無人機(jī)的起源
無人機(jī)最早是在20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的，1914年第一次世界大戰(zhàn)中有人研制一種不用人駕駛，而用無線電操縱的小型飛機(jī)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭是推動無人機(jī)發(fā)展的基本動力。世界第一架無人機(jī)誕生于1917年，而無人機(jī)真正投入作戰(zhàn)始于越南戰(zhàn)爭，主要用于戰(zhàn)場偵察。
1982年以色列與敘利亞在貝卡谷戰(zhàn)爭中，以色列使用無人機(jī)進(jìn)行偵察、干擾、誘敵，無人機(jī)的作用再次被重視和開發(fā)。
1991年初的海灣戰(zhàn)爭中無人機(jī)已成為 “必須有”的戰(zhàn)場能力，六套先鋒無人機(jī)系統(tǒng)參戰(zhàn)。提供了高品質(zhì)、近實(shí)時、全天時的偵察、監(jiān)視、目標(biāo)捕獲、攔截和戰(zhàn)損評估。
無人機(jī)的種類
按功能無人機(jī)可以分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)兩大類。
軍用無人機(jī)又分為信息支援、信息對抗、火力打擊三大類；而民用無人機(jī)包括檢測巡視類無人機(jī)、通信中繼類無人機(jī)、遙感繪制類無人機(jī)和時敏目標(biāo)打擊類無人機(jī)。本文重點(diǎn)討論民用無人機(jī)系統(tǒng)。
從技術(shù)角度，民用無人機(jī)一般可以分為：無人固定翼機(jī)）、無人直升機(jī)、無人多旋翼飛行器等。
無人機(jī)主要硬件結(jié)構(gòu)
1、芯片
一個高性能FPGA芯片就可以在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)雙CPU的功能，以滿足導(dǎo)航傳感器的信息融合，實(shí)現(xiàn)無人飛行器的最優(yōu)控制。
2、慣性傳感器
伴隨著應(yīng)用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等設(shè)備廣泛應(yīng)用，MEMS慣性傳感器開始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，成本和功耗也進(jìn)一步降低。
3、WIFI等無線通信
wifi等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質(zhì)量已經(jīng)可以充分滿足幾百米的傳輸需求。
4、電池
電池能量密度不斷增加，使得無人機(jī)在保持較輕的重量下，續(xù)航時間能有25-30分鐘，達(dá)到可以滿足一些基本應(yīng)用的程度，此外，太陽能電池技術(shù)使得高海拔無人機(jī)可持續(xù)飛行一周甚至更長時間。
5、云臺
安裝、固定攝像機(jī)的支撐設(shè)備，它要保證無人機(jī)在各種環(huán)境下做到穩(wěn)定拍攝。
6、飛機(jī)機(jī)體
包含螺旋槳、電機(jī)馬達(dá)、機(jī)體外殼等
7、相機(jī)等
包括4K、3D、高像素攝像頭等。
無人機(jī)系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為飛行器平臺、控制站與通訊鏈路。
飛行器平臺：包括飛行機(jī)體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；
控制站：包括顯示系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)；
通訊鏈路：包括機(jī)載通訊與地面通訊。
目前無人機(jī)領(lǐng)域主流的機(jī)器視覺硬件技術(shù)有：雙目機(jī)器視覺、紅外激光視覺、超聲波輔助探測等方式。
1、雙目機(jī)器視覺
雙目機(jī)器視覺基于三角定位原理，與人眼對三維世界的還原原理類似，通過比較兩個同向攝像頭拍攝的畫面中同一物體的視角差來確定距離，從而從二維圖像中還原出三維世界的立體模型。
2、紅外激光視覺
為了規(guī)避計算機(jī)視覺中識別物體的大量計算以及提高精度，以Intel為代表的一批廠商使用了紅外激光視覺技術(shù)，如Intel RealSense機(jī)器視覺模組。其基本原理見下圖，其測距原理與雙目視覺類似，但識別對象從物體替換成了打在物體表面的紅外激光點(diǎn)。這樣就從根本上消除了物體識別的計算需求。
3、超聲波探測
超聲波測障是一種較為成熟的技術(shù)，已廣泛使用在軍/民用多種應(yīng)用場合之中。
超聲波的優(yōu)勢在于能夠有效識別玻璃，電線等雙目視覺/紅外激光視覺無法準(zhǔn)備測距的物體。
缺點(diǎn)在于精度較差，只能用于探測障礙是否存在，無法提取精確空間信息用作路徑規(guī)劃。
無人機(jī)航拍技術(shù)
無人機(jī)航拍技術(shù)其實(shí)可以簡單地按照字面的“無人機(jī)”+“航拍”拆分為2點(diǎn)：
1、影像拍攝技術(shù)，也即成像以及圖像處理技術(shù)；比如像素數(shù)、光圈大小等，但是攝像頭模組上影響成像質(zhì)量的參數(shù)還有許多：單個像素尺寸、傳感器技術(shù)、鏡片組技術(shù)、ISP技術(shù)等。
2、無人機(jī)平臺技術(shù)，主要指為航拍提供穩(wěn)定的航拍環(huán)境的機(jī)身控制技術(shù)。
影像拍攝技術(shù)：目前市場上的影像拍攝方案，都是對幾個大品牌主流的攝像頭模組的集成應(yīng)用，無人機(jī)生產(chǎn)廠商在這一方面沒有太多的技術(shù)空間，而且因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，不同產(chǎn)品方案之間差距并不大。
無人機(jī)機(jī)載平臺穩(wěn)定技術(shù)：是指除了飛行導(dǎo)航、控制等無人機(jī)自身飛行技術(shù)以外，為無人機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定航拍平臺保障的相關(guān)技術(shù)。這種技術(shù)是影響到成像質(zhì)量最關(guān)鍵的因素。
穩(wěn)定的拍攝平臺的意義：
在拍攝視頻時，畫面的抖動、傾斜都會嚴(yán)重影響畫面的流暢度和美觀度；
在拍攝照片時，尤其是弱光情況下，如果曝光時間較長，機(jī)身的抖動會引起畫面的模糊；若減少曝光時間，則需要提高感光度，噪點(diǎn)增多，影響畫質(zhì)。因此，機(jī)身的穩(wěn)定對于拍攝來說至關(guān)重要。
影響機(jī)身穩(wěn)定的主要因素：
按照當(dāng)前四旋翼無人機(jī)的典型情況，可以將對于機(jī)身位置、姿態(tài)造成擾動的幾個因素歸結(jié)如下：
1、懸停定位不精確造成的水平位置以及高度的飄逸；
2、機(jī)體作動時的機(jī)身傾斜與抖動；
3、電機(jī)震動、突風(fēng)等帶來的干擾。對于不同類型的擾動，無人機(jī)系統(tǒng)上采取了不同的策略進(jìn)行應(yīng)對。
對于水平以及高度的飄移，在室外，也即GPS信號良好的情況下，無人機(jī)會主要根據(jù)GPS信號進(jìn)行定位。但是限于民用GPS系統(tǒng)自身的精度有限且更新頻率較低，單純依靠GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位較為困難，通常無人機(jī)還會引入慣性模組進(jìn)行組合定位。
當(dāng)處于室內(nèi)或者GPS信號接收受限的情況下，無人機(jī)系統(tǒng)還采用對地攝像頭進(jìn)行光流定位。光流定位是一項(xiàng)近年來興起的基于圖像的定位方式，在距離地面較近時，使用效果良好。
如果說位置的飄移屬于慢動態(tài)的擾動，那么無人機(jī)機(jī)動時所引起的機(jī)體傾斜、抖動則是高頻擾動因素，對于畫面的影響十分顯著。
當(dāng)無人機(jī)需要進(jìn)行位置移動時，四旋翼機(jī)身姿態(tài)必須做出較大調(diào)整，尤其是在機(jī)動剛發(fā)生時，機(jī)身姿態(tài)出現(xiàn)了40度的調(diào)整。
對于機(jī)身在水平方向移動時所帶來的機(jī)體傾斜，以及機(jī)體作動時的抖動等干擾因素，對圖像拍攝效果影響較大，必須通過掛載穩(wěn)定云臺抵消影響。
對于電機(jī)震動、突風(fēng)擾動等因素，考慮到其屬于較高頻擾動，可采用空心橡膠球彈簧進(jìn)行高頻震動濾除，即可取得較好的效果。對于突風(fēng)等干擾，由于其形式、大小均存在較大的隨機(jī)性，很難保證完全消除影響，只能考慮結(jié)合云臺、光流等多種形式對其影響進(jìn)行抑制。
最后，不能忽略的一個技術(shù)是電子穩(wěn)像技術(shù)。電子穩(wěn)像技術(shù)是在不借助機(jī)械設(shè)備的前提下，通過傳感器，感受機(jī)體運(yùn)動，從而在顯示畫面上對圖像進(jìn)行剪裁、拼接的修正，從軟件的角度，一定程度上實(shí)現(xiàn)了圖像穩(wěn)定的意圖。