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无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）是不载人飞行器的统称，包括遥控驾驶航空器、自主航空器等类型。无人机通常由无线电遥控或预先设定的自主飞行计划来进行控制，用于执行如航拍、农业、货运、救援等多种飞行任务。由于无人机的应用场景多样复杂，因此设计无人机时需要突出其安全性、智能性和实时性。无人机产品研发集结了飞行器设计、自动化、信号处理、信息安全等众多领域的核心技术，也是机器人、人工智能、物联网等新兴科技的竞技场。相对于运行在地面的无人车、机器人而言，无人机能够穿梭在三维空间，深入狭小复杂的地理环境执行任务；相对于需要飞行员参与的载人飞机而言，无人机则具有更强的机动性能，成本低、安全性高，更加适合实施急难险重的特殊任务。
了解无人机技术的起源、发展和演变，理解不同类型无人机的特点、优缺点和适用场景，可以帮助我们更好地应用无人机技术，应对各类无人机应用场景下的挑战和机遇。
1.无人机的历史
在公元1世纪以前，中国就已经开始将风筝和孔明灯应用到通信、宣传和军事之中，可以理解为“古代中国的无人机”。早在春秋时期，宋国的墨翟发明了可以飞向天空的木鸢。虽然木鸢采用木材制作，重量较重，但已经形成了风筝的雏形。南北朝时期的梁武帝在被侯景围困的时候，就曾放风筝向外求援。明朝的军队则在风筝上安装了负载：将火药捆绑到风筝上，通过引爆装置攻击敌方的营地。到了三国时期，诸葛亮发明了世界上第一个热动力飞行器——孔明灯（纸灯笼），用于发送求救信息。
现代无人机的发展和整个飞机的发展历史几乎是同步的。在1903年莱特兄弟发明了第一架飞机之后，1907年美国工程师斯佩里就发明了世界上第一台自动陀螺稳定器；而电子陀螺仪是无人机飞行控制的必要基础。十年之后的1917年，美国通用公司发明了世界上第一架无人航空器——凯特灵空中鱼雷机，这是一种没有设计降落功能的自杀式攻击机。1918年，柯蒂斯公司改装了N-9型双翼水上教练机，第一次实现了无线电遥控飞行。这一时期的无人机主要由木头、铝制和帆布制成，搭载简单的电子设备和摄像机，可以通过无线电遥控进行操作。
在接下来的几十年中，无人机得到了不断的发展和完善。“二战”期间，德国和日本也开始使用无人机进行侦察和攻击任务。20世纪50—60年代，美军使用无人机进行高空侦察和情报收集任务，并在越南战争中广泛使用。20世纪80年代，美国开始使用无人机进行反恐行动，并在20世纪90年代初期开始研究应用武装无人机。这一时期的无人机主要用于军事用途。
最近十年，民用无人机出现高速发展的局面，大疆无人机则是其中非常典型的代表，不仅走入了百姓家中，也走向了各行各业。随着技术的不断进步，现代无人机已经具备了高精度导航、自主飞行、高清摄像等功能，成为了现代军事和商业领域中不可或缺的重要工具。可以发现，无人机的发展路线和风筝的发展路线非常类似，都出现了从军用到民用的发展阶段：从春秋战国开始，风筝早期主要是军用，而在隋朝时期开始逐渐成为了大众的娱乐工具；无人机也是一样，纵观无人机的发展历史，实际上是军用无人机的发展历史，而民用无人机的故事才刚刚开始。
根据商业无人机市场调研机构Drone Industry Insights的分析，预计全球无人机市场规模将从2020年的226亿元发展到2025年的428亿元，复合年均增长率（CAGR）约为13.8%；并且亚洲已经成为世界上最大的无人机市场。同时，无人机的行业应用也在不断扩展，跨越农业、测绘、安全监控、科学研究等领域；不仅提高了工作效率，同时也降低了人员的风险和成本。依据Frost & Sullivan的预测，工业级无人机在民用无人机的占比将从2020年的45.6%发展到2024年的72.7%。此外，随着技术的不断进步，无人机的性能也在不断提升，飞行时间、载重能力、传感器精度等都有明显的提高。种种迹象表明，未来无人机市场将继续保持快速增长。
2.无人机类型
无人机的应用场景众多，无人机的设计也多种多样。不同形态、不同大小、不同功能的无人机可以应对不同的使用环境，因此在实际应用中需要依据不同的应用场景选择不同类型的无人机。下面通过飞行平台、使用用途和运行风险大小等方式介绍无人机的各种类型。
1）按照飞行平台分类
按照飞行平台的构型，无人机可分为多旋翼无人机、固定翼无人机、垂直起降无人机、无人直升机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。这种分类方式是最直观的，直接表现在无人机的形态不同，因此通过无人机的外观能够很轻易地区分无人机的飞行平台。下文重点介绍多旋翼无人机、固定翼无人机、垂直起降无人机、无人直升机等常用飞行平台的无人机类型及其优缺点，如图1-1所示。
图1-1 常见的无人机飞行平台构型
（1）多旋翼无人机（Multirotor）通过至少3个水平排布的旋翼在垂直方向上直接提供升力，并通过分别调整各个旋翼的转速保持或改变姿态；优势是可以随时保持固定悬停，不仅方便于固定机位拍照和录像，而且操作起来非常简单也很直观，对飞手的飞行能力要求很低，因此多旋翼无人机具有很强的可靠性和安全性。大疆无人机基本均属于多旋翼无人机。
注意： 无人机飞行的时候会发出低频振动的嗡嗡声，而且民用无人机又以多旋翼无人机为主，因此英文Drone常用于指代多旋翼无人机。
（2）固定翼无人机（Fixed-Wing Plane）通过旋翼向飞机的前进方向提供动力，保持一定的飞行速度后，通过气流和固定翼之间的相互作用提供升力。固定翼无人机充分利用了伯努利效应、康达效应等空气动力学原理，因而相对于其他类型的无人机具有更好的气动性能。固定翼无人机操控起来较为复杂，尤其是起飞和降落较为困难，但同时也带来较强的娱乐性。
（3）垂直起降无人机（Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle, VTOL UAV）同时具有固定翼和多个旋翼。起飞时，垂直起降无人机可以旋翼无人机的方式起飞，但在飞行过程中可以通过改变角度的方式使得气流作用在固定翼上，从而以固定翼无人机的方式飞行。垂直起降无人机结合了以上2种构型的优势，不仅能够提供优秀的机动性能，也可以提供较长的滞空时间。
注意： 以上垂直起降无人机的定义是狭义的。广义上看，多旋翼无人机和无人直升机都属于垂直起降无人机。
（4）无人直升机（Unmanned Helicopter）具有和直升机相同的构型，一般具有1～2个旋翼提供升力，可以细分为单旋翼带尾桨、共轴双旋翼、纵列式双旋翼和交叉双旋翼等构型。无人直升机虽然可以有相对较强的续航能力和负载能力，但是因其对飞控和飞手的要求较高，所以逐渐淡出民用轻型无人机的舞台。
几种常用不同飞行平台构型的无人机的比较如表1-1所示，仅作为参考。无人机在设计时可以针对某个性能做出独特优化，从而为用户提供越级体验，因此讨论无人机的各项指标时还是要看具体的型号和产品。例如，多旋翼无人机一般具有较慢的飞行速度，但DJI FPV和DJI Avata等则针对穿越机需求，可以达到14m/s甚至更快的飞行速度。
表1-1 不同飞行平台的无人机对比
续表
无人机的飞行平台还在不断发展，近年来还出现了双旋翼无人机（V-Coptr Falcon）、三共轴六旋翼无人机（Y-3）等特殊构型。
2）按照使用用途分类
按照不同的应用方向，无人机可以大致分为军用无人机和民用无人机。在军事上，可以充分利用无人机成本低、重量轻、机动性强等特点，执行诸如侦察、定位、投掷、干扰等任务，在战场上避免不必要的人员伤亡。大型军用无人机通常具有高速、强负载、强续航的特点，多采用固定翼构型，例如我国的无侦10、攻击11等无人机。普通士兵还可以随身携带单兵无人机，多采用旋翼无人机构型，更加小巧且不易暴露目标。
民用无人机是本书讨论的重点。按照不同的使用用途，民用无人机还可以细分为航拍无人机、行业无人机、农用无人机、竞技无人机等类型。大疆无人机是民用无人机的典型代表，随着其技术革新，旗下的多旋翼无人机的负载能力和续航能力较先前都有显著提升。非必要的情况下，多旋翼无人机仍然属于民用领域的最佳选择。
注意： 航模（航空模型）与无人机通常具有同样的构型和原理，并且许多设计理念和设备是可以通用的。但是航模更加突出娱乐性，无人机则更加突出应用能力。
3）按照运行风险大小分类
在我国，民用无人机按照运行风险大小分为微型、轻型、小型、中型和大型无人机，如表1-2所示。
表1-2 民用无人机按照运行风险大小分类
不同运行风险的无人机在实名注册登记、国籍登记、公安机关备案、责任保险等方面具有不同的管理要求，可参见1.2.3节的相关内容。中型和大型无人机的飞行需要适航管理有关规定。
无人机和载人飞机的飞行原理是一致的，都需要机翼（或螺旋桨）提供升力。本小节将首先介绍无人机升力的来源，然后介绍四旋翼无人机的飞行控制原理。理解无人机的飞行原理，有助于飞行安全和无人机的正确保养。
1.升力的来源
关于升力的来源，学术界有不同的理解和解释，下文介绍一种比较通用的解释。以固定翼无人机为例，无人机的机翼都会设计为薄厚不均的翼型，从而引导流体的运动，如图1-2所示。气流通过机翼时，被分为上下两部分气流。依据伯努利原理，机翼上方气流的通过路径长，速度较快，压强小；机翼下方气流的速度较慢，压强大。上下的压强差异为机翼提供了一个竖直向上的力，即升力。
图1-2 伯努利原理
伯努利原理能够部分解释升力的来源，但是并不能解释为什么有些飞机能倒着飞。实际情况更加复杂，飞机在飞行过程中需要保持一定的迎角（也称为攻角），通过气流冲击效应使得机翼获得向上的分力。另外，气流冲击效应使得机翼下表面的压强增加；康达效应（Coanda Effect）诱导气流附着到机翼的上表面，使得机翼上表面压强减少；在机翼上方形成低压区，在机翼下方形成高压区，使得机翼伯努利效应进一步增强，如图1-3所示。
图1-3 飞机升力的来源
注意： 康达效应也称为附壁原理，是指流体具有一定的黏性，具有沿着物体表面附着流动的倾向。
升力产生的过程是相对复杂的，可以理解为气流冲击、康达效应和伯努利效应的共同作用，形成斜向上的力。这个力可以分解为竖直向上的升力和水平向后的阻力。控制好升力和阻力的大小至关重要，因此机翼的迎角需要保持在一定的范围内，迎角不能太大，速度也不能太低。当气流无法吸附机翼在上表面时，升力会迅速下降，伯努利效应瞬间削弱，导致飞机“失速”。
四旋翼无人机没有固定的机翼，但是可以将螺旋桨理解为不断旋转的机翼，产生升力的基本原理是类似的。
2.旋翼无人机的飞行原理
旋翼无人机通过多个均匀分布在机身的四周的旋翼提供升力。多个旋翼将无人机的升力分散开来，有利于飞行控制。实际上，旋翼无人机的飞行控制就是通过改变各个旋翼的升力大小来实现的。旋翼的数量通常为偶数个（4轴、6轴、8轴等），如图1-4所示。一般来说，多旋翼无人机的旋翼数量越多，稳定性越强。这也是多旋翼无人机比无人直升机更加容易操控的原因。
图1-4 旋翼无人机
为了方便描述，本小节将通过最为常见的4轴旋翼无人机（后文简称4轴无人机）介绍旋翼无人机的飞行原理。
1）理想状态下的悬停
4轴无人机的4个旋翼均匀分布在机身周围，和机身组成了1个十字交叉结构。为了更好地描述无人机的运动，需要定义无人机的正方向（前向）。前向可以定义在两个电机中间，也可以定义在某个电机的方向上，即机身的交叉模式和十字模式，如图1-5所示。一般来说，交叉模式下实现的飞行控制更加灵活，而十字模式下的飞行控制更加容易实现。
图1-5 交叉模式和十字模式
可以发现，无论是交叉模式还是十字模式，相邻的两个螺旋桨（电机）的旋转方向是相反的，这是为了抵御螺旋桨的反扭问题。依据牛顿的第三定律，当螺旋桨按照某个方向高速转动时，会带动机身向相反的方向转动。如果4个螺旋桨的转动方向相同，那么会使得机身产生自旋。当相邻的2个螺旋桨的旋转方向相反时，反扭效应相互抵消，从而提高无人机的稳定性。
注意： 包括无人直升机和固定翼无人机，螺旋桨的反扭现象是普遍存在的。
下文中将统一使用交叉模式介绍飞行原理，这也是大疆等绝大多数无人机的机身模式。
按逆时针方向，4轴无人机的电机分别命名为M1～M4。其中，M1和M3逆时针（CCW）旋转，为正桨；M2和M4顺时针（CW）旋转，为反桨。以上机身模式和电机名称的定义是为了更好地描述飞行控制原理而约定俗成的。
解决了反扭和自旋问题后，那么在理想状态下，大气环境极其稳定，没有任何气流的影响，只要4个旋翼共同保持相同稳定的转速，使升力和重力平衡，就可以使无人机悬停在大气之中。不过，这个模型是一个不稳定的系统。稍微有一点点不稳定的气流就会使飞机倾斜；并且无人机一旦倾斜，倾斜本身会使升力偏向，从而使无人机的倾斜更加剧烈，坠落不可避免。事实上，即使大气是稳定的，4个旋翼造成的气流扰动也会使周围的流体环境变得非常复杂。实验表明，当旋翼无人机在近地面（起飞或降落）时会造成更大的扰流，此时飞行稳定就更加难以保证。
2）保持悬停稳定
当无人机发生倾斜时，需要及时准确地改变4个旋翼的转速，使无人机回到平衡状态。例如，当无人机向A方向倾斜时，那么就要加快A方向电机的转速，提高A方向的升力；使无人机回正。这个调整过程需要及时且准确，可以借助飞行控制器编程实现，也是飞行控制器需要完成的主要工作之一。事实上，无飞行控制器的旋翼无人机几乎无法被操控。
无人机的悬停稳定主要可以分解为2项基本任务：姿态解算和PID控制。
（1）姿态解算用于判断无人机目前的姿态，是指通过惯性测量单元（加速度计、陀螺仪等）测量的数据，计算出无人机在3个轴向上的姿态。姿态解算的实现非常复杂，这里略去不表。关于惯性测量单元，具体可参见1.2.2节的相关内容。
无人机的姿态可通过姿态角（欧拉角）、四元数和方向余弦矩阵等方式描述。其中，姿态角是最简单也是最直观的描述方法，包括俯仰角、横滚角和偏航角。
❑ 俯仰角 θ （Pitch）：无人机前向方向和地平面（水平面）之间的夹角，值域为[-π/2，π/2]。无人机抬头为正，俯仰角为π/2时，无人机竖直向上；俯仰角为-π/2时，无人机竖直向下。
❑ 横滚角 ϕ （Roll）：无人机对称平面与通过机体纵轴的铅垂平面间的夹角，值域为[-π，π]。无人机右滚为正，四旋翼无人机的横滚角一般不超出[-π/4，π/4]范围。
❑ 偏航角 ψ （Yaw）：无人机在地平面（水平面）上的角度，以正北方向为0，顺时针旋转为正，值域为[-π，π]。
（2）PID控制用于控制各个旋翼的转速，使无人机回正。PID算法是比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Differential）三个单词的缩写，即通过这3个参数对螺旋桨的转速进行连续控制，在无人机被干扰后保持平衡（或者改变运动状态）。需要注意的是，PID参数与无人机惯性密切相关，对飞机的惯性和负载非常敏感，需要根据具体的无人机型号和应用场景进行调整与优化，以达到更好的飞行性能。当无人机的负载重量大或者偏离安装位置较大时需要及时调整PID参数。对于大疆行业无人机，可以在Polit 2软件中调校重心参数。
3）飞行控制
通过调整不同旋翼的速度可以实现无人机的空间运动。例如，当无人机需要向上飞行时，可以同时提高M1～M4电机的旋转速度，从而提高升力，使飞机上升；反之，可以用于控制无人机下降。无人机的水平移动可以通过加快相反方向的2个电机转速实现。当无人机需向前飞行时，加速M3和M4电机的速度，降低M1和M2电机速度，飞机即向前倾斜，飞机向前飞行，如图1-6所示。
图1-6 四旋翼无人机飞行控制
旋翼无人机的偏航主要通过螺旋桨的反扭实现。例如，加快反桨（M2和M4）的旋转速度，降低正桨（M1和M3）的旋转速度，从而使无人机获得逆时针的旋转力矩，使无人机向左转向。
无人机的飞行控制，并不需要飞手手动调整这些电机的转速，而是当飞手需要执行某项任务时，由飞行控制器转换并解算飞行指令，自动调整各个电机的转速。
无人机不仅可以执行危险、复杂的飞行任务，也可以执行枯燥、重复性的飞行任务，从而降低人员危险，解放双手。在许多领域中，无人机已经得到了广泛应用，包括但不限于航拍、农业、测绘、环境监测、物流配送、救援等。本小节将介绍无人机的常见应用方向。
1.航空测绘
航空测绘（航测）是无人机的传统应用之一，如地形测量、土地利用监测、建筑物测量、建筑工程勘察等。航空测绘无人机包括以下2种数据采集方式。
（1）光学遥感：通过高精度、无畸变的光学相机，配合GPS等传感器，对目标区域采集不同位置、不同角度的航空相片。随后，利用以查找同名点、前方交会等摄影测量技术，得到地形高程、坡度、坡向等信息，形成数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）、数值正射影像（Digital Orthophoto Map, DOM）等高精度的三维建模和数字化成果。这种航测方案的成本很低，也很容易实现，缺点是后期处理成本高，一般需要较长的数据处理时间。另外，使用具有RTK模块的无人机可以在不采集像控点的情况下获得更加准确的地理位置信息。例如，大疆禅思P1就是专门为光学遥感测绘设计的负载。
（2）激光雷达：通过机载激光雷达（Light Detection And Ranging, LiDAR）发射激光束探测目标区域的地形信息，实时生成点云、DEM等产品，具有速度快、精度高等特点，但缺点是LiDAR设备较重，需要较大的飞行平台，成本较高。例如，大疆禅思L2和禅思L1综合了激光雷达和可见光遥感两种数据采集方式，形成融合测绘方案。
除以上航测方式以外，近年来还有使用光学相控阵雷达、有源相控阵雷达等测量设备开展航测的应用。例如，大疆T50农业无人机可以通过有源相控阵雷达实时测量周围地形，实现全向避障和仿地飞行。
在航测过程中，为了能够完整地覆盖目标区域，无人机通常使用固定蛇形航线采集数据。结合地理信息系统（GIS）等技术，飞行航线可以自动生成，飞行任务可以自动执行，大大解放双手。相对于卫星遥感和载人航空遥感，无人机的航测任务可以在超低空运行，受天气影响小，能够随时采集高质量高精度的航测数据，产出高时效数据成果。在应用方面，通过航测技术可以对农田、森林、城市等地区进行高分辨率的图像获取和分析，得到土地利用变化情况，如土地利用类型、植被覆盖率等信息，为土地资源管理、环境保护等工作提供数据基础。
近年来，航测技术正在从野外地形测量到城市建筑测量的转变。随着我国实景三维中国建设的实施落地，为无人机的航测应用提供了更大的平台。通过无人机对建筑物进行高精度的三维建模和数字化，得到建筑物的高度、体积、面积等信息，形成城市级、部件级实景三维数据，对城市规划、建筑设计等领域具有重要的帮助。另外，无人机可以对建筑工程进行全方位的勘察，获取建筑物的外观结构和内部设备信息，如墙体裂缝、屋顶漏水、管道渗漏等，从而帮助建筑公司制定修缮方案和提高建筑质量。
2.电力巡检
传统的电力巡检需要人工高空操作，需要付出极高的人力成本和安全成本，并且效率较低。通过无人机开展电力巡检，可以代替人工判断故障、清障工作，具有高效、安全、精准等优势。下面简单列举几种常见的电力巡检工作。
（1）输电线路巡检：无人机可以搭载高清相机、热成像相机等设备，对输电线路进行高空巡检，获取线路的外观状态和温度信息，发现线路的缺陷和故障，如松动、断裂、腐蚀等，从而及时进行维修和更换，保障电网的安全运行。
（2）变电站巡检：无人机可以对变电站进行全方位的巡检，获取变电站内部设备的外观状态和温度信息，发现设备的故障和缺陷，如接触不良、渗漏等，从而及时进行维修和更换，保障电网的安全运行。
（3）风电场巡检：无人机可以对风电场的叶片、塔筒、机舱等部位进行高空巡检，获取设备的外观状态和温度信息，发现设备的故障和缺陷，如叶片损伤、塔筒腐蚀等，从而及时进行维修和更换，保障风电场的安全运行。
（4）光伏电站巡检：无人机可以对光伏电站的光伏板、支架、逆变器等部位进行高空巡检，获取设备的外观状态和温度信息，发现设备的故障和缺陷，如光伏板破损、支架变形等，从而及时进行维修和更换，保障光伏电站的安全运行。
3.应急管理
在公共安全和应急方面，无人机可以快速响应，执行灾情监测、物资运输、通信联络等任务，提高救援效率、保障受灾群众的基本生活需求。
（1）灾情监测：在灾害发生后，无人机可以通过航测方式对受灾地区进行高分辨率的图像获取和分析，获取灾情的范围、程度和影响等信息，从而帮助救援部门制定救援方案和应急措施。无人机可以对灾后环境进行监测，如空气质量、水质情况等，从而及时发现环境问题并采取应对措施。
（2）物资运输：大型无人机可以在交通中断或者无法到达的地区，通过搭载货舱，运输救援物资、医疗用品等必要物资，从而保障受灾群众的基本生活需求。
（3）通信支援：无人机可以通过搭载通信设备，提供通信支援，建立临时通信网络，帮助救援人员之间进行通信和指挥。
此类应用通常需要无人机具备防水、防火等功能，满足如IP55、IP45等防护等级国家标准，并且需要无人机能够实现快速组装、快速充电的功能，以便于及时响应各类灾情。
4.农业应用
农业应用是目前无人机领域最大也是最成熟的市场，主要包括农业植被监测和植保作业两个方面的应用。
（1）农业植被监测：无人机可以通过搭载多光谱相机、红外相机等设备，通过航测技术对农田进行高分辨率的图像获取和分析，得到作物的覆盖度、生长情况、病虫害情况、营养状况等信息，制订施肥、灌溉、除虫等农业生产计划和管理方案，以便于开展进一步的农业生产管理，实现精准施肥、除草、灌溉等工作，从而提高农业的生产效率和质量。
（2）植保作业：无人机通过搭载植保喷雾器等设备，将农药、化肥等药品充分雾化扩散，对无人机施肥施药，提高植保作业效率。雾化后的药品具有良好的穿透性，可以减少农药的使用量和污染。采用类似的方法，还可以通过播撒系统对水稻等作物进行播种，播种不仅快速、均匀，不受地形、地貌限制，而且也可以大大降低人工成本，解放生产力。
大疆创新专门为农业应用设计了植保无人机和大疆智慧农业平台，为粮食作物和经济作物分别设计了解决方案，针对不同的植被长势生成处方图，生成精准药物喷洒方案，实现农业地块的精细管理和全面把控。
5.资源勘察
无人机可以对石油、天然气等矿产资源进行勘查：一方面，无人机可以搭载高精度的磁力计、电磁仪、激光雷达等设备，对矿区进行高精度的地质勘查，获取地下矿体的位置、形态和性质等信息，从而辅助制定开采方案和提高矿产资源开采效率；另一方面，无人机可以通过搭载热成像相机、光学相机等设备，对矿区进行高分辨率的图像获取和分析，得到矿体形态和矿物分布情况等信息。
6.教育实验
无人机是非常有趣的教学实验平台，帮助学生学习编程、机械设计等知识，了解编程控制器、传感器、相机等各类设备的用法，培养学生的科学实验能力和创新思维。另外，无人机竞赛是一种新兴的教育体育活动：通过组织无人机飞行比赛、航拍比赛等活动，可以激发学生的创造力和竞争意识，提高学生的综合素质和技能。