无人机的起源

无人机最早是在20世纪20年代出现的，1914年第一次世界大战中有人研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机。现代战争是推动无人机发展的基本动力。世界第一架无人机诞生于1917年，而无人机真正投入作战始于越南战争，主要用于战场侦察。

1982年以色列与叙利亚在贝卡谷战争中，以色列使用无人机进行侦察、干扰、诱敌，无人机的作用再次被重视和开发。

1991年初的海湾战争中无人机已成为 “必须有”的战场能力，六套先锋无人机系统参战。提供了高品质、近实时、全天时的侦察、监视、目标捕获、拦截和战损评估。

无人机的种类

按功能无人机可以分为军用无人机和民用无人机两大类。

军用无人机又分为信息支援、信息对抗、火力打击三大类；而民用无人机包括检测巡视类无人机、通信中继类无人机、遥感绘制类无人机和时敏目标打击类无人机。本文重点讨论民用无人机系统。

从技术角度，民用无人机一般可以分为：无人固定翼机）、无人直升机、无人多旋翼飞行器等。

无人机主要硬件结构

1、芯片

一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能，以满足导航传感器的信息融合，实现无人飞行器的最优控制。

2、惯性传感器

伴随着应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等设备广泛应用，MEMS惯性传感器开始大规模兴起，6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器，成本和功耗也进一步降低。

3、WIFI等无线通信

wifi等通信芯片用于控制和传输图像信息，通信传输速度和质量已经可以充分满足几百米的传输需求。

4、电池

电池能量密度不断增加，使得无人机在保持较轻的重量下，续航时间能有25-30分钟，达到可以满足一些基本应用的程度，此外，太阳能电池技术使得高海拔无人机可持续飞行一周甚至更长时间。

5、云台

安装、固定摄像机的支撑设备，它要保证无人机在各种环境下做到稳定拍摄。

6、飞机机体

包含螺旋桨、电机马达、机体外壳等

7、相机等

包括4K、3D、高像素摄像头等。

无人机系统主要由三部分组成，分别为飞行器平台、控制站与通讯链路。

飞行器平台：包括飞行机体结构、动力系统、飞控系统、导航系统、电气系统、通信系统；

控制站：包括显示系统、操纵系统；

通讯链路：包括机载通讯与地面通讯。

目前无人机领域主流的机器视觉硬件技术有：双目机器视觉、红外激光视觉、超声波辅助探测等方式。

1、双目机器视觉

双目机器视觉基于三角定位原理，与人眼对三维世界的还原原理类似，通过比较两个同向摄像头拍摄的画面中同一物体的视角差来确定距离，从而从二维图像中还原出三维世界的立体模型。

2、红外激光视觉

为了规避计算机视觉中识别物体的大量计算以及提高精度，以Intel为代表的一批厂商使用了红外激光视觉技术，如Intel RealSense机器视觉模组。其基本原理见下图，其测距原理与双目视觉类似，但识别对象从物体替换成了打在物体表面的红外激光点。这样就从根本上消除了物体识别的计算需求。

3、超声波探测

超声波测障是一种较为成熟的技术，已广泛使用在军/民用多种应用场合之中。

超声波的优势在于能够有效识别玻璃，电线等双目视觉/红外激光视觉无法准备测距的物体。

缺点在于精度较差，只能用于探测障碍是否存在，无法提取精确空间信息用作路径规划。

无人机航拍技术

无人机航拍技术其实可以简单地按照字面的“无人机”+“航拍”拆分为2点：

1、影像拍摄技术，也即成像以及图像处理技术；比如像素数、光圈大小等，但是摄像头模组上影响成像质量的参数还有许多：单个像素尺寸、传感器技术、镜片组技术、ISP技术等。

2、无人机平台技术，主要指为航拍提供稳定的航拍环境的机身控制技术。

影像拍摄技术：目前市场上的影像拍摄方案，都是对几个大品牌主流的摄像头模组的集成应用，无人机生产厂商在这一方面没有太多的技术空间，而且因为技术发展已经比较成熟，不同产品方案之间差距并不大。

无人机机载平台稳定技术：是指除了飞行导航、控制等无人机自身飞行技术以外，为无人机实现稳定航拍平台保障的相关技术。这种技术是影响到成像质量最关键的因素。

稳定的拍摄平台的意义：

在拍摄视频时，画面的抖动、倾斜都会严重影响画面的流畅度和美观度；

在拍摄照片时，尤其是弱光情况下，如果曝光时间较长，机身的抖动会引起画面的模糊；若减少曝光时间，则需要提高感光度，噪点增多，影响画质。因此，机身的稳定对于拍摄来说至关重要。

影响机身稳定的主要因素：

按照当前四旋翼无人机的典型情况，可以将对于机身位置、姿态造成扰动的几个因素归结如下：

1、悬停定位不精确造成的水平位置以及高度的飘逸；

2、机体作动时的机身倾斜与抖动；

3、电机震动、突风等带来的干扰。对于不同类型的扰动，无人机系统上采取了不同的策略进行应对。

对于水平以及高度的飘移，在室外，也即GPS信号良好的情况下，无人机会主要根据GPS信号进行定位。但是限于民用GPS系统自身的精度有限且更新频率较低，单纯依靠GPS系统进行定位较为困难，通常无人机还会引入惯性模组进行组合定位。

当处于室内或者GPS信号接收受限的情况下，无人机系统还采用对地摄像头进行光流定位。光流定位是一项近年来兴起的基于图像的定位方式，在距离地面较近时，使用效果良好。

如果说位置的飘移属于慢动态的扰动，那么无人机机动时所引起的机体倾斜、抖动则是高频扰动因素，对于画面的影响十分显著。

当无人机需要进行位置移动时，四旋翼机身姿态必须做出较大调整，尤其是在机动刚发生时，机身姿态出现了40度的调整。

对于机身在水平方向移动时所带来的机体倾斜，以及机体作动时的抖动等干扰因素，对图像拍摄效果影响较大，必须通过挂载稳定云台抵消影响。

对于电机震动、突风扰动等因素，考虑到其属于较高频扰动，可采用空心橡胶球弹簧进行高频震动滤除，即可取得较好的效果。对于突风等干扰，由于其形式、大小均存在较大的随机性，很难保证完全消除影响，只能考虑结合云台、光流等多种形式对其影响进行抑制。

最后，不能忽略的一个技术是电子稳像技术。电子稳像技术是在不借助机械设备的前提下，通过传感器，感受机体运动，从而在显示画面上对图像进行剪裁、拼接的修正，从软件的角度，一定程度上实现了图像稳定的意图。