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這兩年，在綠草如茵的公園里經(jīng)常會出現(xiàn)一些“科學(xué)怪人”，他們手握遙控器，草坪上空的四旋翼忽高忽低，專心調(diào)試樂此不疲。甚至，這個(gè)年輕的隊(duì)伍中也不乏一些白發(fā)蒼蒼的老人…
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聽說，2014年年美國銷售最火爆的圣誕禮物之一是無人機(jī)：50美元可買到一架裝有攝像機(jī)的微型四軸飛行器，能完美的拍攝自家花園的鳥瞰圖；700美元可買到一架裝有陀螺穩(wěn)定攝像機(jī)的無人機(jī)，還配有腕帶式追蹤器，當(dāng)你滑雪，騎自行車，或風(fēng)箏沖浪時(shí)可以用它來自拍。
那么問題來了，四旋翼（四軸飛行器、無人機(jī)）究竟有什么魅力？
無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，英文縮寫為UAV（Unmanned Aerial Vehicle或Drone），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。
近兩年，由于四軸飛行器的穩(wěn)定性好、門檻低、操作簡單以及可應(yīng)用于航拍、表演、載重等應(yīng)用中，成為了天空中的一大神器。最重要的是，無人機(jī)可能使所有的商業(yè)領(lǐng)域發(fā)生變革。
因?yàn)闊o人機(jī)不需要飛行員在機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行駕駛，飛行全過程在電子設(shè)備的控制下自動完成。無人機(jī)上不用安裝任何與飛行員有關(guān)的設(shè)備，這樣可以騰出空間和重量裝更重要的設(shè)備。另外，使用無人機(jī)不用擔(dān)心飛行員傷亡的問題。
整片天空，都被你“承包”了
目前，全球約有4.8萬架無人機(jī)。有人斷言，無人機(jī)將在未來20年至50年主宰人類天空。
下面，我們先來暢想一下?lián)碛袩o人機(jī)的生活會是怎樣的：
在藍(lán)天的見證下，用一臺四軸飛行器，向心愛的女友求婚；
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在大海的見證下，用一臺無人直升機(jī)，完成婚紗照和航拍錄影；
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清晨，四旋翼飛行器陪你一起健身；
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傍晚，把老家?guī)Щ氐牟枞~蛋捎給隔壁老王。
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庖丁解“機(jī)”：無人機(jī)里面的那些高科技
按技術(shù)實(shí)現(xiàn)類型來定義，無人機(jī)主要分為無人直升機(jī)、無人固定翼機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)等，而四旋翼飛行器是無人機(jī)的其中一種。
無人機(jī)最初被應(yīng)用于軍事用途，能走入平民生活主要得益于商用電子元件的成本下降。智能手機(jī)里的許多裝置都能用于無人機(jī)，包括陀螺儀，加速度計(jì)，無線收發(fā)器，信號處理器，及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
無人機(jī)可被直接用于測繪土地，成本低效率高。無人機(jī)拍攝公路的分辨率可達(dá)到2厘米，而衛(wèi)星只能達(dá)到30厘米，而且成本比衛(wèi)星低三分之一。農(nóng)民開始用無人機(jī)監(jiān)測莊稼生長狀況，然后利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械施放適量、適合種類的化肥。在法國，這種技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，農(nóng)民使用無人機(jī)能使每公頃的收益提高50歐元 （62美元）。無人機(jī)還能改善安全性：它們可被用于執(zhí)行各種任務(wù)，比如檢查輸電線，目前仍需直升機(jī)通過繩索把人懸在空中檢查。利用無人機(jī)送貨更快：敦豪快 遞公司（DHL）正在使用“parcelcopter”無人機(jī)將藥品送往德國沿海的尤伊斯特島。
四軸飛行器，又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機(jī)，簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個(gè)螺旋槳都是電機(jī)直連的簡單機(jī)構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。 因?yàn)樗逃械膹?fù)雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。
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如圖所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。
四軸飛行器是一個(gè)在空間具有6個(gè)活動自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），但是只有4個(gè)控制自由度（四個(gè)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱為欠驅(qū)動系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動自由度的時(shí)候才是完整驅(qū)動系統(tǒng)）。不過對于姿態(tài)控制本身（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動作），它確實(shí)是完整驅(qū)動的。
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與直升機(jī)相比，四軸飛行器可以實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，不過基本的前進(jìn)、后退、平移等狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)。但是四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比直升機(jī)簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓四軸飛行器有了比直升機(jī)更大的應(yīng)用優(yōu)勢。
近年來得益于微機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。國際上比較知名的四軸飛行器公司有中國大疆創(chuàng)新公司、法國Parrot公司、德國AscTec公司和美國3D Robotics公司。
商用無人機(jī)，快遞哥還是間諜帝？
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最近，亞馬遜跟美國聯(lián)邦航空局（FAA）較上勁了。原因是亞馬遜的Prime Air項(xiàng)目，目前無法得到美國聯(lián)邦航空局的許可。不過顯然，亞馬遜已經(jīng)有些急不可耐，。據(jù)說，亞馬遜相關(guān)團(tuán)隊(duì)還聲明，如果美國仍不批準(zhǔn)，那么他們就將研發(fā)團(tuán)隊(duì)和相關(guān)資源遷出美國。目前亞馬遜官網(wǎng)說，只要2015年批準(zhǔn)一下來，無人機(jī)項(xiàng)目便可投入使用。
Prime Air項(xiàng)目的無人送貨機(jī)，使用GPS導(dǎo)航，只要包裹重量在5磅之內(nèi)（不過已經(jīng)涵蓋了86%的訂單），且目的地距離亞馬遜的物流中心不超過10公里，則物品 將在下訂單后半個(gè)小時(shí)之內(nèi)，由圖中這個(gè)小家伙送到用戶手中。不過該服務(wù)是否會產(chǎn)生額外收費(fèi)，目前仍未知。
此外，無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)高分辨率影像的采集，在彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像缺點(diǎn)的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期過長，應(yīng)急不及時(shí)等問題。
最初的一代主要以偵察機(jī)為大宗，一些無人機(jī)已經(jīng)裝備了武器（例如RQ-1捕食者裝備AGM-114地獄火空對地導(dǎo)彈）。由無人機(jī)擔(dān)任更多角色的軍事預(yù)想，最初是轟炸和對地攻擊，空對空戰(zhàn)斗，飛行員最后一塊領(lǐng)域。裝備有武器的無人機(jī)被稱為無人戰(zhàn)斗機(jī)飛機(jī)（UCAV）。
新一代的無人機(jī)能從多種平臺上發(fā)射和回收，例如從地面車輛、艦船、航空器、亞軌道飛行器和衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)射和回收。地面操縱員可以通過計(jì)算機(jī)檢驗(yàn)它的程序并根據(jù)需要改變無人機(jī)的航向。而其他一些更先進(jìn)的技術(shù)裝備、如高級竊聽裝置、穿透樹葉的雷達(dá)、提供化學(xué)能力的微型分光計(jì)設(shè)備等，也將被安裝到無人機(jī)上。
看來，如果不和政府搞好關(guān)系，亞馬遜被扣上個(gè)“無人機(jī)間諜”的帽子還是分分鐘的事……
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巨大的商業(yè)潛力下， 被權(quán)力“銬牢”的無人機(jī)
但是，無人機(jī)的潛力有賴于管理。這是因?yàn)闊o人機(jī)可能帶來危險(xiǎn)，航空公司飛行員緊張的報(bào)告無人機(jī)正在飛近他們，這樣的事件越來越多。政府需要為無人機(jī)的使用制定法規(guī)，各國對待商用無人機(jī)的方式也會有所差別。目前，美國聯(lián)邦航空總署（FAA）禁止一切商用無人機(jī)的使用。
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不過，這種局面將很快改變，美國國會命令該機(jī)構(gòu)在2015年9月30日出臺針對商用無人機(jī)飛行的管理?xiàng)l例。但未來幾周即將出臺的草案建議可能顯示，美國聯(lián)邦航空總署會繼續(xù)堅(jiān)持限制態(tài)度，要求無人機(jī)操作者擁有有人飛機(jī)的駕駛經(jīng)驗(yàn)，并一直讓無人機(jī)保持在視線之內(nèi)。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)人士懷疑這是管制俘獲，即美國聯(lián)邦航空總署在為飛行員游說。
美國聯(lián)邦航空總署的態(tài)度正在損害美國的無人機(jī)產(chǎn)業(yè)。企業(yè)正在把無人機(jī)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到其他國家。亞馬遜在加拿大測試了無人機(jī)送貨服務(wù)，谷歌在澳大利亞試驗(yàn)了機(jī)器人飛機(jī)。過分的保護(hù)性管制也降低了空中安全性，人們對現(xiàn)有禁令普遍視而不見，新法規(guī)可能也將面臨同等命運(yùn)。未來將出現(xiàn)未經(jīng)許可的飛行，來路不明的飛行器，以及沒有參加保險(xiǎn)的操作者。
與所有顛覆性技術(shù)一樣，商用無人機(jī)將會損害已有行業(yè)。隨著越來越多的農(nóng)民和物流公司使用無人機(jī)，而不再租用直升機(jī)或飛機(jī)，這會導(dǎo)致部分飛行員失業(yè)?，F(xiàn)在反對無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的聲音是可以理解的，但相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)站在更加客觀的角度，解放商用無人機(jī)。
無人機(jī)的歷史
20世紀(jì)20年代最早出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)是作為訓(xùn)練用的靶機(jī)使用的。是一個(gè)許多國家用于描述最新一代無人駕駛飛機(jī)的術(shù)語。從字面上講，這個(gè)術(shù)語可以描述從風(fēng)箏，無線電遙控飛機(jī)，到V-1飛彈從發(fā)展來的巡航導(dǎo)彈，但是在軍方的術(shù)語中僅限于可重復(fù)使用的比空氣重的飛行器。
20世紀(jì)40年代，二戰(zhàn)中無人靶機(jī)用于訓(xùn)練防空炮手。
1945年，第二次世界大戰(zhàn)之後將多於或者是退役的飛機(jī)改裝成為特殊研究或者是靶機(jī)，成為近代無人機(jī)使用趨勢的先河。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)在擔(dān)任偵查任務(wù)的角色上開始展露他的彈性與重要性。
20世紀(jì)55年到74年的越南戰(zhàn)爭，海灣戰(zhàn)爭乃至北約空襲南斯拉夫的過程中，無人機(jī)都被頻繁地用于執(zhí)行軍事任務(wù)。
1982年以色列航空工業(yè)公司(IAI)首創(chuàng)以無人機(jī)擔(dān)任其他角色的軍事任務(wù)。在加利利和平行動（黎巴嫩戰(zhàn)爭）時(shí)期，偵察者無人機(jī)無人機(jī)系統(tǒng)曾經(jīng)在以色列陸軍和以色列空軍的服役中擔(dān)任重要戰(zhàn)斗角色。以色列國防軍主要用無人機(jī)進(jìn)行偵察兵，情報(bào)收集，跟蹤和通訊。
1991年的沙漠風(fēng)暴作戰(zhàn)當(dāng)中，美軍曾經(jīng)發(fā)射專門設(shè)計(jì)欺騙雷達(dá)系統(tǒng)的小型無人機(jī)作為誘餌，這種誘餌也成為其他國家效彷的對象。
1996年3月，美國國家航空航天局研制出兩架試驗(yàn)機(jī)：X－36試驗(yàn)型無尾無人戰(zhàn)斗機(jī)。該機(jī)長5.7米，重88公 斤，其大小相當(dāng)于普通戰(zhàn)斗機(jī)的28%。該機(jī)使用的分列式副翼和轉(zhuǎn)向推力系統(tǒng)比常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)更具有靈活性。水平垂直的機(jī)尾既減輕了重量和拉力，也縮小了雷達(dá)反 射截面。無人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)將執(zhí)行的理想任務(wù)是壓制敵防空、遮斷、戰(zhàn)斗損失評估、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御以及超高空攻擊，特別適合在政治敏感區(qū)執(zhí)行任務(wù)。
20世紀(jì)晚期之前，他們不過是比全尺寸的遙控飛機(jī)小一些而已。美國軍方在這類飛行器上的興趣不斷增長，因?yàn)樗麄兲峁┝顺杀镜土?，極富任務(wù)彈性的戰(zhàn)斗機(jī)器，這些戰(zhàn)斗機(jī)器可以被使用而不存在機(jī)組人員死亡的風(fēng)險(xiǎn)。
20世紀(jì)90年代，海灣戰(zhàn)爭后，無人機(jī)開始飛速發(fā)展和廣泛運(yùn)用。美國軍隊(duì)曾經(jīng)購買和自制先鋒無人機(jī)在對伊拉克的第二次和第三次海灣戰(zhàn)爭中作為可靠的系統(tǒng)。
20世紀(jì)90年代后，西方國家充分認(rèn)識到無人機(jī)在戰(zhàn)爭中的作用，競相把高新技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)的研制與發(fā)展上：新翼型和輕型材料大大增加了無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間；采用先進(jìn)的信號處理與通信技術(shù)提高了無人機(jī)的圖像傳遞速度和數(shù)字化傳輸速度；先進(jìn)的自動駕駛儀使無人機(jī)不再需要陸基電視屏幕領(lǐng)航，而是按程序飛往盤旋點(diǎn)，改變高度和飛往下一個(gè)目標(biāo)。
聊了這么多，土撥鼠君已砰然心動，準(zhǔn)備今年任性一次，入手一臺“小無人機(jī)”玩玩。各位工程師朋友，你嘞？被無人機(jī)“騷擾”的未來生活，你準(zhǔn)備好了嗎？
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第005期：盤點(diǎn)2014巴西世界杯的科技“絕殺”
第004期：國產(chǎn)大飛機(jī)的夢想和現(xiàn)實(shí)
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