当代无人机的架构、分类及应用

I. 引言

UNMANNED 无人机近年来受到越来越多的关注， 因为它们变得越来越容易获取且易于使用。飞控系统的当前进步使得用户无需任何先前的飞行经验即可操作娱乐用途无人机。因此，近年来娱乐用途无人机的数量大幅增长。美国联邦航空管理局（FAA）报告显示，截至2019年12月，已有99万台娱乐用途无人机注册，而2019年第四季度仅为137,701台。目前，无人机被广泛应用于各种任务中，从民用任务到军事侦察和打击任务均有涉及。

民用无人机可用于娱乐用途，也可用于商业应用，如航拍电影摄影、农业中喷洒杀虫剂和除草剂，以及物流。无人机还可用于更关键的应用，如搜索与救援任务，以及运送医疗物资。无人机自20世纪70年代初以来已被用于军事应用，其作用如今正以前所未有的速度增长。截至2018年，美国空军的远程驾驶飞机数量已从2013年的1,366架增加到 2,404[2]。

无人机长期以来一直是大量研究的课题，涵盖了各种无人机相关主题。沙卡特雷等人 [3] 深入研究了无人机的民用应用以及每种应用所面临的关键挑战和问题。作者根据通信平台对无人机进行了分类，分为低空平台（LAP）和高空平台（HAP）。但该研究未讨论无人机架构及其军事应用。金等人 [4] 对无人机在农业中的应用进行了全面研究。他们根据机体类型定义了基本的无人机架构，即固定翼或旋翼。作者探讨了农业无人机中使用的硬件、传感器和通信系统，并进一步讨论了无人机在农业应用中的局限性。古普特等人 [5] 对四旋翼无人机进行了综述，讨论了四旋翼无人机的飞行机制、控制系统以及部分传感器。作者还总结了无人机的不同视觉系统和导航技术。然而，该综述未涉及无人机的应用。

本文旨在简要介绍无人机系统架构、分类及应用，以帮助该领域的研究人员和从业者获得足够的信息来了解无人机技术的现状。本文首先探讨了无人机的机体结构形式和制造材料。接着，文章研究了操作和飞行无人机系统所必需的物理组件和传感器，以及其他可用于特定任务目的而安装的组件和传感器。文章还讨论了用于为无人机提供动力的不同推进方法，并探讨了可能附加到无人机上的各种有效载荷。本文提供了无人机的不同分类方式，例如基于美国国防部（DOD）类别分类以及其他分类方法。

本文的主要贡献如下：
- 讨论无人机架构和组件，包括无人机机身样式、传感器、飞控器、推进方法和有效载荷。提供了先进无人机若干组件的对比。
- 研究无人机的不同分类，例如基于国防部类别分类以及其他基于无人机重量、翼展和高度的分类。
- 详细阐述无人机在娱乐用途、商业用途和军事应用中的多种应用。
- 讨论无人机的未来形态及其应用，以及这些技术面临的挑战。

II. 无人机架构

大多数无人机由模块化组件构成，这些组件安装在无人机机身内外，并由能源供应提供动力。根据飞行样式和执行的任务不同，无人机可以具有多种不同的机身构型。本节讨论无人机机身样式、机身材料以及无人机的不同组件。

A. 无人机机身样式

无人机可以根据飞行方式以及预期用途或任务而具有多种不同的机身样式或成型。无人机机身样式主要分为以下类型：

固定翼 ：固定翼无人机（图1）仿照传统飞机设计，采用相同的飞行原理。固定翼无人机需要跑道，或通过手抛或弹射器发射才能起飞。此类无人机还需要跑道，或通过拦网捕获，或使用降落伞才能安全着陆。由于滑翔时所需功率消耗较低，固定翼无人机具有较大的有效载荷能力和更长的飞行时间。固定翼无人机的样式可能设计为普通飞机或推进式布局，其中螺旋桨安装在无人机后方。另一种样式是三角翼，这是最简单的构建配置。这种样式像推进式布局一样将螺旋桨置于后部，但没有方向舵，而是通过升降副翼控制俯仰和偏航。

多旋翼 ：多旋翼无人机（图1）可通过在机臂上安装多个电机进行配置。这种机体类型具有垂直起降和悬停在固定位置的优点。多旋翼无人机可朝任意方向飞行，并能突然改变速度、高度和方向，但这类无人机通常航程和飞行时长较短。多旋翼机体可设计为传统直升机形式，也可设计为三旋翼（具有三个机臂，每个机臂上一个电机）或四旋翼（具有四个机臂和四个电机）。多旋翼无人机还可根据需要配置不同数量的机臂和旋翼。

垂直起降 ：垂直起降（VTOL）机体类型（图1）具有很高的通用性，因为它可以是前述两种机身样式（即固定翼和多旋翼）的混合体。垂直起降无人机通常使用多旋翼进行起飞、降落和悬停，而在水平飞行时则转换为正常的固定翼飞行模式。垂直起降无人机可通过在固定翼平台上加装四旋翼旋翼来实现配置，例如德事隆系统公司的Aerosonde HQ。其他垂直起降机体构型包括倾转旋翼和倾转机翼。在倾转旋翼无人机中，机翼上的部分旋翼可在垂直和水平方向之间倾斜，如贝尔V‐247“警惕”[6]。倾转机翼无人机的机翼在飞行时通常保持水平，但在垂直起降时会向上旋转。

B. 无人机机体材料

无人机的机身可由多种材料制成[7]，例如泡沫、塑料、木材、碳纤维、铝和G‐10（一种高压玻璃纤维层压板）。泡沫、塑料和木材等材料轻质且易于成型，通常用于依靠电动机运行的小型轻质无人机。碳纤维和G‐10强度高且重量轻，但相比前述材料（即泡沫、塑料和木材）成本较高。铝主要用于配备发动机并携带较重有效载荷（如快递包裹、货物、导弹）的大型无人机。表I对比了一些无人机机体材料的密度、抗拉强度及其优缺点。

材料	密度 g/cm³	抗拉强度 (MPa)	Pros	Cons
Foam	0.05	46 – 60	Easy to 成型，柔韧	Weak
塑料	0.06 – 1.96	2 – 88	广泛轻质可用，可强化	强度变化大
Wood	0.17	7 – 64	广泛轻质可用，可强化	强度变化大
碳纤维	1.75	2000 – 5600 极高	轻质，坚固	昂贵
G-10	1.80	262 – 310	轻质，坚固	昂贵
铝	2.70	276 – 310	坚固	重

C. 无人机组件

无人机由安装在无人机机身内部或外部的模块化组件构成。其中一些组件对于无人机的运行和飞行至关重要，而另一些组件则是为特定任务目的而安装的。这些组件包括多种传感器、飞控系统、推进系统、有效载荷和通信子系统。图2展示了无人机的主要组件。本节将重点讨论无人机的主要组件，包括传感器、飞控系统、推进子系统、有效载荷以及通信子系统。

1. 传感器

无人机使用多种传感器，为飞控器提供遥测、姿态测量、地形和障碍物等数据。传感器也是无人机态势感知的重要组成部分。无人机上安装的传感器组合取决于无人机的复杂程度和技术水平。无人机最常见的传感器套件包括以下传感器。

惯性测量单元 ：惯性测量单元（IMU）是一种电子设备，可提供无人机的姿态、比力（即单位质量所受的非引力，也称为重力加速度）、角速度、姿态和位置信息。大多数IMU由以下传感器组合而成：
- 加速度计 ：测量机体x、y、z三个轴上的线性加速度ax、ay、az。
- 陀螺仪 ：测量机体x、y、z三轴上的角变化率p、q、r。
- 磁力计 ：通过测量地球磁场来确定无人机的航向。
- 气压计 ：通过测量地球大气压力来确定无人机的高度。

由于每个IMU组件都在3个轴上工作，通过结合三个组件（加速度计、陀螺仪、磁力计），飞控器可以沿9个轴测量无人机的速度、姿态和方向。目前，大多数专业版和军事用IMU倾向于采用冗余惯性测量单元传感器。这种冗余的优势在于能够从传感器获得最精确的数据。此外，在传感器发生故障时，冗余组件可提供一定程度的容错能力。

全球定位系统 ：全球定位系统（GPS）芯片用于从多颗卫星获取无人机的位置，这是无人机实现导航系统的方式。GPS芯片与惯性测量单元（IMU）共同构成无人机的导航系统，用于测量无人机的速度、定位和航向。GPS芯片可以是独立的接收芯片，也可以是飞控器的一部分。

视觉、超声波和红外传感器 ：无人机通常采用视觉、超声波和红外传感器来检测障碍物，并通过测量无人机路径上或周围物体的相对距离以避免碰撞[8]。

2. 飞控器

飞控器是无人机的大脑。飞控器包含硬件和固件，用于处理从惯性测量单元、全球定位系统及其他传感器收集的全部信息。飞控器还控制无人机上的有效载荷（如摄像头及其他传感器）。飞控器可以是完全自主的，也可以仅在自动驾驶模式下利用来自惯性测量单元及其他传感器的感知数据为无人机提供一定程度的导航辅助。一些飞控器能够被编程以设置返航点，使无人机可从此点自动起飞并自动返回着陆。飞控系统提供了操控无人机飞行的能力。

利用航路点的预加载飞行路径。航路点是一组预先定义的位置坐标，可在飞行前通过指定每个点的纬度、经度和高度来设定，从而形成一条航线，使无人机能够自主地从一个航路点飞往下一个航路点。飞控器还可以被编程，使无人机在特定位置盘旋。飞控器借助与其连接的传感器、油门、舵机和有效载荷来实现无人机飞行的自动化。自动驾驶能力取决于飞控器的固件。所有指令均在飞行前于计算机上进行编程，然后加载至飞控器。表II展示了三种最常见飞控系统——Pixhawk Cube Orange、洛克希德·马丁 Kestrel v3.1和CUAV V5 NANO的处理能力、内存、IMU组件及成本。

无人机组件	无人机组件	Pixhawk Cube Orange	洛克希德·马丁 Kestrel v3.1	CUAV V5 NANO
处理器	处理器	32位ARM‐M7 @ 400MHz	DSP @ 500MHz	32位Arm‐M7 @ 216MHz
内存	内存	1 MB RAM, 2 MB 闪存	32 MB内存, 32 MB闪存	512 KB内存, 2 MB闪存
IMU	加速度计	三个三轴加速度计 ICM‐20948 / ICM‐20649 / ICM‐ 20602	一个三轴加速度计	三个三轴加速度计 ICM‐20602 / ICM‐20689 / BMI055
IMU	陀螺仪	三个三轴陀螺仪 ICM‐20948 / ICM‐20649 / ICM‐ 20602	一个三轴陀螺仪	三个三轴陀螺仪 ICM‐20602 / ICM‐20689 / BMI055
IMU	磁力计	一个三轴磁力计 ICM‐20948	一个三轴磁力计	一个三轴磁力计 IST8310
IMU	气压计	MS5611X5	绝对和差分传感器	MS5611
Cost	Cost	250.00美元	5000美元	183.42美元

3. 推进子系统

无人机可根据其尺寸、类型和任务采用多种推进子系统。

燃油发动机 ：无人机可以采用与飞机相同的发动机技术。无人机的发动机可以是活塞发动机，例如二冲程的莱康明EL‐005，或四冲程的Rotax 914。无人机也可以由喷气推进系统驱动，如涡扇发动机和涡桨发动机。例如，霍尼韦尔T76是一款涡桨发动机，用于通用原子公司MQ‐9死神无人机。劳斯莱斯 F137则是一款涡扇发动机，被诺斯罗普·格鲁曼 RQ‐4全球鹰和MQ‐4C海神无人机所使用。

根据发动机类型，无人机可由多种燃料类型提供动力，例如煤油、柴油、汽油、生物柴油、甲醇、乙醇或液化石油气（LPG）。与电动机相比，发动机通常具有更高的噪音水平，但它们往往可以实现更长的续航时间。德事隆系统公司的 Aerosonde HQ搭载莱康明EL‐005，在大西洋风暴天气中飞行了26小时45分钟，仅消耗了一加仑半的燃料[9]。表III列出了上述各发动机类型的最大功率、重量、燃料类型和成本。

属性 莱康明	EL‐005 [10]	Rotax 914 [11]	霍尼韦尔 T76[12]	Rolls Royce F137[13]
Type	二冲程 活塞发动机	四冲程 活塞发动机	涡轮螺旋桨 jet发动机	涡扇发动机 jet发动机
Max 功率	900瓦特 @ 5,500 RPM	84.5 千瓦 @ 5,800 转/分	700 kW @ 2,000 RPM	44.7 千瓦 @ 16300 RPM
重量	13.8磅	140.8磅	385磅	641磅
Fuel	Jet Fuel, 车用汽油， 无铅 航空汽油	100LL 含铅 航空汽油， 无铅普通汽油	喷气燃料	喷气燃料
Cost	15万美元	3.49万美元	48万美元	376万美元

电动机 ：使用电动机的无人机与使用燃油发动机的无人机相比，通常飞行时间较短，但具有重量更轻、噪音更小以及更易于启动的优势。机动无人机采用由电池（主要是锂聚合物（Li‐Po））供电的有刷电机。此外，还需要电子调速器（ESC）电路，以使飞控器能够控制电动机的转速和旋转方向。ESC通过调节晶体管的开关频率，产生旋转磁场来驱动电机旋转。电机的转速与开关频率成正比。

混合动力发动机 ：混合推进系统由两部分组成：发动机和电动机。混合推进系统可以有多种配置方式：
- 并联 ：在并联配置中，可以单独使用电动机驱动螺旋桨，也可以单独使用发动机旋转螺旋桨并对电池充电。在后一种情况下，电动机作为由发动机驱动的发电机工作。该结构中的发动机和电动机通过齿轮进行机械耦合，用于驱动螺旋桨。
- 串联配置 ：在串联配置中，电动机直接连接到螺旋桨并用于驱动螺旋桨。发动机不与螺旋桨进行机械连接，而是连接到发电机，用于给电池充电并为电动机提供功率。
- 并联-串联 ：该系统采用直接连接到螺旋桨的行星齿轮；发动机和电动机均连接到行星齿轮。无人机可由电动机或发动机驱动。当使用发动机时，行星齿轮将大部分能量传递给螺旋桨，同时将部分能量传递给发电机，用于给电池充电。

4. 有效载荷

有效载荷指的是无人机自身重量以外能够承载的重量。无人机的机身样式对其有效载荷尺寸起着关键作用。多旋翼无人机可在短航程内携带小型物体，而固定翼无人机则具有较高的有效载荷能力。根据无人机的任务类型和飞行目的，可以安装多种不同的有效载荷组合，如下所述。

传感器和摄像头 ：所有可更换的、不属于飞控器且与无人机飞行操作无关键关联的传感器均属于有效载荷。无人机可以使用多种有效载荷传感器（例如温度、湿度、压力、接近传感器、测距仪和激光雷达）以及摄像头，如夜视、视觉（红、绿、蓝（ RGB））摄像头，以及近红外（NIR）和长波红外（LWIR）摄像头。任何无人机至少配备一个摄像头（用于提供实时视频流），或多个摄像头以获取高质量图像和视频。

武器 ：武器是军事应用中的关键有效载荷。无人机可配备多种导弹和炸弹，例如地狱火导弹、毒刺导弹、格里芬导弹、蝰蛇打击炸弹、激光制导炸弹，或任意其他组合。

储罐和喷雾器 ：在商业应用中，无人机可配备储罐和喷雾器，用于农作物灌溉、农药喷洒和消防灭火。

扬声器和灯光 ：在搜索与救援和执法应用中，无人机可配备扬声器和灯光。扬声器可用于向无人机传输声音，而灯光在低光环境中非常有用。

5. 通信子系统

无人机操作员可以通过以下任意方式进行与无人机进行通信：无线电控制器发射机、地面控制站（GCS）或卫星双工数据链 [14]。地面控制系统通过实施微型飞行器链路（MAVLink）通信协议与无人机进行通信 [15]。

商用无人机中最广泛使用的通信方式是射频（RF）。无人机上安装有数据链，其中包含上行链路，用于将操作员或指挥与控制（C&C）站的控制指令传输至无人机；以及下行链路，用于获取来自无人机的视频流和遥测信息，如速度、姿态、方向、高度、纬度、电力或燃料水平、有效载荷信息以及其他多种参数。常用于控制无人机的射频频段包括 900兆赫、2.4吉赫和5.8吉赫。相比其他无人机控制频段，900兆赫具有更远距离但较低数据速率的特点；而5.8吉赫则具有较短距离但较高数据速率的优势。

军用无人机利用X波段卫星通信（SATCOM）执行超视距任务。X波段SATCOM工作于7.25吉赫至 8.4吉赫的超高频（SHF）范围，其优势在于抗天气干扰能力强。图3展示了与无人机通信所用的 MAVLink、RF和SATCOM方法。

III. 无人机分类

基于各种参数或特性（如尺寸、重量、速度、高度和续航时间）对无人机已有多种分类方式。商用和休闲无人机的分类方式与军事无人机不同。目前在所有应用领域中尚无统一的标准分类，且各类分类方法之间并无优劣之分。

对无人机的一种分类方法是基于其机体类型和飞行方式。根据机体类型和飞行方式，无人机可分为三种不同类型：固定翼、多旋翼和垂直起降无人机。

Watts 等人[16]利用高度和续航时间将无人机分为（i）高空长航时(HALE)，（ii）中空长航时 (MALE)，（iii）低空长航时(LALE)，以及（iv）低空短航时(LASE)。

美国国防部采用一种基于无人机最大起飞重量、工作高度和速度的五类别分类[17]。表IV展示了美国国防部分类的五个类别。该分类系统旨在统一应用于所有军种（即空军、陆军和海军），而不是像以往各军种各自采用层级分类系统的情况。例如，美国空军曾采用五级系统，其中小型和微型无人机属于第零级或不适用（N/A），第一级包括短距起降无人机（LALE UAVs），第二级涵盖中空长航时无人机（MALE UAVs），第二级+由高空长航时无人机（HALE UAVs）组成，第三级‐则包括高空长航时低可探测性无人机（HALE low‐observable UAVs）。另一方面，美国陆军采用三级系统，其中第一级为小型无人机，第二级包括短程战术无人机，第三级由中程战术无人机组成。同样，美国海军（海军陆战队）采用四级系统，其中第零级或不适用级包括微型无人机，第一级为小型无人机，第二级涵盖短距起降无人机（LALE UAVs），第三级由中程战术无人机组成。

Hassanalian 等人[18]根据重量和翼展将无人机分为无人机、小型无人机、微型飞行器(MAV)、纳米飞行器(NAV)、皮米飞行器(PAV)和智能尘埃。表五显示了 Hassanalian 等人[18]对无人机的分类。该分类，然而，这种分类过于宽泛，作者在分类时没有考虑续航时间、航程或任务类型。

分类	重量	翼展
UAV	> 5Kg	> 2m
小型无人机	≤ 5Kg	≤ 2m
微型飞行器（MAV）	≤ 2Kg	≤ 1m
NAV（纳米航空飞行器）	≤ 50g	≤ 15m
PAV（皮可航空飞行器）	≤ 3g	≤ 2.5cm
智能尘埃	≤ 0.5g	≤ 0.25cm

IV. 无人机的应用

无人机应用可以根据无人机飞行目的分为三大领域：娱乐用途、商业用途和军事。无人机的应用领域也为无人机的分类提供了一种方式。在本节中，我们将详细阐述无人机在娱乐用途、商业用途和军事领域的应用。

A. 娱乐用途

任何仅由业余爱好者出于娱乐和乐趣而飞行的无人机均被归类为娱乐用途无人机。通常，这种类型的无人机所配备的设备和传感器最为简单。娱乐用途无人机以即飞型或绑定即飞型出售，其中大多数无人机组件已预先安装、已编程并已校准。用户只需将部件组装起来并对电池充电即可飞行。娱乐用途无人机的典型用途主要是航拍摄影和第一人称视角（FPV）飞行，因此制造商更注重相机质量、云台稳定和障碍物检测。一些娱乐用途无人机的例子包括大疆御系列、Parrot FPV无人机和Skyhunter。

B. 商业用途

用于特定用途或任务的先进专用无人机被视为商用无人机。操作商用无人机需要接受官方培训并取得执照许可[19]。商用无人机的一些应用包括农业、巡检与监控、物流与配送、测绘与制图、搜索与救援以及专业电影摄影。无人机的尺寸和机体类型取决于具体任务及所携带的有效载荷。图4展示了商用无人机的一些应用场景。表VI比较了一些最常用的商用无人机在最大速度、续航时间或飞行时间、有效载荷、主要应用和成本方面的对比。接下来，我们将更详细地讨论无人机的一些商业应用。

农业 ：农业无人机通常配备第一人称视角摄像头、激光雷达、多光谱传感器、避障传感器以及药箱和喷洒系统。这些无人机用于监测作物健康和土壤质量，在精准农业中发挥着重要作用。农业无人机所搭载的药箱可用于向缺水和养分不足的作物区域供应水和肥料，并向受虫害侵袭的作物部分喷洒杀虫剂。此外，无人机还可用于提供实时视频流以进行牲畜监控。一些常见的农业无人机包括多旋翼大疆 Agras MG‐1 和固定翼 PrecisionHawk Lancaster。

巡检与监控 ：巡检与监控应用要求无人机配备第一人称视角摄像头、热成像相机、接近传感器、多气体探测器和照明系统。其中一些应用甚至要求无人机配备保护框架。这些无人机用于检测人类难以触及或存在风险和危险的物体及区域，例如输电线、油管、风力涡轮机和桥梁。巡检与监控无人机还可用于检测人类难以进入的密闭空间，例如烟囱和管道。Flyabilty Elios 2 是一种用于超视距室内视觉检测的多旋翼无人机示例。该无人机由于配备了包裹整个机身的球形保护笼，因而具备耐碰撞特性。BirdsEyeView Aerobotics 公司的 FireFLY6 PRO 是一种垂直起降远程检测无人机的示例，该无人机用于检查输电线和管道。

物流与配送 ：尽管使用无人机进行物流和包裹配送仍处于初期阶段，但无人机在包裹配送方面具有显著优势，因为无人机可将大城市中的运输时间缩短至几分钟。无人机在农村地区的配送同样具有优势。Zipline Robin 固定翼无人机目前正在加纳、卢旺达、印度和菲律宾的农村地区用于运送血液、疫苗和药品等医疗物资[20]。

测绘与制图 ：由于低空飞行无人机能够拍摄高分辨率图像，并且相比飞机或卫星获取的图像可在更近的距离进行测绘，因此无人机正被广泛应用于测绘与制图领域。3D Robotics Aero 就是一款用于测绘与制图的商业用途无人机。它是一种手抛式电动无人机，可搭载多个摄像头和可定制的有效载荷。

搜索与救援 ：搜索与救援无人机使第一响应者能够飞越灾区或前往人类难以到达的区域，搜寻受害者。搜索与救援无人机的一些应用包括灾后评估、寻找失踪人员以及向受害者运送急救物资。

航拍电影摄影 ：航拍电影摄影是无人机的主要商业应用之一。与建造摄像机吊臂或驾驶直升机进行航拍相比，使用无人机拍摄所需的航拍镜头更加简便、快速且成本更低。多旋翼大疆Matrice 600 Pro 就是一款用于专业电影摄影的无人机实例。

属性	DJI Mavic 2 Pro	大疆 Agras MG-1	飞行能力 Elios 2	FireFly6 Pro
Max 速度（英里/小时）	45	49	14.5	18
Max 续航时间 （分钟）	30	24	10	59
有效载荷	2000万像素 4K摄像头	2.6加仑 tank, 喷雾器， 微波雷达， 摄像头	热成像 摄像头, 1200万像素4K 摄像头， 照明 系统	变量 摄像头 and 热成像 传感器
Uses	拍摄	农业	室内 检查	测绘， 与搜救索援
Cost	$1,599.00	$14,999.00	$49,200.00	$7,499.00

C. 军事

如果无人机用于或制造用于军事目的，例如情报收集、监视、侦察、目标获取和战斗损伤评估，或者该无人机能够携带多种武器并执行空袭，则被视为军用类型。目前使用的一些军用无人机类型包括通用原子公司MQ‐1捕食者、诺斯罗普·格鲁曼 RQ‐4全球鹰、通用原子公司MQ‐1C灰鹰和波音英西图扫描鹰。表VII显示了上述四种无人机在最大速度、最大高度、发动机类型、最大内部和外部有效载荷、续航时间和成本方面的比较。接下来，我们将更详细地讨论这些无人机。

属性	RQ-4 全球 Hawk	MQ‐1C Gray 鹰	MQ-1 捕食者	扫描鹰
Max速度 （节）	340	167	120	80
最大高度 (ft)	60,000	25,000	25,000	19,500
发动机	Rolls Royce F137‐RR‐ 100	Lycoming DEL‐120	Rotax 914	二冲程 3W 活塞
最大内部 有效载荷（磅）	3,000	540	450	7.5
Max 外部有效载荷（磅）	NA	1,500	300	NA
续航时间 （小时）	32+	50+	24	24+
Cost	1.3亿美元	2150万美元	$40M	320万美元

通用原子公司MQ‐1“捕食者” 是一种中等高度、长续航时间的无人飞机系统[21]。它是仍在服役的最古老的无人机之一。最初，“捕食者”的任务目的是执行武装侦察和空中监视。“捕食者”的续航时间为24小时，可挂载两枚激光制导“地狱火”导弹、四枚“毒刺”导弹或六枚“格里芬”空对地导弹。安装在无人机机头的多光谱瞄准系统（MTS）航电设备可提供监视、目标获取以及导弹的激光制导功能。

诺斯罗普·格鲁曼RQ‐4全球鹰 是一种高空长航时无人机[22]。RQ‐4全球鹰的主要功能是情报、监视与侦察。其续航时间为 32+小时，最大内部有效载荷可达3000磅。

通用原子公司MQ‐1C灰鹰 是一种中高空长航时无人机[23]。它是作为“捕食者”的替代机型而开发的。“灰鹰”的任务用途是侦察、监视与攻击作战。当配备外部燃料舱时，其续航时间为 50+ 小时。“灰鹰”可装备四枚地狱火导弹、八枚毒刺导弹或四枚蝰蛇打击炸弹。

波音英西图扫描鹰 是一种低空长续航无人机[24]，其主要功能是侦察。扫描鹰通过弹射器发射，并由因西图公司开发的天空钩回收系统进行回收。扫描鹰的机翼上装有挂钩，而天空钩系统则配备连接至起重机的垂直线缆。当扫描鹰飞过线缆时，机翼上的挂钩会勾住线缆，从而使无人机停止。其有效载荷包括高分辨率相机、红外相机和热成像仪。由于尺寸小且续航时间长，扫描鹰能够隐蔽地执行任务而不易被察觉。

V. 无人机的未来及相关挑战

未来，无人机将与增强现实（AR）、人工智能（AI）和蜂窝网络等新兴技术相结合，以实现多种创新应用。此外，电子设备的进步和小型化将有助于实现无人机令人兴奋的新应用。本节讨论无人机的一些未来形态和应用及其相关挑战。

A. 无人机集群

无人机集群是一组相互协调以执行任务的无人机。该集群可以是半自主或全自主的。半自主集群通常由地面控制系统（GCS）控制，GCS同时与每架无人机进行通信。全自主集群则利用飞行自组织网络（FANET）实现彼此之间的通信，并由一架领航无人机与GCS通信。在测绘与制图、农业、物流与配送等应用中使用无人机集群，可通过在各无人机之间分配任务来节省时间和人力成本。近年来，无人机集群受到了空军和国防部的高度关注。无人机集群甚至可用于搜救应用，以挽救生命。在灾区部署无人机集群可更快速地发现幸存者[25]。无人机集群的避障是指集群中无人机之间的避障以及集群运行的能源效率。

B. 增强现实

增强现实（AR）是一种允许用户在真实世界环境中与计算机生成对象进行交互的技术[26]。增强现实在设计与制造、旅游、导航、教育和游戏等多种应用中得到了广泛应用。通过将增强现实技术（AR technology）集成到无人机（UAV）中，可以实现大量新的应用。增强现实可用于在真实世界环境中实时叠加显示信息，例如地图、平面图和兴趣点。这些增强现实地图在军事和搜救行动中具有重要价值。无人机‐增强现实（UAV‐AR）集成的另一个示例是规划与设计[27]，建筑师和工程师可以飞越某个地点，并利用三维模型来可视化项目。集成的无人机‐增强现实还可用于检测，其中增强现实会将建筑信息模型（BIM）叠加并同步到无人机传回的视频流上。这种方法在检测地下管道、桥梁、输电线和大坝时非常有用[28]。

C. 人工智能

使用人工智能的无人机可用于各种物体检测和识别应用。检测交通拥堵就是一个利用人工智能辅助无人机的应用示例[29]。在此示例中，无人机沿预设路线拍摄交通状况照片，随后通过卷积神经网络（CNN）进行处理，以判断道路是否拥堵。CNN的分析结果将被发送至道路交通管理中心，以便采取必要措施缓解拥堵。另一个利用人工智能的无人机应用是森林火灾早期识别[30]。在该系统中，一架或多架无人机利用摄像头检测火灾。无人机中的人工智能经过训练，可识别图像中的烟雾和火灾。生成的警报随后被发送至地面控制系统（GCS）。在无人机中集成人工智能面临诸多挑战，其中最大的挑战是计算能力，因为无人机的机载计算能力有限，且电池供电无人机的电池能量也有限。由于机载计算能力受限，嵌入式无人机人工智能通常不够复杂，因此准确性有限。错误预测/分类可能导致误报情况下产生错误警报和资源浪费，在漏报情况下则可能导致紧急情况得不到响应。

D. 无线网络

无人机有望成为5G及5G以上（B5G）蜂窝架构的重要组成部分[31],[32],[33]。无人机可以连接到蜂窝网络，这有助于改善实时数据流并扩展无人机的最大航程。无人机集群可利用现有的5G和B5G网络来增强无人机之间的通信，从而提升自主性。另一个应用是使用无人机集群作为飞行基站，为缺乏蜂窝信号的区域或灾区提供蜂窝网络。通信可靠性、安全、隐私、服务质量以及干扰管理是无人机无线网络中的一些挑战[34]。

E. 纳米无人机

高度微型化的无人机可以单独或以集群形式开发和部署，可用于间谍活动或精确打击等军事应用。例如，FLIR黑寡妇PRS是一种纳米无人机，具有较低的视觉和听觉特征，重量仅为13克，并配备了与大型无人机相同的摄像头和传感器。黑寡妇的小尺寸使其能够隐蔽且不被察觉地执行侦察任务。纳米无人机的另一个应用是通过在纳米无人机上配备少量炸药并针对重要器官，执行隐蔽的致命攻击任务和暗杀。瑞士无人机与机器人中心曾测试使用3克炸药和雷管，通过降落在目标头部并引爆的方式进行暗杀；实验结果显示，造成的伤害是致命的，无生存可能。

F. 无人机SLAM

同步定位与建图（SLAM）是一种在创建未知区域地图的同时，实时更新地图并跟踪车辆在该地图中当前位置的计算问题。SLAM是无人车辆系统中的一个重要课题，因为它是实现自动驾驶车辆的主要方法之一。SLAM对于无人机在无GPS信号区域的导航或室内飞行也具有重要意义[35]。为了获取开发无人机SLAM所需的传感器数据，无人机可配备多种传感器，例如激光雷达传感器、RGB‐D相机、立体相机，或这些传感器的任意组合。用于自主无人机的SLAM算法可以基于卡尔曼滤波器或粒子滤波器。该算法利用传感器数据来确定里程计信息并更新地图。无人机的SLAM还可以采用多传感器融合技术，以更准确地估计轨迹。高速飞行和实时响应是当前无人机SLAM面临的主要挑战。

VI. 结论

随着建造或购买无人机（UAV）的性价比达到前所未有的低水平，加之飞控系统和有效载荷技术的进步，使用无人机执行商业和军事任务如今变得更加可行，甚至具有优势。本文探讨了现代无人机的架构和组件，介绍了当代无人机常见的飞控系统和发动机类型，讨论了无人机的不同机身样式和机身材料类型，进一步提出了无人机的多种分类方法。最后，本文详细阐述了无人机在娱乐用途、商业用途和军事领域的应用，并探讨了无人机的未来形态及其应用前景与相关挑战。