1.1　無人機的起源和發展

無人駕駛飛機簡稱無人機，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操控的不載人飛行器。無人機發展的初期純粹是為了滿足軍事需求的，一戰時期英國研制的世界第一款無人機被定義為“會飛的炸彈”，二戰時期德軍已經開始大量應用無人駕駛轟炸機參戰，二戰后無人機研發的中心出現在美國和以色列，其用途延伸至戰地偵察和情報搜集。后來，軍用技術的溢出導致成本下降而引爆了無人機的民用市場。

無人機技術在20世紀末經歷了三次發展浪潮，才真正進入了第一個“黃金時代”。第一次發展浪潮出現在1990年后，全球共有30多個國家裝備了師級（大型）戰術無人機系統，代表機型有美國“獵人”“先驅者”，以色列“偵察兵”“先鋒”等。第二次發展浪潮出現在1993年后，中、高空長航時軍用無人機得到迅速發展。第三次發展浪潮出現在20世紀末，旅團級（中小型）固定翼和旋翼戰術無人機系統出現，其體積小、價格更低、機動性好，標志著無人機進入大規模應用時代。

早期的航空技術解決的是無人機能夠飛行的問題，而20世紀80年代以來現代技術的發展為無人機能夠擁有更好的飛行性能、更高的可靠性提供了條件，這些變化體現在以下4個方面:一是智能化，即自主飛控技術，急劇攀升的計算機處理能力推動無人機向智能化發展，使其真正成為“會思考”的空中機器人；二是高速帶寬，即高速寬帶網數據鏈實現無人機組網和互相連通，使無人機編組、空地裝備聯合成為可能；三是更輕的材料和傳感器，即材料科學和微機電技術的發展進一步減輕了無人機平臺的重量、提高了其精確度；四是更強的續航能力，表現為無人機電池續航能力的大幅上升，以及新能源技術賦予了無人機更長的飛行時間。

由于軍用技術向民用的外溢，使無人機產業化進入了普及時代。由于軍用無人機具備在“3D”（枯燥無聊、骯臟或危險的）環境下執行任務的顯著優勢以及靈活機動的特性，民用各行各業對無人機的應用也一直翹首以盼。但相比軍用無人機近百年的發展歷史而言，民用無人機在各領域全面應用卻只有10余年的時間。

日本的民用無人機開發較早，最早出現在1983年，當時的雅馬哈公司采用摩托車發動機開發了一種用于噴灑農藥的無人直升機，1989年其成為真正的首架成功用于試飛的無人直升機。2002年，CERP公司發明了一款JAXA多用途民用無人機。從2003年開始耗時3年，岐阜工業協會先后開發了4代無人機產品，主要應用于森林防火、地震災害評估等領域。

無人機領域的標志性事件是，2003年，美國NASA成立世界級的無人機應用中心，專門研究裝有高分辨率相機傳感器無人機的商業應用。近年美國國家海洋和大氣管理局用無人機追蹤熱帶風暴有關數據，借此完善颶風預警模型。2007年，森林大火肆虐時，美國宇航局使用“伊哈納”（Ikhana）的無人機來評估大火的嚴重程度，以及災害的損失估算工作。2011年，墨西哥灣鉆井平臺爆炸后艾倫實驗室公司的無人機協助溢油監測和溢油處理等。

以色列也專門組建了一個民用無人機及其工作模式的試驗委員會，2008年給予“蒼鷺”無人機非軍事任務執行證書，并與有關部門合作開展多種民用任務的試驗飛行。

歐洲在2006年制定并立即實施了“民用無人機發展路線圖”，之后歐盟擬籌建一個泛歐民用無人機協調組織，為解決最關鍵的空中安全和適航問題提供幫助。

中國無人機起步早、近年發展較快：中國20世紀80年代就將自行開發的無人機（脫胎于軍用機型）在地圖測繪和地質勘探中做了嘗試。近些年專為民用研制的“黔中”1號無人機于2010年順利首飛，2011年，國產“蜜蜂”28無人機可全自主起飛、著陸、懸停和航路規劃，能應用于農業噴灑、電力巡檢、防災應急、航拍測繪、中繼通信等。

對于民用領域，無人機僅僅是一個飛行平臺，其功能歸根到底要通過機載系統中的任務載荷設備來完成。

和針對各行各業的企業用戶無人機領域的快速發展相比，近兩年針對零售用戶消費端的航拍、娛樂等市場受益于無人機各方面技術的成熟和成本的大幅下降，可謂是爆發式發展。隨著移動終端的興起，芯片、電池、慣性傳感器、通信芯片等產業鏈迅速成熟、成本下降，進而使智能化進程得以迅速向更加小型化、低功耗的設備邁進，這也給無人機整體硬件的迅速創新和成本下降創造了良好條件。

芯片是無人機的核心硬件設備，目前一個高性能FPGA芯片就可以在無人機上實現雙CPU的功能，從而滿足導航傳感器的信息融合并實現無人飛行器的最優控制。

慣性傳感器是無人機的另一個核心硬件設備。伴隨著蘋果公司在iPhone上大量應用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器從2011年開始大規模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，其成本和功耗進一步降低（成本僅為幾美元）。另外，僅重0.3克的GPS芯片的價格也不到5美元。

WIFI等無線通信是無人機的第三個核心硬件設備。WIFI等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質量已經可以充分滿足幾百米的傳輸需求。

電池是無人機的第四個核心硬件設備。電池能量密度的不斷增加，使得無人機能在保持較輕的重量下續航時間可以滿足一些基本應用的需求，此外，太陽能電池技術使得高海拔無人機可持續飛行一周甚至更長時間。

相機也是無人機的核心硬件設備。近年來移動終端的發展同樣促進了高像素攝像頭的性能急劇提升和成本下降。

飛控系統的開源化使得無人機飛入了尋常百姓家。如果說硬件成本下降解決的是無人機“身體”的問題，那么近年來飛控系統開源化的趨勢則解決了無人機“大腦”的問題，從此無人機不再是軍用和科研機構的專利，全世界的商業企業和發燒友都加入了無人機系統設計的大潮中，這也是引爆民用和消費無人機市場的“爆點”。

德國MK公司是多旋翼無人機系統開源的鼻祖，其后2011年美國APM公司開放無人機設計平臺，徹底點燃了市場對無人機系統開發的熱情，2012年以后民用無人機和消費無人機進入了加速上行的通道。至今，國際無人機行業已經形成了APM（用戶最多）、德國MK（最早的開源系統）、Paparazzi（穩定性高、擴展性強）、PX4和MWC（兼容性強）等五大無人機開源平臺。以PPZ（Paparazzi）為例，始于2003年的PPZ是一個軟硬件全開源的系統，至今已經形成了不僅覆蓋傳感器、GPS、自動駕駛軟件，同時覆蓋地面設備的全套成熟解決方案。既可以驅動固定翼飛機，也可以驅動旋翼機，并且可以通過地面控制軟件實時監控飛機飛行的衛星地圖?？梢哉f，強大的開源飛控系統已經使得無人機全面進入“用戶友好”時代。

2014年10月，著名計算機開源系統公司Linux推出了名為“Dronecode”的無人機開源系統合作項目，將3D Robotics、英特爾、高通、百度等科技巨頭納入項目組，旨在為無人機開發者提供所需要的資源、工具和技術支持，加快無人機和機器人領域的發展。Dronecode開發界面囊括了無人越野車、無人固定翼飛機、無人直升機和各種多軸旋翼無人機等，吸收了APM、PX4等多個平臺，進一步推動了系統開發的可視化和友好化。

目前，在無人機領域領先的仍然是世界兩大航空巨頭——波音和空客。