簡要概括無人機(jī)發(fā)展新高度

很少有新興的科技產(chǎn)品能夠像無人機(jī)一樣敏銳的捕捉到公眾的想象力。在過去的二十年里，無人機(jī)在軍事行動(dòng)中的完美應(yīng)用無異于一戰(zhàn)中的坦克及二戰(zhàn)中的火箭，都占據(jù)著顛覆性的地位。

在眾多無人機(jī)新興技術(shù)的發(fā)展過程中，可能更令人驚訝的是，劃破長空嗡嗡作響的無人機(jī)竟可以追溯到19世紀(jì)40年代后期，在第一次意大利獨(dú)立戰(zhàn)爭時(shí)期，澳大利亞試圖利用無人駕駛的氣球向威尼斯投擲炸藥，隨后在20世紀(jì)出現(xiàn)了用于軍事訓(xùn)練和偵察的遠(yuǎn)程遙控飛機(jī)以及新興的愛好者社區(qū)。

在21世紀(jì)的今天，科技創(chuàng)新為我們帶來了智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備，與此同時(shí)，也為我們帶來了無人機(jī)的繁盛。對于無人機(jī)來說，值得人們關(guān)注的不僅僅是無人機(jī)的數(shù)量增加，它們應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展更為引人注目。這篇文章探究了無人機(jī)的應(yīng)用場景和在不同場景下所解決的問題，分析了無人機(jī)在應(yīng)用中的所碰到的壁壘，討論了如何利用技術(shù)和非技術(shù)手段使得無人機(jī)能夠進(jìn)一步發(fā)揮潛能。

擁有廣闊的市場前景

空中攝影及攝像恐怕算是無人機(jī)應(yīng)用最廣泛的兩個(gè)領(lǐng)域了。暫且拋開攝影師和制片人對藝術(shù)的追求不談，無人機(jī)可以讓房地產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人、活動(dòng)組織者及各種商業(yè)經(jīng)營者輕輕松松并且以低廉的價(jià)格的為營銷活動(dòng)添加令人驚嘆的視覺效果。在無人機(jī)的銷售對象中約有94%是個(gè)人，他們或者把無人機(jī)當(dāng)做玩具或者用來攝影。據(jù)專注于資訊及業(yè)內(nèi)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)站Recode數(shù)據(jù)表明，雖然個(gè)人無人機(jī)在銷售中占據(jù)主導(dǎo)地位，但該部分的收入僅占到了市場總收入的40%。大部分的銷售收入來源于比較小眾的高成本商用無人機(jī)，也正是在這個(gè)市場中，一些引人關(guān)注的新興使用案例及業(yè)務(wù)推動(dòng)著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

就無人機(jī)本身而言，在商業(yè)及業(yè)余愛好者市場中，也許四軸飛行器最廣為流傳（如圖1）。眾百家企業(yè)針對這樣一個(gè)迅速崛起的市場紛紛打起價(jià)格戰(zhàn)。據(jù)Recode的最新的市場調(diào)研表明，無人機(jī)的單位銷售額從2015年的130萬上漲到了2016年的220萬。若以美元計(jì)算，其單位銷售額約為46億，年增長36%。放眼未來，分析師預(yù)測，到2017年無人機(jī)市值將達(dá)到60億美元，并且在2020年暴增至110億美元。

圖1：大疆Phantom 4，四旋翼無人機(jī)示例（來源：維基百科）

突發(fā)狀況及醫(yī)療處置

未來的無人機(jī)并不完全應(yīng)用于娛樂。眾多公司欲將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于關(guān)乎生死的緊急時(shí)刻，為在不確定環(huán)境下的遇難的人們快速提供救生藥物、血液，甚至類似于除顫器的醫(yī)療設(shè)備。日前，Zipline等公司已經(jīng)在缺少公共醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)（如Rwanda）做這件事。在不久前，Zipline獲得了聯(lián)邦航空局的大力支持，開始在整個(gè)美國境內(nèi)提供該服務(wù)，他們把最初的目標(biāo)定位在鄉(xiāng)村或者像阿帕拉契亞這樣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，以及遠(yuǎn)離大陸的島嶼。

毫無疑問，無人機(jī)的應(yīng)用為搜救提供了巨大幫助，大量的志愿者組織開始參與協(xié)助搜救任務(wù)。有一個(gè)叫做S.W.A.R.M.（空中遙感搜索）的公司聲稱可以召集31個(gè)國家的1000多名志愿無人機(jī)操作員，隨時(shí)準(zhǔn)備協(xié)助搜救行動(dòng)。無人機(jī)不僅能夠準(zhǔn)確定位走失的個(gè)人，而且能夠在救援者找到傷員之前送去食物、水、急救藥箱以及通訊設(shè)備等物資。

火災(zāi)消防對救援人員的生命安全構(gòu)成了極大的威脅，為降低該風(fēng)險(xiǎn)，無人機(jī)承擔(dān)了部分探測工作，這樣一來，人類便可以專注于更高層次的工作，比如營救遇難者并遏制火情。防火航空自控系統(tǒng)(FAROS)就是這樣一種無人機(jī)系統(tǒng)，它配備了適用于消防的獨(dú)特技術(shù)。考慮到火災(zāi)經(jīng)常發(fā)生在建筑樓體內(nèi)部，GPS信號弱，F(xiàn)AROS利用了測高儀、2D激光掃描儀、及慣性測量單元等技術(shù)，以保證在建筑物內(nèi)部飛行安全性。為解決無人機(jī)暴露于火災(zāi)現(xiàn)場所面臨的高溫問題，F(xiàn)AROS裝備了特殊材料并使用了空氣緩沖器、熱電冷卻系統(tǒng)等技術(shù)。

工業(yè)及科學(xué)應(yīng)用

無人機(jī)在提升科研人員和企業(yè)執(zhí)行任務(wù)效率及效力方面也表現(xiàn)得十分卓越。為提高產(chǎn)量并降低成本，農(nóng)業(yè)率先引入了無人機(jī)技術(shù)。DroneSeed 是為數(shù)不多的公司中獲得了政府支持允許一位操作員同時(shí)操作多臺無人機(jī)的公司。他們的無人機(jī)群負(fù)責(zé)播撒種子和農(nóng)藥，同時(shí)也監(jiān)控作物的生長情況。操作無人機(jī)群意味著可以在更短的時(shí)間內(nèi)，以更少的成本來播種更多的土地。

設(shè)備經(jīng)理們開始調(diào)整他們的業(yè)務(wù)范圍，以應(yīng)對無人機(jī)的廣泛使用。由于無人機(jī)配備了高清攝像機(jī)配或紅外成像傳感器，屋頂、太陽能板、風(fēng)力渦輪機(jī)、輸電線以及路基的勘測工作變得安全而高效。建筑規(guī)劃和現(xiàn)場調(diào)查也從配備激光雷達(dá)的無人駕駛飛機(jī)中受益，無人機(jī)使測繪精度達(dá)到了厘米量級。

除了規(guī)劃未來，無人機(jī)在歷史研究領(lǐng)域也意義非凡。目前，考古學(xué)家們利用無人機(jī)可以找到潛在的挖掘地點(diǎn)，而不用再依靠小型飛機(jī)駕駛員和模糊不清的衛(wèi)星圖像。英國劍橋大學(xué)的研究員們迫不及待的將無人機(jī)應(yīng)用于搜尋劍橋郡內(nèi)一個(gè)叫做“英國龐貝古城”的舊址。無人機(jī)為他們提供了高質(zhì)量的低空圖像，這樣他們才能在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)挖掘。此外，這些圖像還會應(yīng)用于未被掩埋的文獻(xiàn)的發(fā)掘。

無人機(jī)的另外一個(gè)新興應(yīng)用就是它可以提供機(jī)載互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)，這在災(zāi)難恢復(fù)、高參與度的活動(dòng)（比如體育賽事）及傳統(tǒng)電信基礎(chǔ)設(shè)施安裝成本極高的欠發(fā)達(dá)地區(qū)會發(fā)揮很大的作用。據(jù)業(yè)內(nèi)知情人士爆料，F(xiàn)acebook最近剛剛完成了737-號（依照翼展尺碼）太陽能無人機(jī)的第二次飛行試驗(yàn)，并命名為天鷹座。

文娛和體育

2016年，極具影響力的體育電視網(wǎng)絡(luò)ESPN與無人機(jī)競速聯(lián)盟(DRL)簽訂了一項(xiàng)多年的協(xié)議，對已經(jīng)被定義為體育運(yùn)動(dòng)的無人機(jī)比賽進(jìn)行全球轉(zhuǎn)播。無人機(jī)比賽的參賽選手具有廣泛性和多樣性，這在國際賽事中是很少見的。同時(shí)，無人機(jī)競賽也打破了地域的屏障。此外，無人機(jī)比賽的技術(shù)層面也吸引了很多年輕人，這對于吸引和維持一個(gè)老牌媒體公司的用戶群至關(guān)重要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)媒體正遭受著越來越激烈的市場競爭。

如果說看著一臺無人機(jī)劃過天空是令人興奮的，那么觀看一群無人機(jī)飛過則著實(shí)令人著迷。這恰好是未來電子實(shí)驗(yàn)室在幾年前考慮過的問題，他們打算利用無人機(jī)來代替煙火，去創(chuàng)造出一種類似于煙火秀的產(chǎn)品，他們將其命名為“SPAXEL”。據(jù)Ars網(wǎng)站表明，“SPAXEL”一詞源自于“空間像素”，“SPAXELS”是在空間中自由和動(dòng)態(tài)定位的視覺元素?！拔覀兪褂脽o人機(jī)來搭載LED照明系統(tǒng)，并將它們組合成一種美麗而有序的的機(jī)載燈光。” 去年年底，他們與合作伙伴英特爾聯(lián)合推出了一項(xiàng)令人驚艷的500個(gè)無人機(jī)燈光秀（圖2）。英特爾將收購SPAXELS背后的這個(gè)公司，繼續(xù)提升其技術(shù)性。

圖2:SPAXELS類似于煙花的表演，使用無人機(jī)而不是煙火。(來源:Ars)

無人機(jī)發(fā)展的壁壘

無人機(jī)能夠很好的應(yīng)對時(shí)下的各種的問題，那么無人機(jī)發(fā)展的障礙是什么呢？很多反烏托邦的觀點(diǎn)認(rèn)為，帶有高清相機(jī)的無人機(jī)代表了隱私的入侵。

在無人機(jī)的發(fā)展過程中，安全是另外一個(gè)值得關(guān)注問題。無人機(jī)在空中飛行，很多種情況會造成財(cái)產(chǎn)的損失，甚至更嚴(yán)重的后果，比如無人機(jī)從天空中掉下來傷及到無辜的旁觀者或者與載人的飛行器（如飛機(jī)）相撞。安全上的問題可以通過技術(shù)上的改進(jìn)得以解決，但是人的錯(cuò)誤或者瀆職也會帶來同樣的問題，就比如大街上的人和汽車。

迫切希望發(fā)展無人機(jī)的個(gè)人或組織來認(rèn)為無人機(jī)發(fā)展遇到的最大問題是電池所導(dǎo)致的飛行時(shí)間短的問題。此外，缺少傳感器所引起的交互問題也是一個(gè)急需解決的問題。

通過技術(shù)和法規(guī)解決發(fā)展的壁壘

人們應(yīng)該將無人機(jī)視作一件有用的工具，而不是一個(gè)新奇的小玩意，可以通過技術(shù)的和非技術(shù)解決方案的結(jié)合來發(fā)揮無人機(jī)的潛力?？v觀世界各地，RC俱樂部和其他航空團(tuán)體正在為新的無人機(jī)飛行員提供培訓(xùn)課程。在美國，聯(lián)邦航空局要求所有操縱0.55磅(250克)和55磅之間非商用無人機(jī)的操作員必須在小型無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)(sUAS)中進(jìn)行注冊，對于超過55磅的無人機(jī)還有其他法規(guī)予以要求。除了進(jìn)行必要的注冊，如果無人機(jī)操作員打算從事商業(yè)企業(yè)活動(dòng)，那么他們還需要在聯(lián)邦航空局第107部進(jìn)行商業(yè)無人機(jī)飛行員的認(rèn)證。

從技術(shù)的角度來看，在無人機(jī)的硬件和軟件方面，有許多有創(chuàng)新的機(jī)會。對于配備攝像頭的無人機(jī)操作員來說第一人稱主視角(FPV)護(hù)目鏡是一個(gè)很流行的配件。護(hù)目鏡中的圖像來自于機(jī)載的攝像機(jī)，這讓操作者感覺自己坐在一個(gè)不存在的駕駛艙中來駕駛無人機(jī)。FPV護(hù)目鏡在技術(shù)上依賴于高速無線數(shù)據(jù)傳輸，需要在傳遞高分辨率圖像并保證無人機(jī)和操作員之間的距離的基礎(chǔ)上，保持最小的數(shù)據(jù)延遲。隨著越來越多的無人機(jī)在天空中飛行，數(shù)據(jù)的加密也將變得越來越重要。

提高電池的容量并改進(jìn)無人機(jī)的功耗將提高無人機(jī)的續(xù)航能力。高效率的電池將提高無人機(jī)的飛行時(shí)間并減小飛行重量，這反過來又進(jìn)一步促進(jìn)了飛行的高效率，而且可以通過添加更多的硬件來增加無人機(jī)的功能。使用更高效的機(jī)電元件，例如驅(qū)動(dòng)螺旋槳或攝像頭的馬達(dá)，也會降低功耗。

通過機(jī)載的智能傳感器和控制系統(tǒng)來更好的控制飛行，將在解決無人機(jī)的飛行安全和隱私問題上大有幫助。目前在很多廉價(jià)無人機(jī)上也配備了GPS或GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)，以確定無人機(jī)所在的位置。虛擬墻被稱為geofences，它是為無人機(jī)劃定了飛行區(qū)域，即使在操作員的強(qiáng)制操作下，它們也會避免飛出限定的區(qū)域。當(dāng)然，知道虛擬墻的具體位置并保持信息流通是一個(gè)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，為了解決這個(gè)問題，在高端無人機(jī)上，通過將無人機(jī)控制系統(tǒng)通過藍(lán)牙或Wi-fi與手機(jī)的APP連接，可以保持虛擬墻的更新。通過其他技術(shù)，如IMUs、氣壓計(jì)、紅外目標(biāo)檢測，計(jì)算機(jī)視覺等也可以為無人機(jī)飛行提供更全面的操作環(huán)境，以保證飛行安全。

最后，隨著越來越多的傳感器和高分辨相機(jī)被整合到無人機(jī)中，無人機(jī)的控制系統(tǒng)也必須進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)時(shí)處理更多的數(shù)據(jù)。此外，用于目標(biāo)檢測和避碰的機(jī)器學(xué)習(xí)算法也需要機(jī)載控制系統(tǒng)處理能力的提升。對于無人機(jī)群，任何規(guī)模的無人機(jī)都必須融入到網(wǎng)絡(luò)中。無論是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還是其他的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都被接受，每一個(gè)想要在蜂群中運(yùn)行的無人機(jī)都必須有能力在不可預(yù)知的環(huán)境中高效地進(jìn)行通信。當(dāng)然，所有這一切都必須與這樣一個(gè)事實(shí)相平衡——額外的計(jì)算能力會成為無人機(jī)的一個(gè)重要負(fù)擔(dān)，因?yàn)闊o人機(jī)本身為了能夠保持在氣中，就必須消耗掉一大部分功耗，這才是使用無人機(jī)的根本意義所在。