城堡里学无人机：原理、系统与实现(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：杨浩

出版社：机械工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

城堡里学无人机：原理、系统与实现试读：

序言

大家好，“无人机中的城堡”是我的笔名，朋友都习惯直接称呼我“城堡”或“MR.城堡”。我现在广州某大学攻读控制理论与控制工程专业的博士学位，研究方向是无人机控制器设计。平日里，我的主要时间都花在学习和项目上，但一有时间就会在同名知乎专栏与微信公众号中跟大家分享、讨论无人机领域的知识和观点。

在我并不短暂的教育经历中，理论与实践总是被人为分割开，无人机领域也是如此。有些书籍会像教科书一样给出无人机系统在某一学科中的各种公式、定理。还有一些书籍则侧重于小型无人机，特别是四旋翼机型的组装与搭建。但很多问题依然没有得到解答：这些理论在实际系统中是如何应用的？这些公式和实际无人机有着怎样的联系？这样搭建的系统为什么可以运行？为什么可以用这样的方式实现自动控制？等等。从某种意义上而言，对这些问题的忽视造成了理论与实际间的鸿沟。

在我眼中，无人机是一个由各种理论和硬件相互支撑的实际系统，在这个系统中看似枯燥的数学和物理知识发挥了实实在在的作用，而这些又与我们的生活紧密相连。为什么不写一本书和大家一起感受理论知识与工程实践的紧密联系，并把这种联系带入到我们对无人机或日常工作、生活的理解，以及学习、实践中呢？这正是本书创作的初衷。

希望本书能够帮助读者不只在无人机领域，而是在各行各业中建立起理论与实际系统关系的感触，并通过这种感触来弥合理论与实际间的鸿沟。

感谢读者们的支持与帮助，很多读者通过城堡的专栏和公众号、邮箱、微信等提出了宝贵的建议，从某种意义上来说，这本书是由热心读者与我共同完成的。感谢机械工业出版社丁诚编辑和其他工作人员的付出，本书选材、编辑、校对、印刷等所有环节中都留下了他们辛劳的痕迹。此外感谢远在美国，热爱工作和生活的鸭子哥-王言（知乎ID：grapeot），他常常利用业余时间游历北美名山大川，为本书封面中提供了高质量图片素材：DJI便携无人机Mavic平面图；樱花盛开的华盛顿大学全景航拍图。最后感谢一直在城堡背后默默付出的妻子，每一次因为工作而看着你睡去时，我心里都充满了愧疚。你的笑容与理解、包容、支持一直是我的不竭动力。作者

第一篇 热身

有时我们太急于获取眼前的收益，很容易甚至很愿意忽视一些从长远来讲更有价值的内容。相信各位读者在看到本书时一定带着热切的期盼想尽快走入无人机的世界，掌握各种技能，学习尽可能多的理论。然而本书将用整整一篇来回答下列问题：这是一本什么样的书？这一本书中有哪些内容？如何使用本书？无人机和我有什么关系？

读者可以跳过本篇，进入与无人机直接相关的章节开始阅读，然而作者还是建议大家读完本篇内容之后再进入后续章节。虽然这部分预备内容正如同运动前的热身活动一样，功能仅仅是提高效率，降低风险，但这已经足够重要了。

第一章 关于本书

1.1 一本不仅关于无人机的书

2012年城堡在美国端盘子，美国餐厅里的服务员是与餐桌挂钩的，菜鸟员工一般只负责一两张桌子，老员工或能力强的服务员会被指派负责更多的餐桌，负责餐桌的数量将直接决定收入的多少。因为美国服务员的收入中仅有一小部分来自于餐厅定期支付的时薪，绝大部分来自于顾客的小费。城堡对这份工作是有期盼的，去餐厅打工希望收入至少能抵消日常花费，最好可以有富余给家人和女友买些礼物，因此这份工作的目标从一开始就非常明确：钱。这必须通过负责更多的餐桌，调到更好的工作时间，接待更多的顾客才能实现。

然而城堡的第一份工作竟然是给老员工整理餐桌……这和增加收入没有任何直接关系啊！而且这份工作是如此枯燥乏味：收拾客户吃剩的盘子，擦桌子，摆配料，摆餐具……也许是看到我的工作状态不好，也许只是无意之中，一位同事——大卫，在休息时间走过来对我说：“Yorx（城堡的英文名），你知道这份工作对我而言，最大的吸引力在哪里么？”这个突如其来的问题让我有些不知所措“呃，收入？”“不，我最喜欢能够布置自己的餐桌，你看，虽然这个餐厅不是我的，但是有四张我专门负责的桌子，它们就是我的领地，我的地盘，我就是这四张桌子的……呃，老板（我怀疑他最初是想用‘国王’这个词），我能够把它们布置得很好，然后看着顾客开心地用餐，没有人能在这里对我指手画脚，就是经理也不能。”他说到这里时声音异常洪亮，经理办公室里的人一定听得清清楚楚，“当然，如果搞得不好，破产的也是我，但这正是最有趣的地方，不是吗？”。

大卫的一席话给我带来了很多思考，我开始关注对自己“领地”的照顾，开始注意不同文化的交流方式，开始了解美国餐厅的管理模式，开始与同事们一起出去聚会，享受生活。

我开始理解到同样的一件事情能够获得不同的收益，而这不同之处完全取决于我们对待它的态度，这样的观点让年轻时的我兴奋不已，似乎每一件小事都变为一座宝山，好的寻宝者总能获取更多的收获。

本书是一本关于无人机的书，但希望能够给大家带来的收获不仅仅停留在无人机的范畴，有多少读者的工作与无人机直接相关呢？有多少读者每天都在使用无人机呢？城堡相信不会很多。但是我们每天都会使用与无人机相关的各种知识：物理公式、数学公式、软件程序、算法实现、硬件系统设计等。这些抽象的内容在课本中让我们摸不到头脑，这些公式在实际产品中是如何使用的呢？这些算法对于机器人系统有什么重要作用呢？这些用数学符号拼凑起来的文字如何在工程中实现呢？现在我们有了一架看得见摸得着的无人机，在这个实际的系统中各种力与力矩的公式每时每刻都在发生作用，各种控制算法都通过程序写进了芯片中，并真实地控制着它进行定点飞行、轨迹跟踪、目标识别等等。这些有用的知识都将通过无人机呈现在我们的面前。

任何一个行业都在不断变化，无人机行业也是如此，新的硬件，新的技术，新的算法，新的实现方式，新的产品模式总会层出不穷，如果我们的收获仅仅停留在当下的无人机技术、产品、工程、算法中，这些知识在未来能有多大的效用呢？并非要否定这些知识的益处，如果我们不知道加减乘除也很难掌握微积分或拓扑学，但是很显然只掌握加减乘除对于学习微积分而言是远远不够的。因此本书将会涉及无人机的原理、技术、算法实现等内容，但更重要的是通过这些来收获更多有着长远价值的内容：如何去理解理论公式？如何在工程项目中使用理论公式？如何通过理论来理解实际系统（比如无人机系统）？如何建立自己的知识体系？如何判断技术的发展方向并做好准备？等等。这些收获并不会随着时间的变化而被淘汰，并能让我们不断改善自己的职业和生活。

1.2 内容的核心是问题

1.一个令人讨厌的名词：问题

轻松的事情与错误的事情不同，但有趣的是这两者在很多时候是相互吻合的，就好比更加困难的事情往往更有意义，很容易让人联想到尼古拉斯·凯奇著名电影“天气预报员”里的经典台词：“你知不知道：难做的事和应该做的事往往是同一件事？凡是有意义的事都不会容易。成年人的生活里没有容易二字。”

到底是提问题更难呢，还是解决问题更难呢？这可真是一个复杂的哲学问题，但事实上没有人能够解决所有的问题，任何一个老问题的处理都会带来更多的新问题，正如古希腊哲学家芝诺的名言“你知道的越多，你会发现自己不知道的更多”。我们与真理的距离就像圆周率后面不断出现的小数一样永远不能消失，但提问题，却能够让我们不断接近真理。“发现问题”是任何一个理工科工程师、研究人员、从业人员及在校学生必须重视的技能。缺乏“发现问题”的能力与欲望会在很大程度上限制我们事业的发展。试问如果“没有问题”，那为什么还要创新呢？为什么还要进步呢？为什么还要努力呢？如果我们诚实一些，就会发现这个世界上并不存在“完美”的产品、个人和技术，因此“没有问题”既是懒惰的，又是骄傲的，一个同时具备懒惰和骄傲的个体是无法取得进步的。“提问题”不是前进道路上的绊脚石，而是求索与进步的必经之路。

2.一道不为填饱肚子的菜肴

在城堡本人接受的教育历程中，老师的角色大多是答案的提供者。这和我们对于书籍的定义与期盼很类似，一本书应该是提供了满满的“答案”，最好能够覆盖很多在看之前都没有考虑过的问题，而且这些答案一定要新颖、简单、明快、直接、可操作性强。现在有了对这一类内容的统一称呼：“干货”。我们喜欢干货就如同我们喜欢快餐一样，吃下去就能填饱肚子，至于有多少最终被排出体外，有多少为身体提供营养？这是另一个问题，问题都是无聊的，还是填饱肚子最要紧。

如果将书看作一道菜肴，城堡看重的不在于能够让大家吃下多少东西来填饱肚子，而在于最终有多少能够被读者消化吸收，产生有益于成长的营养。“答案”的灌输能够提供满满的饱腹感，而“问题”提出与解答的整个流程更有助于大家对养分的吸收利用。因此本书在后面的所有内容中都会不断抛出问题，有些问题会在对应的章节中给出答案，有些问题需要读者慢慢思考。

希望我们能够在这个快节奏、快收益、快处理的时代中一起感受一下探索的自由和乐趣。

1.3 章节介绍

本书由三篇，共七章组成。

第一篇“热身”侧重挖掘本书对读者的价值。第一章的内容主要关于本书的写作目的，内容核心，内容介绍，使用建议等。第二章着重从职业属性层面构建无人机与读者的关系。

第二篇“认识无人机”从无人机发展历史和不同机型的实际系统出发，帮助大家从最直观的资料中培养对无人机的“感觉”。第三章从无人机历史和数据系统两个视角审视无人机。第四章从机身结构、动力与姿态控制等角度描述固定翼无人机、直升机型无人机、多旋翼无人机、涵道无人机、自转旋翼机等飞行器。

第三篇“了解无人机”结合实例与代码给出硬件系统和开发中使用的理论知识。第五章介绍了无人机系统中常见的硬件组成及各个部分的功能、参数等，并在最后一节结合前述内容给出了小型多旋翼无人机的基本设计流程。第六章介绍无人机系统涉及到的坐标系，姿态描述方法，数学模型，控制概念与控制算法的代码实现等。第七章把视角从无人机延伸至与读者工作、生活、学习相关的内容，其中既包括城堡的个人建议也涵盖对一些工具、资源的介绍。

1.4 如何使用本书

1.无处不在的问题

本书会在每部分内容的开头、中间、结尾提出数目不一的问题，建议读者在阅读过程中不断思考这些问题，结合书中的内容形成自己的观点，并通过对实际系统的观察、搭建等来体会解答的实现过程，不断丰富自己对无人机的感触，并形成属于自己的答案寻求模式。

2.讨论与交流

一本好书不应该在读完最后一页后戛然而止，欢迎各位读者在阅读过程中或完成阅读内容后与城堡分享心得，讨论问题，大家可以在知乎或城堡的微信公众号中通过私信或留言的方式将问题提供给城堡。事实上本书的很多内容都是与专栏或公众号读者讨论的结果。

城堡会将好的问题或讨论以具名方式通过专栏文章或者知乎Live与更多读者分享，甚至会写入到后续的新书中。传播知识与观点不是某一个人的专利，你、我、他，我们每一个人都有权利与责任让更多人接触到好的观点与想法。

第二章 我与无人机

对于想要考研的本科生而言，最先要面对的是选择自己心仪的学校，这正是六年前城堡不得不面对的难题。那一年正好是城堡与现在的妻子以男女朋友身份交往的第二年。彼时“研究生”对于自己而言意味着什么，其实心里并不清楚，甚至没有太当一回事，感谢四年的大学时光，让我能够一边嘴上说着“好伴侣比好大学重要”，一边偷懒地给自己铺垫一个借口留在本科学校继续研究生学习。这确实省却了很多麻烦，不用换学校，不用收拾杂物用具，不用离开舒适的环境。然而这一切都是要付出代价的，这种代价并不完全取决于学校的性质，而在于我没有认真地对待这个选择，没有思考能从中获取哪些收益。

在我们花费时间去了解无人机系统的相关知识前，不如先回答一下这个问题：无人机与我们有什么关系？或者换一个问法：“我们能够通过无人机获得些什么？”这个问题看上去似乎非常功利，为什么一开始就要谈“获利”呢？难道不能单纯为了“兴趣”“爱好”“梦想”走进无人机行业么？城堡在行业中的很多朋友，甚至城堡本人都非常喜欢无人机，觉得它很酷。但城堡也遇到很多人，将兴趣、爱好、梦想当作“廉价”的答案，用在任何地方，不愿意正视一个现实：这些美好的事物是与代价相关联的，可能是时间，也可能是金钱，也可能是漫长的努力与积累。渐渐地“兴趣”“爱好”“梦想”这类美好的词汇，成了逃避努力与无视付出的借口，因此它们的对象也总是从一个事物跳跃到另一个事物上，今天可能是无人机，明天可能是机器人，后天可能是游戏制作。

城堡想强调的是，任何事物都要有相应的付出才会有收获。不劳而获是不现实，也是不符合客观规律的，甚至导致我们的整个人生在不知不觉的慵懒里消散殆尽。

怎样才能够认真地对待付出呢？首先要从认真对待收益开始。清楚可以通过无人机获得些什么，既可以让我们更有效率地学习、应用相关知识，又可以不断激励我们进行有效的付出，让梦想不仅仅停留在绚丽的辞藻上。

2.1 无人机和哪些职业有关？

无人机可以介入到生活中的每个层面。我们可以在举家出游的过程中使用无人机拍摄留念，也可以在爱好者聚会时带上自己DIY的无人机系统与朋友们分享无人机知识，这些都是我们生活的一部分，然而更容易对我们产生持续激励的是每个人所从事的职业。

对于大多数人而言，工作会占用每天的大部分时间，同时它也是我们主要的收入来源。这意味着工作直接与两项重要资源相连：时间，收入。前者是我们在任何领域深入发展的必需要素，后者是对我们最直接的激励因素（是否是最大的激励可能因人而异）。从爱好出发能够DIY一架无人机，但与职业相连才能保证这架无人机不会积上厚厚的尘土变成我们浪费时间的铁证。爱好永远是最本质的冲动，但把爱好揉进职业发展中，才会时用时新。

无人机可以对很多职业产生帮助，当我们更深入的思考无人机与自己职业的关系后可以更有效的学习无人机相关知识，同时让自己的事业与先进的技术相联系。如果知识不能在工作中使用，它不会像无人机那样积上尘土，而是会直接从我们头脑中消失。

以下职业或身份的读者，都可以从无人机技术、理论、行业发展中受益：学生、机器人工程师、研究人员、创业者、行业应用者。

2.2 这些职业能从无人机获得什么？

1.学生

微积分、数学建模、解微分方程、力学定理、动量守恒、空气动力学、控制算法、图像算法等等。城堡相信很多读者可能在高中，大学或者其他阶段中接触过各种各样的理论知识，但那些知识的意义大概只在各种考试中才能得到体现，一旦交完考卷，难免萌生出“从此萧郎是路人”的感慨。既然不知道这些理论知识的意义在哪里，就更别提在工作或生活中使用它们了。长此以往，很有可能只形成了抽象、反感的印象，既无助于已有知识的记忆，也无助于未来知识的学习、掌握。最终把兴趣、爱好、快乐这些美好的词汇都驱赶到知识的对立面。

学生是一个可大可小的概念，在城堡眼中，不断学习专业领域或者新领域知识的人都可以算作该行业的学生。对于学生而言，最难的未必是“如何去获取知识”，而是“为什么需要这些知识”，获得某种学位或证书后带来的经济激励几乎成了当下社会唯一认可的学习动力，然而多少金钱能够填满心中的欲望呢？当我们通过努力学习获得期望的经济回报后，只会有另一座欲望的高山出现在面前，学习的满足？快乐？也许会出现在童话故事中吧。

为何不把那些数学、物理、控制等理论知识与能在天空中飞翔的智能空中机器人相联系呢？通过无人机来真正使用这些理论，看一看物理学和数学是如何与无人机姿态变化相关联的，深奥的控制算法是如何通过编程语言实现的，看似繁杂的机器人硬件有着什么样的数学本质呢？通过无人机，可以让这些知识不只停留在考卷中，更能够在读者的脑海中形成具体的感知，让理论显现出确实的价值和意义，如此一来还需要什么其他的刺激因素么？赶紧抱着被子去图书馆通宵达旦吧（此处只是一种形容，大家还是要注意身体啊），通过无人机你会发现那些枯燥的知识也是有生命力的。

2.工程师

这里提到的工程师，特别侧重但不限于无人机工程师或者电气、控制领域工程师。

工程师是解决实际项目的高手，对于他们而言，无人机能带来什么呢？无人机系统囊括了机器人领域常见的各种硬件、软件、算法技术，如直流电动机、舵机、电调、伺服电动机、嵌入式控制器、气压计、红外线、超声波、双目视觉设备等，对于任何弱电领域的工程师而言，无人机都是不可多得的实践平台。

无人机技术领域中的开源内容涵盖硬件、软件、算法等多个层面，这些已有的开源资料对于任何领域的工程师而言都是宝贵的工具与资源。而在面对这些开源资料时，如果具备基本的无人机知识则能有效提高工程师对它们的利用效率。同时在将这些开源内容应用在新的平台中或其他领域里时，具备无人机知识的工程师可以降低错误发生率。

工程师喜欢并且擅长解决实际问题，擅于从实际工程中积累经验。然而经验是“不确切”“不全面”的总结，经验性知识在一定时间范围和应用对象中确实很有“效率”，然而由于这种经验来自于已有现象或实际的实验活动，应用范围受当下的时空限制，简单来说，这些经验性知识不具备普遍性。20世纪之前工程师的经验可能在几十年甚至上百年内都是有效的，因为环境与承载经验的硬件、理论的变化速度没有那么快。然而当下信息时代的技术发展实在是太迅猛了，各种理论、硬件、系统的迭代速度远超以往。这意味着工程师积累经验的环境正被快速更新，工程师经验的不精确性与不全面性在面对高速变化中的环境时会显得力不从心。而物理、数学、控制学等相关内容的有效性、正确性、普遍性则可以有效弥补“经验知识”在这些方面的不足。事实上城堡在行业中遇到的优秀工程师无一例外地注重通过理论与实际经验的结合不断加深自己对行业、技术的预判与了解。可能没有人比优秀的工程师更了解形成快速、实用、精确的“感触”有多么重要了，而在无人机领域我们可以将实践与理论结合起来，用旋转定律分析姿态变化，用数学模型分析飞行现象，用控制算法解读程序代码，用理论与技术形成行业观点，感受理论与工程实践的配合，这样的能力可以用在任何专业技术领域之中。

3.研究人员

对于研究人员而言，找到合适的研究方向或研究对象是非常重要的，最好是交叉学科，因为这样研究的成果就可以应用在更多领域中。而无人机显然是非常值得关注的研究领域或研究平台，它本身就是一个多学科的成果，包含：数学、物理学、控制学、机械制造、电力电子、材料、动力学等等，甚至还包含地理学、建筑学这些与无人机技术无关的行业，都可以在无人机工具平台属性中获得研究的突破。

无人机系统涵盖大量硬件模块，这些硬件涉及众多应用领域，可以为研究者创造出各种实用工具，农业研究者？可以使用！地理测绘研究者？可以使用！安全领域研究者？可以使用！同时无人机系统的算法涉及范围也非常宽广，这两方面的结合使得无人机在交叉领域备受关注。但这些研究内容、工具平台实现是与无人机本身特点、结构、模型、算法、实践等息息相关的，如果研究人员想要在无人机方向上深入，就必须对无人机这个对象及其已有的分析方法具备较为丰富的理解。对于将无人机当作先进工具的研究者，无人机数据的分析也会有助于研究内容的快速推进。付出总是有的，但相比于丰厚的回报，就算不得什么了。

4.创业者

创业热潮几年前就已经出现，时至今日也没有一点衰减的迹象，甚至发展成全民创业的趋势。如果说无人机是当下智能硬件创业领域最为火热的行业，应该也并不为过。城堡每次参加行业活动，总能看到新的无人机创业公司。对于创业者而言懂得选择一个有前景的好行业是第一步。但后面还需要脚踏实地深入了解所在行业，这才是成败天平中决定胜负的砝码。

无人机行业是一个优秀的创业领域，但由于它优秀得这样明显也势必导致竞争的加剧。高收益往往与高风险相联系，对无人机领域的创业者而言，与其将精力放在如何提高收益上，不如押在如何规避风险上，优秀的行业本身已经足够带来可观的收益，但其中蕴含的种种风险却常被人们忽视。

任何技术都有它本身的发展规律，未来会有哪些技术应用在无人机领域中呢？无人机在应用行业中的角色定位是怎样的呢？在不断出现的新技术与不断开拓的新应用领域中如何进行选择呢？任何一个选择的背后都隐藏着时间、金钱、人力的投入，一旦方向出现偏差，想要纠正回来就变得非常棘手。尤其是对于智能硬件企业而言，新的系统、技术、产品要在趋势形成之前经历长时间的研发，一旦趋势与预判不吻合，之前的所有努力都会白费，比如无人机系统本身要服务于任务需求，如果任务判断错了，量身定制的系统也就没有价值了，如果要把这样定制的系统应用在其他领域，已经落后别人不说，还不得不付出更多的成本。

无人机行业的硬件范围，算法技术，应用领域都在不断加深，就算是无人机行业中从事专门技术研发工作的工程师或研究人员都不得不时刻面对各种新技术、新硬件、新算法、新应用领域。创业者未必要深入到某项技术或算法中去从专业角度研究无人机，但形成对无人机技术的理解、无人机系统概念的感触、无人机市场本质的把握等无疑是十分重要的。很难想象一个不了解无人机发展历史，系统构成，技术本质的CEO做出的预判能与实际趋势相吻合。就算小概率事件发生，幸运地走到了风口前，也只是进一步刺激了投机心理，为将来更大的失败埋下了伏笔。

5.行业应用者

无人机能够与各种行业人士产生紧密的联系，这里所说的行业应用者可以是职业航拍手，可以是精准农业专家，也可以是地理信息系统工程师等等。无人机之所以能与这些专业人士产生关联，主要原因有两点：①无人机平台的工具性；②无人机行业的发展前景。

无人机不只是为了满足爱好而产生，它是为了完成某些特定任务而设计的空中机器人。因此这些“特定任务”可能就会涉及到各位读者所在的领域。比如无人机被应用在安保、农业、测绘等行业时，这些领域的技术专家都可以结合无人机平台设计更加高效的任务方案，而这种趋势在很多领域都已展现出来。无人机可以作为执行平台来使用，但更多是被应用于数据获取领域，无人机作为传感器平台，可以在合适的高度中搭载相对廉价的传感器以及数据收发设备，高效率、低成本、高质量地实现各种数据采集，并将数据传输回地面设备。无人机所能够采集的数据量和数据质量是地面机器人难以比拟的，同时它的采集成本相对于卫星系统而言简直微不足道。如果作为某个领域中的专业人士，能够具备一定的无人机知识，无疑会非常有助于在所处领域中的职业发展。

无人机是一个朝阳产业，作为智能机器人的分支，具有非常广阔的应用前景。城堡已经见到很多朋友从其他行业转入无人机领域并做得风生水起，因此具备相关的无人机知识，未尝不是在一个有前景的行业为自己事业埋下伏笔的明智之举。

6.爱好者

对于真正的爱好者而言，无须增加额外动力，因为他们已经可以从喜欢的无人机中收获足够的快乐与满足感，被这些感受刺激而产生的多巴胺会驱使爱好者投入到无人机事业中来。在某种程度上，优秀的无人机从业者一定是无人机爱好者。如果前述职业的动力不包含爱好因素，那么在这个职业里待得越久可能收获的快乐反而更少。

然而城堡在这里要提醒爱好者的是，有时我们会过分专注于眼下的快乐与成果，竭尽全力从中获取快乐与满足，这本身并没有任何不好，只是如果爱好者能够从当下抽身出来，设计自己在喜爱领域中的前进与发展方向，无疑是对未来更多快乐的投资。我们可以因为爱好蓝天与无人机而进入某一个职业，也可以因为喜欢无人机中的某个元素，比如自动驾驶，跟随避障功能等等，这些都可以与我们的职业发展，知识体系构建产生直接关联。透过无人机，更加深入到技术与原理中，有可能挖掘出更多以前没有注意到的兴趣点，并将爱好变成每天的事业，很难想象出还有比这更幸福的事情了。

因此对于爱好者而言，良好的计划和知识储备可以让爱好者在无人机中挖掘出更多的快乐。

第二篇 认识无人机

对于博士学习而言，论文的阅读和撰写是必不可少的环节，还没有进入“正题”就要在前言部分尽可能多地罗列前人研究成果，分析它们解决了哪些问题，留下了哪些问题，又带来了哪些新问题，对这些成果进行归纳、比较、区分之后还要写出自己观点与上述内容的区别，解决了哪些问题，有什么独特性等等。

最初城堡对这些内容是非常头疼的，研究一个新的对象已经花去大量时间，还要“额外”应付这些“陈芝麻烂谷子”，实在是费力的事情。相比于花时间理清研究对象的整个理论历史，在某个方向上取得突破显得更有吸引力。因此，找到一两篇合适的论文，选择有“前景”的研究方向进行快速推进不是更好的选择么？城堡在一开始也是这么做的。

可随着研究的深入，不断产生新的问题，以至于计算、推导、分析了半天还要回到一些基本的问题上：这个算法有什么特点？它的本质是什么呢？它和控制对象之间的关系是如何产生的？相比于其他算法有什么优势和劣势？最终不得不在花费了大把时间后重新阅读基础文献，一步一步建立对控制对象和算法的认识与理解。

我们每一个人对某项事物的认识都会受到所处时代以及个人经历的限制，然而这些事物并非当下才出现的，它的最终形态也不会仅仅停留在我们现在看到的外形、系统等各种表现形式上，因此形成对某种事物的完整认识是要花费时间和精力的。对于无人机而言也是如此。

很多读者第一次接触无人机是2012年以后的事情，看到的产品往往是挂载着相机的多旋翼型无人机，应用场合一般是航拍领域，因此很容易形成“无人机等于多旋翼机”“无人机等于具备悬停功能的机器人”“相机、云台是无人机的必备有效负载”等等。但无人机本身有着漫长而丰富的发展历史，那些曾经出现过的“无人机产品”并不拘泥于我们眼下看到的形式，未来的无人机产品、技术发展也不会局限在现有的表现形式上。我们很看重对于未来的预测和判断，但容易忽视掉“历史”的重要性，一旦舍弃历史来分析与判断未来就会让整个判断的根基仅仅建立在当下的认知水平上，很难保证经得起时间的考验。

因此在本篇中，我们将通过两个章节，分别从无人机的历史与无人机的机型特点及控制方式出发，帮助读者构建从整体到飞行器个体的立体感知，请读者在阅读中特别思考以下问题：

a.具备自动驾驶功能的无人机是在哪些技术实现后出现的？

b.无人机曾经被用来做些什么？为什么在这种情况下使用无人机？

c.在我的使用中或者我看到的无人机应用场景里，用无人机完成了哪些任务？

d.在这些任务中无人机本质的作用是什么？

e.不同无人机机型在历史上的出现顺序是怎样的？为什么会有这样的顺序？

f.如果在我的工作或感兴趣的应用领域中使用无人机，应该如何选择合适的机型？

第三章 无人机的故事

20世纪90年代商务精英标配大哥大和BP机，千禧年后出现了“手机”这个词，功能上实现了大哥大与BP机的结合：Dial+Massage。之后手机的结构实现了从按键到键盘再到触屏的变化过程，现如今哪款手机没有操作系统，没有APP，没有网络功能都不敢加上“手机”二字。对于手机概念的理解不同，技术与产品方向也会不同。在看似明确的变化过程中已有无数企业灰飞烟灭。

无人机的书籍怎么插播了一段手机介绍？手机是大家很熟悉的电子消费品，但就是这么熟悉的电子产品于短短20年中，在功能、系统结构、硬件组成、使用方式等各个方面都发生了翻天覆地的变化。无人机不如手机普及，进入消费类电子产品领域的时间也远远短于手机。这就意味着无人机可能（一定！）会在功能、系统结构、硬件组成、使用方式等方面发生各种变化。因此对于无人机知识的学习，行业的理解，市场的掌控都必然面临非常大的时间局限性。这意味着我们很难通过已有的技术、产品、系统来把握无人机的本质，我们在当下获取的一切知识都可能在未来变得面目全非甚至被完全推翻。

因此形成对无人机系统、历史、硬件、技术、应用领域等领域的了解非常重要。“存在必合理”，从已有的无人机发展过程来探寻无人机系统发展的客观规律，并形成自己对于无人机系统的感触，再将这种感触建立在后续的各种技术、硬件、算法之上，才能对未来的发展形成正确合理的判断。

3.1 什么是无人机

那么图3.2中的飞行器是不是无人机呢？图3.2 这是一张非常有名的图片，它是第二次世界大战V1导弹的剖视图。从中我们可以体会到不同定义之间的边界有时是非常模糊的（图片来源：美国空军）

看样子很像固定翼飞机？实际上它是二战时期大名鼎鼎的德国V1导弹。那么这样子的导弹是否算作无人机呢？

中文“无人机”一词译自英文词汇“UAV（Unmanned Aerial Vehicles）”，按照该词，无人机可以理解为：无人驾驶空中飞行器。这里的“无人驾驶”并不是指完全没有人为操控或监控，无论UAV能够飞行多远还是需要在操作者的监控与远程控制范围下。因此“无人驾驶”更多是指无须在飞行器上配备驾驶人员就可以实现远程或自动、自主控制。大家经常会看到另外一个描述无人机的英文词汇：“Drone”，该词汇在英文中用于表现“雄性蜜蜂（male honey bees）”飞行的嗡嗡声，最终演变为特指雄性蜜蜂的专用名称，并以此代指无人机突出其远程控制的特点。（请思考问题：在你眼中无人机应该如何定义？你为什么这样定义无人机？）

这下我们可以对无人机进行较为明确的理解了：无人机（UAV、Drone）是一种通过远程指令控制实现无人驾驶的空中飞行器。（请思考问题：人在无人机系统中的位置应该是怎样的？）

3.2 无人机的昨天

虽然作为大众电子消费品的无人机出现时间很短，但关于它的故事可是有些年头了。图3.3 二战时期日本战犯荒川秀俊设计的气球炸弹（图片来源：维基百科）

无人机很早就开始了自己的军旅生活，并在其中渡过了自己的大部分时光。1849年奥地利人用气球炸弹袭击过威尼斯，只是这种气球炸弹由于不能远程控制也无法实现真正意义上的“驾驶”，只能算作无人机的年轻小表弟，但空中无人设备（奇怪的名字）自此已经开始出现在实际应用中。图3.4 作为第一架无人驾驶固定翼飞行器，Aerodrome几乎出现在所有论述无人机的资料中。该图为原飞行器1∶4比例模型，拍摄于1903年8月8日（图片来源：维基百科）

1896年5月6日塞缪尔·皮尔庞特·兰利（Samuel Pierpont Langley）在华盛顿附近的波托马克河上采用弹射系统进行了自己设计的“Aerodrome”（没错，是“drome”）飞机模型试飞。虽然它也无法进行“无人机飞行控制”，但相比于气球小表弟而言更加接近现代固定翼无人机的气动外形，而且它所采用的弹射系统也成为当今固定翼无人机的主要起飞方式之一。图3.5 特斯拉对时代的超越性在自动控制领域也有展现，上为Te-leautomaton（图片来源：维基百科）

1898年，“了不起的特斯拉”（Nikola Tesla）在一艘名为“Teleautomaton”的船上实现了无线电远程控制（Remote Control）。而当时人们以为特斯拉是通过猴子或者心灵感应来操控小船。虽然无线电远程控制被用在飞行器上还要等到1917年的“拉什顿·普罗科特”出现，但无论如何，远程控制至此终于从“心灵感应”与“猴子控制”变为了技术现实。

19世纪末期，人类已经掌握了无人机所需要的固定翼外形、起飞弹射系统、远程控制技术，只差空中自动驾驶系统了。这时，值得我们记住的一对美国父子出现了：老斯佩里（Elmer Ambrose Sperry）和小斯佩里（Lawrence Burst Sperry）。1909年，老斯佩里成功研发了飞行器陀螺仪，小斯佩里随后使用陀螺仪设计了第一台自动驾驶仪并于1914年实现飞行验证。父子斯佩里在无人机的发展中占有举足轻重的地位，因为正是他们第一次实现了真正意义上的无人机控制系统反馈环节。他们所献出的不仅是自己的辛劳，小斯佩里在1923年底，横渡英吉利海峡的飞行过程中遇难。（请思考问题：为什么自动驾驶需要这些设备？这些设备的原理与哪些物理知识相关？）

至此无人机所需要的所有技术组成部分都已完成（请读者特别从历史中注意无人机系统实现过程中的技术构成要素积累）。“万事俱备只欠战争”，“还好”人类好斗的本性不会让无人机等得太久。图3.6 老斯佩里（图片来源：Popular Science Magazine，jun.1920）

在第一次世界大战中，美国于1918年成功研发了“凯特琳虫”（Kettering Bug）双翼无人飞行器。大家可别以为它真是个“小虫”，它由前文提到的老斯佩里设计，翼展4米，可携带85千克左右的炸药，自动导航飞行距离达64～120千米。其系统结构设计中，通过陀螺仪和膜盒式气压表调整姿态与高度。可是这么远的距离，没有卫星系统如何实现远程定位和投弹操作呢？老斯佩里早为大家想好了，技术人员需要根据目标距离设置发动机转数，然后如果能够顺利飞过去，当达到发动机转数后就会坠落式投弹。听上去是不是很“脑洞大开”？确实，当时美军参谋认为这个小虫子给己方部队及盟友造成的威胁不亚于对敌军的威胁，因此只生产了45架且从未投入实战。（请思考问题：如果你是凯特琳虫的工程师，整个设计流程应该怎样实现？）图3.7 凯特琳虫原型机（图片来源：美国空军博物馆）图3.8 新西兰皇家空军的虎蛾双翼飞机，将老旧飞机改装为靶机可以看做对产品价值的深度挖掘，其中的技术条件与思维条件都很重要（图片来源：新西兰国家图书馆）

1918年11月11日第一次世界大战结束，虽然由于自动驾驶技术还处于初级阶段，无人机并没有在一战中发挥直接作用，但它的价值已经引起了军方人员的注意。在第二次世界大战前，随着无线电射频发射技术的进步，采用无线电遥控操作的靶机被大量生产，一战与二战之间生产的靶机有12000多架，其中比较有名的如英国将老旧的“虎蛾（Tiger Moth）”双翼飞机改造为“女王蜂（Queen Bee）”靶机，着实省去了很多维护成本。图3.9 战绩颇丰的FritzX炸弹与其击沉罗马号的瞬间（图片来源：维基百科）

在第二次世界大战中，无人机开始真正投入战场。在无人机的军事应用方面，纳粹德国有着相当建树，如1943年7月击沉罗马号战列舰的无线电遥控炸弹“弗里茨X（FritzX）”，还有大名鼎鼎的V1导弹，翼展6米，长约7.9米，能够携带850千克炸药以600千米/小时飞行200千米，以及后来性能更加“卓越”的V2导弹。图3.10 携带空投鱼雷的洲际TDR-1攻击无人机，它的图像反馈系统体现了工程实现的灵活性（图片来源：美国海军）

盟军在无人机领域也有探索，比如著名的TDR-1攻击型无人机，该无人机由“洲际”飞机改装而成，需要一架护卫机跟随实现远程控制。护卫机中的控制人员通过TDR-1上所搭电视摄像机传回的图像进行操作。美国的“阿佛洛狄特计划”中，将B-17轰炸机改装为无人机，采用类似的控制方式对纳粹德国V1发射架进行打击。然而该无人机需要飞行员登上飞机，在飞行中完成炸弹设置工作后跳伞离开，这样的操作模式对于飞行员有着一定的危险性，肯尼迪家族长子约瑟夫·肯尼迪就在1944年执行任务时遇难。无人机此时实现了通过反馈更多类型的数据信息实现远程控制。（请思考问题：到现在为止，无人机可以通过设备反馈哪些类型的数据？这些数据有什么作用？）

第二次世界大战结束后，随着冷战的开启，及众多局部战争的需求，无人机在靶机，侦察机等领域继续发挥着重要作用。如冷战时期通过“战术无人机（无人侦察机）”带回前方照片，协助情报搜集或炮兵定位，比较有名的如美国特里达因·瑞安飞机公司生产的147BQM-34或称“萤火虫”无人侦察机，“火蜂”系列靶机；法国的CT-10、CT-20、R20小型战术无人机等等。图3.11 两幅图中的无人机都是火蜂无人靶机，左边是BQM-34F型陆地起飞的图片，右边为挂载于洛克希德DC-130飞机的BQM-34S型，它们可以从机翼“发射”出去。这两幅图展示了无人机设计的灵活性（图片来源：美国海军）

这个是时期也不只是固定翼无人机一种，随着军队需求的推进，无人机机型也开始发生变化。如20世纪80年代，美国海军陆战队需要空中远程遥控装置（AROD）实现空中侦察和监视。桑迪亚国家实验室按要求开发出具备VTOL（垂直起降）能力的首款涵道飞行器，该项目受限于当时的飞行控制技术，于20世纪90年代终止，但这个项目最终演变为我们日后见到的涵道类无人机，比如霍尼韦尔公司的RQ-16。图3.12 飞行中的全球鹰无人机（图片来源：NASA）

2001年“911事件”之后，美国进入反恐战争时期，此时无人机从战术侦察，诱饵迷惑等辅助任务向目标斩首等“侦打一体化”系统转变，比较有名的如安装美国通用原子公司MALE（Me-dium Altitude Long Endurance）无人机系统的“掠食者”无人机以及与其相对的HALE（High Alti-tude Long Term Endurance）无人机系统如诺斯罗普·格鲁曼公司的RQ-4“全球鹰”无人机。

在21世纪，随着MEMS（微机电系统）技术的发展，便携式无人机开始出现在人们的视野中，毫米级别的气压计、加速度计、控制芯片为无人机小型化提供了前提条件。与动辄几米长的大型无人机相比，这些小玩意更加容易隐蔽与携带。这类产品比较著名的如美国天空环境公司研发的RQ-11“渡鸦”小型固定翼无人机，翼展只有不到1.5米，飞行范围10千米以内，重量在2千克左右，并且无须弹射。图3.13 军事行动中的RQ-11渡鸦无人机，从图中我们可以看到该无人机执行任务时需要携带的配件种类与数量（图片来源：美国空军）

电子器件成本的降低与硬件功能的提升，使得诸如Ardupilot这样的开源项目能够出现并在互联网上快速传播，这令无人机走进了更多人的生活。无人机的技术、算法不再停留于公司、实验室或少数科研人员手里，而是能够接触到众多的爱好者、工作者和创业者。在这些开放的软件、硬件资料中，无人机行业内外人士都可以上传、下载相关代码、硬件电路设计图等内容，参与的便捷性使无人机在自动驾驶技术上取得了快速发展，也形成了众多开源飞行控制方案，如MWC、APM、Ardupilot、Pixhawk等等。这种开放的精神让无数有需求的人受益，无人机很有可能是第一个实现真正意义上大规模开源的智能硬件行业。（请思考问题：为什么采用开源模式？你知道哪些国产开源飞控？）

3.3 数据视角理解当下的无人机

无人机可以归入智能空中机器人系统，设计要根据任务需求进行。但不同行业对于无人机系统的要求在结构设计、硬件系统组成、控制算法设计与功能设计、动力结构设计等方面各不相同。因此从无人机的视角去感触无人机本身是很有难度的，比如在航拍与精准农业中对无人机的使用需求在硬件系统、算法实现上完全不同。如何在不同行业中把握无人机本质的内涵和属性，这是对无人机形成有效理解的核心内容之一。

请和城堡一同脑洞大开，想象如下场景：在你眼前有一架小型无人机，外形炫酷，设计新颖，可实现快速飞行中的精准避障，续航时间超过24小时，口袋尺寸便于携带，定位与姿态控制完全支持在一枚硬币上进行垂直起降，除此之外还能完成各种智能飞行任务……但是，没有摄像头，没有激光扫描设备，换句话说，无人机采集的全部数据只能用于无人机自身飞行控制，不会有任何数据传回。

当然，上面的场景仅是假设，如果在市场上或者某个极客手里有一架这么棒的无人机，马上就会被各种商家用来搭载各种设备，想方设法传回各种数据，这又进一步论证了我们马上要揭示的观点：无人机的价值可以通过无人机本身体现（如作为执行器或运载平台），但它的主要价值（尤其对于当下火爆的消费级无人机产品而言）是通过数据体现的。图3.14 无人机技术发展的三个阶段。无人机技术及发展在各个方面都具有很强的灵活性，读者无须强记某些内容，但可以结合这些内容形成自己的理解

无人机技术发展过程可以粗略地分为三个阶段。第一个阶段通过陀螺仪、加速度计、气压计、强磁计等硬件反馈无人机内环状态，从而实现对无人机本身姿态的有效控制。随着硬件（主要是传感器及控制芯片）技术的发展，硬件模块性能的提高，成本的降低等，无人机控制系统涵盖的硬件范围不断外扩，在加入GPS模块后无人机可以反馈回外环的位置和速度等状态信息，实现自动导航等飞行任务。在第三个阶段无人机通过红外，超声波等硬件结合原有硬件系统进行数据融合实现无人机与周围环境的相对状态信息反馈与控制。现阶段或正在发展的阶段（局限在消费产品领域，很多硬件已经在实验室中存在很久了）是无人机通过更多传感器如双目摄像头，单目系统等反馈回更多类型的数据，使得无人机可以通过更多方式与周围的环境进行互动，为无人机编队，智能控制等提供数据支持。（请思考问题：上一节历史上的无人机都处在哪些阶段中？）

上面的视角将无人机技术全部集中在“无人机”这个对象上，“无人机技术不针对无人机还针对谁呢？”，但正如前面举出的例子，大多数的任务需求却不止是为了控制好无人机，而是要实现应用行业的真正“价值”。（请思考问题：在你的职业领域中，核心价值是什么？）

无人机应用在航拍或者军事侦察领域中，是通过其携带的对应硬件如摄像头，照相机等传回的各种数据来实现任务价值的。这样的例子非常多，如测绘领域，消防安保等等，从这些行业需求的实现过程中可以看出，任务的核心不是针对无人机本身，而是通过无人机的平台作用，搭载着各种任务需求的硬件获取数据。试想一下，我们可以采用相同的无人机设计，却可以选择搭载相机或者烟雾探测器来用于航拍与消防两个完全不同的应用领域。因此有观点将无人机看作硬件传感器平台，通过搭载不同的硬件来实现任务需求。

这样的观点把我们带进了无人机系统的视角，无人机作为平台与所搭载的硬件构成了一个系统，无人机提供各个硬件进行数据采集的环境，并通过自动飞行功能保证高效、高质量、低成本的实现相应的数据采集。同时采集回来的数据可以被传回使用，也可以提供给无人机平台进行飞行控制。

然而这样的系统构建依然是以无人机为核心进行的，可是真正起决定作用的是行业任务的需求，无论是在航拍还是消防数据探测还是安保应用中，承载任务价值的都是采集到的数据，即便是在无人机当作执行器的任务如植保农药喷洒，数据也是无人机能够智能完成任务的决定性因素。

从数据的角度构建整个无人机系统会给无人机设计带来什么样的颠覆呢？这样的视角将无人机系统提升到了数据系统的高度，在更高的层面上考量系统架构、系统组成、算法设计等各个部分。图3.15 数据系统各部分对应硬件、技术举例

当我们把无人机纳入到数据系统的范围内，可以发现无人机只在前端出现，通过无人机平台实现数据的采集，这意味着整个系统的范围从数据采集一个方面延伸到数据传递、数据处理、新数据的生成与分析等多个方面。这样的系统架构使得整个系统的设计重点更加明确。

如此一来会不会造成对无人机本身的忽视呢？这个问题可以从两个方面回答：一方面通过数据系统，无人机的价值得到了更好的体现。无人机通过数据这个核心内容可以介入到成百上千的行业中，如精准农业、地理测绘、建筑行业、医疗卫生、消防安保等。未必在每个行业中都需要一个智能执行器，但任何行业都需要大量、高效的数据采集，而无人机让这一切变为可能，从而实现了无人机价值的飞跃。另一方面这样的系统架构能够实现设计过程中无人机技术与行业技术的解耦，将无人机技术从行业技术中剥离开。这样的结果一来在本质上实现了无人机技术的再次专业分工，让不同的技术团队更有效率地专注在独立研发领域中。同时，这样的剥离有助于创业公司形成对无人机行业的深刻理解，从而更好地实现企业定位，挖掘创新资源。很多无人机创业公司一上来就要做整机研发，看上去好像很光鲜靓丽，但实质上却增加了风险，降低了有效收益是很不明智的。对无人机行业技术的“解耦”，可以让创业者挖掘出更多的商业模式，技术创新机遇。解释行业现象

如果将无人机看作整个系统的核心，就很难解释行业中出现的一些有趣现象。Intel和腾讯这类几年前毫无兴趣生产自己无人机产品的企业，却分别推出了与自己相关的无人机产品：“Typhoon H”与“影”。

如果说小米这样多硬件领域布局企业进入无人机市场大家已经见怪不怪，对于腾讯而言（腾讯对于硬件的涉足实在屈指可数），与无人机厂商合作发布自己的产品有什么用意呢？另外一些互联网巨头，虽然还没有推出自己的无人机产品，却已经与无人机行业产生过不少互动，比如Facebook、谷歌等。还有很多其他领域中的巨头如亚马逊、京东等也早已布局无人机行业。

如果将无人机系统仅仅围绕着无人机本身这样一个空中智能机器人来建立，就很难解释上述行业现象。换一个角度，从数据系统的视角来看，一切就会显得非常清晰。Intel可以通过无人机构建一个以Real Sense Tec或其他技术为核心的一体化系统。腾讯与Facebook通过无人机可以从更多场合获取图片数据、影像数据，并快速转化为社交数据。这样重新理解行业行为对于企业和创业者的行业预判有着非常大的助益。

带来更多机会图3.16 无人机的部件、配件非常多，每一个环节都存在风险、成本与机遇

将无人机作为核心来看待无人机行业，对于企业或创业者而言，重心会更多地集中在生产出好的无人机产品上。然而无人机产业链很长，一款无人机产品涉及到的硬件非常多，一个被消费者接受的无人机产品对于整机质量，性能稳定等有着很高的要求（这也是众多无人机众筹项目频频拖延或失败的重要原因）。而在当下的市场环境中如果想推出一款明星产品，集聚技术的广度与深度并兼具稳定性等是非常困难的。这都会转化为高成本——时间成本，经济成本，信誉成本，管理成本，人力成本……其中任何一项单独拿出来都可以拖垮一个初创企业，本来具备的某一突出技术优势却被各种成本拉低，即使是实力强大的企业或团队也只能面对被淘汰的残酷现实。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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