无人驾驶的航空机

无人驾驶飞行器（Unmanned aerial vehicle UAV），通常称为无人机，是一种没有人类飞行员的飞机。 无人机是无人机系统（UAS）的一个组成部分; 其中包括无人机，地面控制器和两者之间的通信系统。 无人机的飞行可以以不同程度的自治运行：由操作员远程控制或由机载计算机自主地进行。

与有人驾驶飞机相比，无人机最初用于对人类来说太“暗淡，肮脏或危险”的任务。 虽然它们主要来自军事应用，但它们的使用正迅速扩展到商业，科学，娱乐，农业和其他应用，例如警务，维和和监视，产品交付，航空摄影，农业，走私和无人机比赛。 民用无人机现在远远超过军用无人机，预计到2015年将销售超过100万辆无人机，因此它们可被视为自主事物的早期商业应用，其次是自动驾驶汽车和家用机器人。

分类
无人机通常属于六个功能类别之一（尽管多角色机身平台变得越来越普遍）：

目标和诱饵 – 为地面和空中射击提供模拟敌机或导弹的目标
侦察 – 提供战场情报
战斗 – 为高风险任务提供攻击能力（参见：无人作战飞行器（UCAV））
物流 – 运送货物
研究和开发 – 改进无人机技术
民用和商用无人机 – 农业，航空摄影，数据收集

军事规划者使用美国军用无人机等级系统来指定整体使用计划中的各个飞机元件。

Schiebel S-100配备轻型多用途导弹
车辆可以根据范围/高度进行分类。 以下是ParcAberporth无人系统论坛等行业活动的相关内容[由谁？]：

手持海拔2000英尺（600米），航程约2公里
高度接近5,000英尺（1,500米），最远可达10公里
北约类型海拔10,000英尺（3,000米），射程可达50公里
战术海拔18,000英尺（5,500米），射程约160公里
MALE（中等海拔，长航时）高达30,000英尺（9,000米），射程超过200公里
HALE（高海拔，长航时）超过30,000英尺（9,100米）和无限范围
高超音速高速，超音速（1-5马赫）或高超音速（5马赫以上）50,000英尺（15,200米）或亚轨道高度，射程超过200公里
轨道低地球轨道（Mach 25+）
CIS月球地球 – 月球转移
无人机计算机辅助载波制导系统（CACGS）

其他类别包括：

爱好者无人机 – 可以进一步分为
即时（RTF）/商用现货（COTS）
绑定和飞行（BNF） – 飞行平台需要最少的知识
几乎准备好飞行（ARF）/自己动手（DIY） – 需要大量的知识才能播出
裸露的框架 – 需要大量的知识和你自己的部分才能让它在空中
中型军用和商用无人机
大型军用无人机
隐形战斗无人机

无人驾驶多功能飞机（最初是2座Pipistrel Sinus）
载人飞机改装为无人驾驶飞机（以及可选择驾驶的无人机或OpV）

根据飞机重量分类非常简单：

微型飞行器（MAV） – 最小的无人机，重量不到1克
微型无人机（也称为SUAS） – 大约小于25千克
更重的无人机

无人机组件
相同类型的有人驾驶和无人驾驶飞机通常具有可识别的类似物理组件。 主要的例外是驾驶舱和环境控制系统或生命支持系统。 一些无人机携带的有效载荷（例如相机）比成年人的重量轻得多，因此可以相当小。 虽然它们携带重型有效载荷，但武器化的军用无人机比具有可比武器的有人武器更轻。

小型民用无人机没有生命攸关的系统，因此可以用更轻但不太坚固的材料和形状制造，并且可以使用不太稳健的电子控制系统。 对于小型无人机，四轴飞行器设计已经变得流行，尽管这种布局很少用于有人驾驶飞机。 小型化意味着可以使用对于有人驾驶飞机不可行的不太强大的推进技术，例如小型电动机和电池。

无人机的控制系统通常不同于有人驾驶的飞行器。 对于远程人体控制，摄像头和视频链接几乎总是取代驾驶舱窗户; 无线电传输的数字命令取代了物理驾驶舱控制。 自动驾驶仪软件用于有人驾驶和无人驾驶飞机，具有不同的功能集。

身体
飞机的主要区别在于没有驾驶舱区域及其窗户。 无尾四轴飞行器是旋翼无人机的常见形状因子，而有轨和无双直升机是有人驾驶平台常见的。

电源和平台
小型无人机大多使用锂聚合物电池（Li-Po），而大型车辆则依赖传统的飞机发动机。 飞机的规模或尺寸不是无人机能量供应的限定或限制特征。 目前，[何时？] Li-Po的能量密度远低于汽油。 北大西洋上的无人机（由巴沙木和聚酯薄膜皮建造）的旅行记录由汽油模型飞机或无人机保存。 Manard Hill在“2003年当他的一件作品在不到一加仑的燃料上飞越大西洋时飞行了1,882英里”时保持着这一记录。请参阅：电力用于飞行需要较少的工作，电动机更安静。 此外，设计合理，驱动螺旋桨的电动或汽油发动机的推重比可以垂直悬停或爬升。 Botmite飞机是可以垂直攀爬的电动无人机的一个例子。

电池消除电路（BEC）用于集中配电，并且通常包含微控制器单元（MCU）。 更昂贵的切换BEC减少了平台上的加热。

计算
无人机计算能力遵循计算技术的进步，从模拟控制开始，演变为微控制器，然后是片上系统（SOC）和单板计算机（SBC）。

小型无人机的系统硬件通常称为飞行控制器（FC），飞行控制器板（FCB）或自动驾驶仪。

传感器
位置和运动传感器提供有关飞机状态的信息。 外部感知传感器处理外部信息，如距离测量，而非感知传感器则关联内部和外部状态。

非协作传感器能够自主检测目标，因此可用于分离保证和避免碰撞。

自由度（DOF）指的是板载传感器的数量和质量：6 DOF意味着3轴陀螺仪和加速度计（典型的惯性测量单元 – IMU），9 DOF指的是IMU加罗盘，10 DOF增加了一个晴雨表，11 DOF通常会增加一个GPS接收器。

执行器
无人机执行器包括与电机/发动机和螺旋桨，伺服电机（主要用于飞机和直升机），武器，有效负载执行器，LED和扬声器相连的数字电子速度控制器（控制电机的RPM）。

软件
无人机软件称为飞行堆栈或自动驾驶仪。 无人机是需要对不断变化的传感器数据进行快速响应的实时系统。 例子包括用NavIO，PXFMini等屏蔽的Raspberry Pis，Beagleboard等，或者从头开始设计，如Nuttx，抢占式RT Linux，Xenomai，Orocos-Robot操作系统或DDS-ROS 2.0。

飞行堆栈概述

民用开源堆栈包括：

ArduCopter
DroneCode（从ArduCopter分叉）
CrazyFlie
KKMultiCopter
MultiWii
BaseFlight（从MultiWii派生）
CleanFlight（从BaseFlight分叉）
BetaFlight（从CleanFlight派生）
iNav（从CleanFlight派生）
RaceFlight（从CleanFlight派生）
OpenPilot
dRonin（从OpenPilot派生）
LibrePilot（从OpenPilot派生）
TauLabs（从OpenPilot派生）
狗仔队

循环原理
无人机采用开环，闭环或混合控制架构。

开环 – 此类型提供正控制信号（更快，更慢，左，右，上，下），而不包含传感器数据的反馈。
闭环 – 此类型包含传感器反馈以调整行为（降低速度以反映顺风，移动到300英尺的高度）。 PID控制器很常见。 有时，采用前馈，转移需要进一步关闭循环。

飞行控制
无人机可以被编程为在倾斜的表面上执行激进的操纵或着陆/栖息，然后向更好的通信点攀爬。 一些无人机可以通过不同的飞行模型来控制飞行，例如VTOL设计。

无人机还可以在平坦的垂直表面上实现栖息。

通讯
大多数无人机使用无线电进行远程控制和视频及其他数据的交换。 早期的无人机只有窄带上行链路。下行链接来得晚了。 这些双向窄带无线电链路向远程操作员传送关于飞行器系统状态的命令和控制（C＆amp; C）和遥测数据。 对于远程航班，军用无人机也使用卫星接收器作为卫星导航系统的一部分。 在需要视频传输的情况下，无人机将实现单独的模拟视频无线电链路。

在最现代的无人机应用中，需要视频传输。 因此，宽带链路不是用于C＆amp; C，遥测和视频流量的2个单独链路，而是用于在单个无线电链路上承载所有类型的数据。 这些宽带链路可以利用服务质量技术来优化C＆amp; C流量以实现低延迟。 通常，这些宽带链路承载可以通过Internet路由的TCP / IP流量。

来自运营商方的无线电信号可以从以下任何一个发出：

地面控制 – 操作无线电发射器/接收器的人，智能手机，平板电脑，计算机或军用地面控制站（GCS）的原始含义。 最近还展示了可穿戴设备，人体运动识别，人脑波的控制。
远程网络系统，如某些军事大国的卫星双工数据链路。 移动网络上的下游数字视频也已进入消费者市场，而直接无人机控制蜂窝网和LTE的上行链路已经得到验证并正在试用中。
另一架飞机，作为接力或移动控制站 – 军事无人驾驶团队（MUM-T）。
MAVLink协议越来越受欢迎，可以在地面控制和车辆之间传输命令和控制数据

自治
国际民航组织将无人驾驶飞机分类为遥控飞机或完全自主飞机。 实际的无人机可以提供中等程度的自主权。 例如，在大多数情况下远程驾驶的车辆可以具有自动返回基地操作。

基本自治来自本体感受器。 先进的自治需要态势感知，通过外部感知传感器了解飞机周围的环境：传感器融合集成了来自多个传感器的信息。

基本原则
实现自主控制的一种方法是采用多个控制回路层，如在分级控制系统中。 截至2016年，低层环路（即用于飞行控制）的速度高达每秒32,000次，而更高级别的环路可能每秒循环一次。 原则是将飞机的行为分解为具有已知过渡的可管理的“块”或状态。 分层控制系统类型从简单脚本到有限状态机，行为树和分层任务规划器。 在这些层中使用的最常见的控制机制是PID控制器，其可以用于通过使用来自IMU的数据来计算电子速度控制器和电动机的精确输入来实现四轴飞行器的悬停。

中间层算法的示例：

路径规划：确定车辆在满足任务目标和约束（例如障碍物或燃料要求）时遵循的最佳路径
轨迹生成（运动规划）：确定控制机动以遵循给定路径或从一个位置到另一个位置
轨迹调节：将车辆限制在对轨迹的一定容限内

演化无人机分层任务规划器使用状态树搜索或遗传算法等方法。

自治功能
无人机制造商通常建立特定的自主操作，例如：

自我水平：俯仰和滚动轴上的姿态稳定。
高度保持：飞机使用气压或地面传感器保持其高度。
悬停/位置保持：保持水平俯仰和滚转，稳定的偏航航向和高度，同时使用GNSS或惯性传感器保持位置。
无头模式：相对于飞行员位置而不是相对于车辆轴线的俯仰控制。
无忧：水平移动时自动滚动和偏航控制
起飞和降落（使用各种飞机或地面传感器和系统;另见：Autoland）
故障保护：失去控制信号后自动着陆或返回家中
返回家园：飞回起飞点（通常首先获得高度，以避免可能干扰的树木或建筑物等障碍物）。
跟随我：使用GNSS，图像识别或归航信标保持移动飞行员或其他物体的相对位置。
GPS航点导航：使用GNSS导航到旅行路径上的中间位置。
围绕物体的轨道：类似于跟随我，但是连续地围绕目标。
预先编程的特技飞行（如滚动和循环）

功能
完全自主可用于特定任务，例如机载加油或地面电池切换; 但是更高级别的任务需要更高的计算，传感和驱动能力。 量化自主能力的一种方法是基于OODA术语，如2002年美国空军研究实验室所建议的那样，并在下表中使用：

中等水平的自治，例如反应性自治和使用认知自主的高水平，已经在一定程度上实现了，并且是非常活跃的研究领域。

反应自治
反复自治，例如集体飞行，实时防撞，墙跟随和走廊对中，依赖于距离传感器提供的电信和态势感知：光流，激光雷达（雷达），雷达，声纳。

大多数距离传感器分析电磁辐射，从环境反射并进入传感器。 摄像机（用于视觉流动）充当简单的接收器。 激光雷达，雷达和声纳（带有声音机械波）发射和接收波浪，测量往返传播时间。 无人机摄像机不需要发射功率，从而减少了总耗电量。

雷达和声纳主要用于军事应用。

反应性自治已经以某种形式进入了消费者市场：它可能在不到十年的时间内广泛应用。

同步定位和映射
SLAM结合了里程计和外部数据，以三维方式表示世界和无人机在其中的位置。 高空户外导航不需要大的垂直视野，并且可以依靠GPS坐标（这使得它简单地映射而不是SLAM）。

两个相关的研究领域是摄影测量和激光雷达，特别是在低海拔和室内3D环境中。

室内摄影测量和立体摄影测量SLAM已经用quadcopters进行了演示。
激光雷达平台拥有沉重，昂贵且万向的传统激光平台。 研究试图解决生产成本，2D到3D扩展，功率范围比，重量和尺寸问题。 LED测距应用已商业化，可用于低距离传感功能。 研究调查光发射和计算能力之间的杂交：相控阵空间光调制器和频率调制连续波（FMCW）MEMS可调谐垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。

蜂拥
机器人群集是指能够在元素离开或进入网络时动态重新配置的代理网络。 它们比多代理合作提供更大的灵活性。 蜂拥而至可以打开数据融合的道路。 一些生物启发的飞行群使用转向行为和植绒。[需要澄清]

未来的军事潜力
在军事领域，美国掠夺者和收割者是为反恐行动和战争区域制造的，在这些战区，敌人没有足够的火力射击他们。 它们的设计不能抵御防空防御或空对空作战。 2013年9月，美国空战指挥部负责人表示，目前的无人机在有争议的环境中“毫无用处”，除非有人驾驶飞机在那里保护它们。 2012年国会研究服务（CRS）报告推测，未来无人机可能能够执行智能，监视，侦察和罢工之外的任务; CRS报告列出了空对空作战（“未来更艰巨的任务”）作为未来可能的事业。 美国国防部的无人系统综合路线图FY2013-2038预见到无人机在战斗中更重要的地方。 问题包括扩展能力，人 – 无人机交互，管理增加的信息流量，增加自主权和开发无人机特定弹药。 DARPA的系统系统或通用原子系统工作项目可能预示着未来的战争情景，后者披露了配备高能液体激光区域防御系统（HELLADS）的复仇者群。

认知无线电
认知无线电[需要澄清]技术可能有无人机应用。

学习能力
无人机可以利用分布式神经网络。

市场
军事
全球军用无人机市场由总部设在美国和以色列的公司主导。 按销售数字计算，2017年美国军事市场占有率超过60％。五大军用无人机制造商中有四家是美国制造商，包括通用原子公司，洛克希德马丁公司，诺斯罗普格鲁曼公司和波音公司，其次是中国公司CASC。 以色列公司主要关注小型无人机遥控系统和无人机数量，以色列出口无人机的60.7％（2014年），而美国出口23。9％（2014年）; 军用无人机的最大进口国是英国（33.9％）和印度（13.2％）。 2014年，仅美国就运营着9,000多架军用无人机。通用原子公司是全球鹰和捕食者/水手系统产品线的主要制造商。

平民
民用无人机市场由中国公司主导。 仅2017年中国无人机制造商DJI就拥有75％的民用市场份额，预计到2020年将达到110亿美元的全球销售额。其次是法国公司Parrot以1.1亿美元和美国公司3DRobotics在2014年达到2160万美元。截至2018年3月，不止一家在美国联邦航空局注册了数百万架无人机（878,000名爱好者和122,000名商业用户）。 2018年NPD指向消费者越来越多地购买具有更高级功能的无人机，在500美元以上和1000美元以上的细分市场中增长33％。

与军事相比，民用无人机市场相对较新。 同时，发达国家和发展中国家都出现了公司。 许多早期初创公司都得到了美国和政府机构等投资者的支持和资助，就像印度一样。 一些大学提供研究和培训课程或学位。 私人实体还为娱乐和商用无人机使用提供在线和面对面培训计划。

由于消费产品的成本效益，消费无人机也被全世界的军事组织广泛使用。 2018年，以色列军方开始使用DJI Mavic和Matrice系列无人机进行轻型侦察任务，因为民用无人机更易于使用且具有更高的可靠性。 DJI无人机也是美国陆军使用最广泛使用的商用无人机系统。

点亮的无人机开始在夜间显示器中用于艺术和广告目的。

运输
美国建筑师协会报告说，大型货物和乘客无人机应在未来20年内获得认证和推出。 携带传感器的大型无人机预计从2018年开始; 2025年以外城市以外的短程低空货轮; 到2040年代中期的长途货运航班，然后是2040年的客运航班。到2018年，研发费用将从几亿美元增加到2028年的40亿美元到2036年的300亿美元。

发展考虑因素

动物模仿 – 行为学
扑翼式鸟类，模仿鸟类或昆虫，是microUAV的研究领域。 他们固有的隐身建议他们进行间谍任务。

Nano Hummingbird是商业上可获得的，而受苍蝇启发的低于1g microUAV虽然使用动力系绳，但可以“降落”在垂直表面上。

其他项目包括无人“甲虫”和其他昆虫。

研究正在探索称为ocellis的微型光学流量传感器，模仿由多个面形成的复合昆虫眼，其可以将数据传输到能够治疗光学流动以及光强度差异的神经形态芯片。

耐力
无人机的耐力不受人类飞行员的生理能力的限制。

由于Wankel旋转发动机体积小，重量轻，振动小，功率重量比大，因此可用于许多大型无人机。 他们的发动机转子无法抓住; 发动机在下降过程中不易受冲击冷却，并且不需要富集的燃料混合物来进行高功率冷却。 这些属性减少燃料使用，增加范围或有效载荷。

适当的无人机冷却对于长期无人机的耐久性至关重要。 过热和随后的发动机故障是无人机故障的最常见原因。

使用氢动力的氢燃料电池可能能够延长小型无人机的耐久性，可达数小时。

由于雷诺数较低，微型飞行器的耐久性最好用扑翼式无人机实现，其次是飞机和多旋翼飞机。

太阳能电动无人机这一概念最初由AstroFlight Sunrise于1974年所倡导，其飞行时间已达数周。

太阳能大气卫星（“atmosats”）设计用于在超过20公里（12英里或60,000英尺）的海拔高度运行长达5年，可能比低地球轨道卫星更经济地执行任务并具有更多功能。 可能的应用包括天气监测，灾难恢复，地球成像和通信。

由微波功率传输或激光功率发射提供动力的电动无人机是其他潜在的耐久性解决方案。

高耐力无人机的另一个应用是在战场上长时间“凝视”（ARGUS-IS，Gorgon Stare，集成传感器结构）来记录可以向后播放以跟踪战场活动的事件。

悠久的耐力飞行

可靠性
可靠性改进针对无人机系统的所有方面，使用弹性工程和容错技术。

个人可靠性涵盖了飞行控制器的稳健性，确保安全性，无需过多冗余，从而最大限度地降低成 此外，飞行包线的动态评估允许使用特殊设计的环路或神经网络进行非线性分析，从而实现具有抗损伤能力的无人机。 无人机软件的责任在于载人航空电子软件的设计和认证。

群体弹性涉及维护操作功能并在给定单元故障时重新配置任务。

应用
无人机有许多民用，商用，军用和航空航天应用。 这些包括：

国内
救灾，考古，保护（污染监测和反偷猎），执法，犯罪和恐怖主义
广告
空中监视，电影制作，新闻，科学研究，测量，货物运输和农业
军事
侦察，攻击，排雷和目标练习

现有的无人机
无人机正在由世界上许多国家开发和部署。 由于它们的广泛扩散，没有全面的无人机系统列表。

导弹技术控制制度限制了许多国家限制无人机或技术能够承载500公斤有效载荷至少300公里的能力。

安全保障

空中交通
无人机可以通过多种方式威胁空域安全，包括无意碰撞或与其他飞机的其他干扰，蓄意攻击或分散飞行员或飞行控制员的注意力。 2017年10月中旬，加拿大魁北克市发生了首次无人机碰撞事件。 第一次记录的无人机与热气球发生碰撞的事件发生在2018年8月10日，美国爱达荷州Driggs; 虽然没有对气球造成重大损害，也没有对3名乘客造成任何伤害，但是气球飞行员向NTSB报告了这一事件，并说“我希望这次事件有助于建立尊重自然，领空和规章制度的对话。 “。

恶意使用
无人机可能装载有危险的有效载荷，并坠入易受攻击的目标。 有效载荷可能包括爆炸物，化学，放射性或生物危害。 具有通常非致命有效载荷的无人机可能被黑客入侵并被用于恶意目的。 各州正在开发反无人机系统来应对这种威胁。 然而，这证明是困难的。 正如J. Rogers博士在接受A＆T采访时所说的那样，目前有一个关于如何对付这些小型无人机的最佳方式的大辩论，无论是否被业余爱好者使用都会造成一些麻烦或在一个恐怖主义演员更邪恶的态度。“

到2017年，无人驾驶飞机被用来将违禁品丢入监狱。

安全漏洞
自2009年“捕食者”无人机视频流劫持事件后，无人机对网络安全的兴趣大大增加，伊斯兰激进分子使用廉价的现成设备来传输无人机的视频信号。 另一个风险是在飞行中劫持或干扰无人机的可能性。 一些安全研究人员公开了商用无人机的一些漏洞，在某些情况下甚至提供了完整的源代码或工具来重现他们的攻击。 在2016年10月的无人机和隐私研讨会上，联邦贸易委员会的研究人员表示，他们能够攻入三种不同的消费者四轴飞机，并指出无人机制造商可以通过加密Wi-Fi的基本安全措施使其无人机更安全。信号并添加密码保护。

野火
在美国，靠近野火飞行将被处以最高25,000美元的罚款。 尽管如此，在2014年和2015年，加利福尼亚州的消防空气支援多次受到阻碍，包括在Lake Fire和North Fire。 作为回应，加州立法者提出了一项法案，允许消防员禁用入侵受限制空域的无人机。 美国联邦航空局后来要求登记大多数无人机。

无人机的使用也正在研究中，以帮助探测和对抗野火，无论是通过观察还是发射烟火装置来开始逆火。