手即飞。消费级多旋翼无人机市场在这一阶段进入高速发展时期。于此同时，下游的供应商也随着消费级多旋翼无人机市场的发展而日趋成熟。消费级多旋翼无人机的配套传感器成本迅速下降，这也为多旋翼无人机的小型化与降本提供了巨大的帮助。

    随着传感器与芯片的成本下降，消费级无人机开始进入小型化与降本的阶段。大量微型多旋翼无人机应运而生，这些微型无人机介于小型航拍无人机与玩具级无人机之间，具备完整的多旋翼航拍无人机功能，价格更为亲民。

    相比而言，行业级多旋翼无人机却显得发展缓慢，我认为，主要原因有以下几点：

1.     行业级多旋翼无人机需求量相对较小，然而由于机身多采用碳纤结合机加工件组合的形式，导致其生产周期长，公差较消费级多旋翼无人机的塑料开模机身更大，质量把控难度更高。

2.     行业级多旋翼无人机出货量较小，供应商体系不成熟，导致整机成本相比消费级多旋翼无人机高出许多。

3.     行业级多旋翼无人机多以项目采购为主要销售途径，不如消费级多旋翼无人机市场透明。

4.     行业级用户对于多旋翼无人机认知尚浅，期望远大于当前实际水平。

5.     行业级用户对于飞行器安全性的需求远大于消费级用户，当前的多旋翼无人机产品无法达到预期。

6.    行业级用户需求繁多，在目前没有成熟的行业规范支持下，行业级多旋翼无人机项目多以零散的定制项目为主，工作量大，需求量小。

三.    多旋翼无人机主流技术浅析

从技术层面看，当前的多旋翼无人机几大主流技术分别为：

1.     数字信号处理算法

2.     传感器数据融合及组合导航算法

3.     姿态与速度控制算法

4.     故障诊断技术

5.     路径规划技术

6.     容错控制技术

前三项技术支撑了多旋翼无人机的稳定飞行，后三项技术提高了无人机的容错能力以及智能化程度。目前多旋翼无人机的几大痛点：

1.     使用环境复杂，使用者操作水平层次不齐导致的坠机率居高不下问题。

2.     飞行时间较短，载重与续航时间存在不可调和的矛盾。

3.    携带便利性较差，使用频率大幅度降低。

4.     智能化程度较低，无法在复杂环境脱离人工操作，独立执行任务。

5.     成本居高不下。

    由于以上几大痛点的存在，行业级无人机发展缓慢。行业级用户多为政府机关单位，使用者缺乏操作经验，然而其对于飞行器自身的稳定性要求非常高，但由于飞行环境的不确定性，当前的多旋翼飞行器往往在执行任务的过程中存在较高的坠机率，这也使得行业用户对于多旋翼无人机的使用存在一定的畏惧心理。此外，行业级多旋翼无人机市场需求的挖掘还不够充分，无法使用统一的飞行平台去满足不同行业用户的需求，这也就间接导致了行业级用户对于多旋翼无人机的使用欲望并没有那么强烈。

    针对这一现状，行业级无人机的未来必然会在安全性、操纵性、容错性以及智能化等特性上进行大幅度的提升。通过组合多种传感器的方式提升组合导航系统的可靠性，增加多旋翼无人机在复杂使用环境时的鲁棒性，降低坠机概率，同时，优化用户操作逻辑，降低多旋翼无人机对于操作者的操作要求，提升用户体验，降低因操作导致的坠机概率。此外，对于飞行器自身的子模块添加故障诊断系统，在子系统故障时，及时切换算法策略，优先保障飞行安全。最后，通过增加视觉、激光雷达/毫米波雷达等传感器，提升多旋翼无人机的感知水平，使其具备全自主飞行的能力，满足更普遍的行业用户需求。如此这般，行业级多旋翼无人机市场才有可能进入快速发展期！