2月24日，俄羅斯突襲烏克蘭，我們見證了歷史：俄烏戰(zhàn)爭打響了。

到10月24日，俄烏戰(zhàn)爭已經(jīng)打了足足8個月。

期間風起云涌，各種高科技武器層出不窮，除了高精制導武器，現(xiàn)在媒體出現(xiàn)最多的字眼是：無人機，一個飛行的傳感器集群。

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世界上“首次”無人機戰(zhàn)爭：中國成背后贏家

近日，美國著名軍事媒體TheDrive的Warzone欄目中，發(fā)布了一篇“標題黨”文章：《人類歷史上第一次無人機空戰(zhàn)完成了》，文章中的視屏被上傳到社交媒體上，引起廣泛熱議。

據(jù)文章介紹，該視頻拍攝于頓巴斯地區(qū)頓涅茨克上空。

畫面顯示一架由烏克蘭軍隊控制的大疆四旋翼無人機在鏡頭中發(fā)現(xiàn)不遠處懸停著一架由俄羅斯方面控制的另一架大疆無人機，隨后俄方無人機向烏方無人機移動，似乎要主動碰撞，結(jié)果在碰撞時俄方無人機損壞了一個螺旋槳葉片，然后墜毀。

因此，TheDrive網(wǎng)站戲稱這是人類歷史上首次無人機戰(zhàn)爭：一架無人機試圖擊落另一架無人機。顯然，如果這也算“空戰(zhàn)”的話，層次也確實太低了一些。實際上，各國設想的無人機空戰(zhàn)，應該是一方無人機發(fā)射導彈，或者使用機炮，擊落另一方的無人機。

但毫無疑問，隨著這場戰(zhàn)爭的發(fā)展，無人機已經(jīng)成為“明星”武器，越來越多地出現(xiàn)在俄烏戰(zhàn)爭中。俄烏戰(zhàn)爭的下半場，已經(jīng)進入到以無人機為主導的交鋒中。

無人機：一個飛行的傳感器集群

無人機的形態(tài)多種多樣，我們一般所見的，軍用無人機以固定翼無人機為主，載重、航程較大。民用無人機則以多旋翼無人機為主，主要是四旋翼。

此外還有無人直升機、垂直起降固定翼無人機等。本文主要討論民用旋翼無人機。

為什么說無人機是飛行的傳感器集群？

因為在一架無人機里，你找不到比各種傳感器更多、更重要的器件！

飛行控制系統(tǒng)（簡稱“飛控”）是無人機最核心的技術，是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，也是無人機區(qū)別于一般航模(飛行玩具)的最主要標志。

簡單點說，飛控就是無人機的大腦，無人機的飛行、懸停，姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運算和判斷下達指令，由執(zhí)行機構(gòu)完成動作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

這就類似于人體的大腦，對身體各個部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運算后發(fā)出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因為水太燙而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會根據(jù)實際情況重新發(fā)送新的指令。

飛控系統(tǒng)由傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分組成，其中，傳感器是使用最多的器件。

一架無人機要平穩(wěn)地飛行，至少需要持續(xù)測量15個狀態(tài)量，包括：三維位置、三維速度、三維加速度、三軸角度和三軸角速度等。

一架無人機至少需要用到包括慣性測量單元（IMU）、GPS、氣壓計、地磁指南針（磁羅盤）、超聲波傳感器、雙目視覺感知等傳感器，此外還有激光雷達、傾斜傳感器、電流傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、發(fā)動機進氣流量傳感器、位置傳感器和一些溫度傳感器等等在各種無人機有所應用。

可以說，一架無人機除了外殼，內(nèi)里幾乎都是由各種傳感器組成的！

各種傳感器在無人機中的應用

各種傳感器在無人機中有什么應用？這是我們所好奇的。

慣性測量單元（IMU）

首先我們來說慣性測量單元（IMU），這是無人機最核心的傳感器之一。有沒有想過一架無人機在空中怎么保持平衡？不會搖搖晃晃、忽上忽下？沒錯，這就是IMU的作用。

IMU是一個傳感器模塊，包含不止一種傳感器。一般的，一個IMU內(nèi)會裝有三軸的陀螺儀和三個方向的加速度計，來測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。

為了提高可靠性，還可以為每個軸配備更多的傳感器。一般而言IMU安裝在無人機的重心上。

加速度計

加速度計是用來提供無人機在XYZ三軸方向所承受的加速力，它以g為單位測量加速度，決定無人機在靜止狀態(tài)時的傾斜角度。

如果加速度計不受任何外部加速度的影響，則無人機將僅測量相對地球的加速度，即重力。假設3軸加速度計的放置方式是X軸上的傳感器指向左側(cè)，Y軸上的傳感器向下，Z軸上的傳感器向前且不受任何力的影響，則加速度計將返回以下值：X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g。如果將同一加速度計向左偏轉(zhuǎn)，則其讀數(shù)將顯示：X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g。同樣，當向右傾斜時，X平面將返回X = -1 g。

給定的加速度測量相關性，由監(jiān)控加速度計工作的系統(tǒng)算法來實現(xiàn)。

陀螺儀

陀螺儀傳感器能監(jiān)測三軸的角速度，因此可監(jiān)測出俯仰(pitch)、翻滾(roll)和偏擺(yaw)時角度的變化率。即使是一般飛行器，陀螺儀都是相當重要的傳感器。

角度信息的變化能用來維持無人機穩(wěn)定并防止晃動。由陀螺儀所提供的信息將匯入馬達控制驅(qū)動器，通過動態(tài)控制馬達速度，并提供馬達穩(wěn)定度。陀螺儀還能確保無人機根據(jù)用戶控制裝置所設定的角度旋轉(zhuǎn)

除了在無人機上，IMU大多用在需要進行運動控制的設備，以及需要用姿態(tài)進行精密位移推算的場合，如如汽車機、器人、潛艇、飛機、導彈和航天器等等都能找到IMU。

地磁指南針（磁羅盤）

顧名思義，地磁指南針（磁羅盤）就是為無人機指明方向的傳感器，其原理與我們的指南針是一樣的，都是根據(jù)地磁效應來指明方向。

不同的是古時的指南針是很大一個的機械裝置，現(xiàn)在的無人機上的磁傳感器都是基于MEMS技術，通過各向異性磁性電阻材料，感受到微弱的磁場變化時會導致自身電阻產(chǎn)生變化來感應方向。

一般來說，磁羅盤數(shù)據(jù)還需要加速度計提供傾斜角度數(shù)據(jù)以補強信息。有了傾斜數(shù)據(jù)加上磁性數(shù)據(jù)，就能計算出正確方位。

同時，磁傳感器容易受到四周磁體和鐵的影響，因此可以用來偵測四周的情況，例如電極、電線、車輛、其他無人機等等，以避免事故發(fā)生。

氣壓計

氣壓計運作的原理，就是利用大氣壓力換算出高度。壓力傳感器能偵測地球的大氣壓力。由氣壓計所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無人機導航，上升到所需的高度。準確估計上升與下降速度，對無人機飛行控制來說相當重要。

超聲波傳感器

無人機采用超聲波傳感器就是利用超聲波碰到其他物質(zhì)會反彈這一特性，進行高度控制。前面就提到過近地面的時候，利用氣壓傳感器是無法應對的。但是利用超聲波傳感器在近地面就能夠?qū)崿F(xiàn)高度控制。這樣一來氣壓傳感器同超聲波傳感器一結(jié)合，就可以實現(xiàn)無人機無論是在高空還是低空都能夠平穩(wěn)飛行。

GPS（GNSS）

GPS，或者準確的說是“衛(wèi)星導航系統(tǒng)”，只是因為美國人最早開發(fā)出了GPS導航系統(tǒng)并且沿用至今，成為全球使用最多的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，因此很多時候我們以GPS代稱，我國的北斗系統(tǒng)也是其中一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前許多衛(wèi)星導航芯片都已支持GPS、北斗等多模導航。

GPS的原理即使通過衛(wèi)星協(xié)助進行定位、導航，但無人機運動情況復雜，容易受到建筑物與磁場的影響，存在接收不到GPS的情況，因此常需要與IMU等傳感器數(shù)據(jù)融合計算，通過算法以盡可能準確地獲得無人機的位置信息。

雙目立體視覺感知系統(tǒng)

隨著無人機的發(fā)展日益成熟，近幾年，雙目立體視覺感知系統(tǒng)已經(jīng)成為無人機的標配。

雙目功能可以讓無人機在飛行過程中較好的識別周圍環(huán)境，有利于避障和飛行，無人系統(tǒng)領域?qū)υ摴δ艿氖袌鲂枨蠓浅４蟆?/p>

雙目立體視覺（Binocular Stereo Vision）是機器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并利用成像設備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應點間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。

融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別（視差圖像），使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應關系，將同一空間物理點在不同圖像中的映像點對應起來。

簡單點說，就是利用兩個攝像頭來模擬出人的雙眼效果，從而判斷出目標三維信息，達到有效避障的目的。

以上這幾種傳感器可以說是無人機的核心傳感器，缺少這些傳感器，無人機的飛行功能很可能無法保證。

除此之外，還有許多特定傳感器用在無人機的各種特別需求中。

譬如激光雷達，激光雷達是一種發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，無人機通過搭載激光雷達，可以進行精確測繪，能夠更好的服務于電力巡線、林業(yè)調(diào)查、帶狀測圖等應用。

還有MEMS麥克風，是一種能將聲音頻號轉(zhuǎn)換為電子訊號的音頻傳感器。MEMS麥克風正逐漸取代傳統(tǒng)麥克風，因為它們能提供更高的訊噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射頻抗擾性，面對震動時也更加穩(wěn)健。這類傳感器可用在無人機的影片拍攝、監(jiān)控、間諜行動等應用。

▲無人機搭載激光雷達進行測繪效果

消費級無人機：我國高科技產(chǎn)業(yè)少有的亮點

集成了數(shù)量眾多的各式傳感器的無人機，是我國高科技產(chǎn)業(yè)少有的亮點，有數(shù)據(jù)顯示，在全球消費級（民用）無人機市場，我國大疆公司占據(jù)了超過70%的市場份額，所有中國民用無人機廠商占據(jù)全球超過80%市場份額。

這世界只有兩種無人機，一種叫大疆，一種叫其它！

2020年12月18日，美國商務部以“違反美國國家安全” 為由，宣布將大疆公司列入所謂出口管制“實體清單”。

一家企業(yè)被列入美方“實體清單”，意味著這些企業(yè)要從美國供應商那里接收貨品時，必須從美國商務部申請許可證，這個過程將面臨嚴格審查。但被列入“實體清單”的企業(yè)并不被禁止在美國銷售產(chǎn)品。

因此即使大疆被列入美國的“實體清單”，但憑借過硬的技術和產(chǎn)品實力，大疆的無人機產(chǎn)品在美國市場仍然大賣！

甚至在美國政府提高對大疆等中國公司的關稅后，大疆對旗下無人機大幅提高售價，市場份額一度沖破80%，因為許多美國人趕在關稅提高前大量購買大疆無人機。

▲大疆此前在美產(chǎn)品售價調(diào)整清單（部分）

結(jié)語

為什么消費級無人機能夠誕生？

這是因為傳感器、芯片等技術進步，尤其是MEMS技術的應用，能夠?qū)⒁郧昂艽蟮臋C械傳感器做小，并且大大降低功耗，因此無人機、手機等智能設備的應用才成為了可能。

以傳感器等“硬科技”組成的基礎，才是無人機、手機等應用設備生長的沃土。

無人機等智能設備帶給普通人，能看見這個星球上不一樣的美好。但同樣，在不同使用者手中，無人機也發(fā)揮著冰冷的作用。

希望科技進步，是用在更好的生活。

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審核編輯 黃昊宇