作為飛手，學習無人機系統理論知識有什麼意義？

7月1日，我們邀請華南理工大學控制理論及控制工程專業博士(無人機方向)、自媒體大V@無人機中的城堡 為網友進行「無人機系統概述」的在線講座，獲得網友的熱烈追捧。我們將圍繞無人機系統的理論知識研發系列在線講座，歡迎網友們持續關注。今天我們把第一次課程的內容要點整理出來呈現給大家，其中有一個最重要的問題：「作為飛手，學習無人機系統理論知識有什麼意義？」希望你們喜歡。

@無人機中的城堡

一、課程目的和內容：課程內容的主體是什麼？結束後會達到怎樣的目的？

1.主旨：

1）提升完成任務的專業程度：能夠通過量化方式來設計任務方案並評估任務完成情況，能夠描述任務操作的原因和相互邏輯，結果與過程都能夠複製。

2.例子及影響

1）量化水平不足：無法評估任務結果，無法提升自身能力

2）缺乏系統化方案：降低任務效率，無法進行有效積累

3）缺乏對飛行器基本知識的理解：提高風險，降低任務質量

3.什麼可以支持我們的專業性

1）知識+經驗

2）單純經驗的局限：量化程度不高，不具備普遍性（時空限制）空：應用範圍，思考範圍

3）單純知識的局限：不清楚知識與物理現實的聯繫，以及在實際系統中如何使用

4）構建兩者的聯繫：用知識彌補經驗的有限性，用經驗不斷構建知識和實際系統間的聯繫。

4.本課程目的和內容

課程目的：幫助大家在與無人機相關的，時間和空間上具有普遍性的知識、方法上構建起基本架構。從兩個方面對學員產生幫助，一、任務層面，讓我們可以從這個架構出發，去理解任務、操作對象（無人機或相關設備），並可以把這種理解以某種方式量化出來或者形成具體方案，並應用在實際的任務執行中。二、自我成長方面，讓我們可以在這個架構上，有根基的發展，在知識體系基礎上，通過有效的經驗實現積累。

內容特點：保證架構的完整性，「解析度」滿足形成正確概念與基本理解的要求，並可以具化為實際的執行方案。

5.值得關注的問題

三個問題需要大家在平時不斷思考：

1）這些內容與我所作的工作有什麼關係？

2）我該如何去應用它們？

3）標準是什麼？步驟有哪些？實現方式有哪些？

二、本次課程內容

1）無人機系統發展歷史

2）無人機硬體系統組成及特點

3）無人機的優勢和局限

4）無人機（行業）的可能發展方向

5）無人機所涉及的技術及相互關係

三、具體內容

（一）無人機系統發展歷史

1.圖例與概念辨識

幾幅圖：紙飛機，熱氣球，億航184，大型客機，導彈，無人機避障

思考問題：什麼是無人機——包括哪些硬體結構，哪些功能？彼此關係是怎樣的？你在設計和選擇的時候會考慮哪些因素？你進行判斷的依據是什麼？

2.發展階段及特點

1）古代-19世紀中

階段特點：探索飛行的實現方式

實例：紙飛機，竹蜻蜓，王虎，達芬奇，熱氣球

2）19世紀末到一戰

階段特點：產生了合適的飛行器：固定翼飛行器，能夠承重，能夠起飛，能夠實現姿態控制，滿足飛行器三要素：載重，起飛與降落，飛行與姿態控制；飛行器操控方式向兩個方向發展：機載操控，遠程操控；無人機自動飛行向兩個方向發展：輔助飛行系統，自動控制系統。

實例：1896：Aerodrome；萊利兄弟固定翼飛機，1903.12.17飛行者一號；Teleautomaton1898；陀螺儀，1909；第一台自動駕駛儀，1914；膜盒式氣壓計，1923。

3）一戰

階段特點：人類開始嘗試著，把技術組合應用，服務於戰爭這一具體任務的需求中。

實例：凱特琳蟲：85公斤炸藥，自動飛行，自動墜落；通過無線操作，改造靶機。

4）二戰

階段特點：戰鬥需求的進一步挖掘，任務和無人機相關技術的匹配度進一步加深。

實例：Fritz X；V-1飛彈；TDR-1

5）冷戰

階段特點：無人機系統適應任務變化，相互匹配向任務方向深度發展

實例：火蜂無人機；無人偵察機；無人干擾機等

6）冷戰後

階段特點：軍事需求與無人機軟硬體，系統組成的固化、穩定階段

實例：掠食者；全球鷹；RQ-11

7）開源及商業化

階段特點：無人機姿態控制及基本自動功能開源，小型無人機系統硬體成本降低

實例：MWC，APM，Ardupilot，Pixhawk

總結：

飛行器三要素：載重，起飛與降落，飛行與姿態控制

飛行器操控兩分支：機載操控，遠程操控

無人機自動飛行兩分支：輔助飛行系統，自動控制系統

無人機發展現階段特點：實現成本降低

無人機系統需要特別關注與任務的相互匹配

（二）無人機硬體系統組成及特點

思考問題：讀者正在使用的無人機系統中包含哪些硬體？它們對無人機的作用？彼此間的關係？為什麼該硬體會出現？與哪些應用匹配？如果去掉它，有沒有替代方案？數據特點是什麼？數據如何支持任務實現？

常見硬體

1）姿態反饋系統：三軸加速度（加速度計），三軸旋轉角速度（角速度計），偏航角（強磁計）

2）慣性系位置及速度：衛星定位系統，高度計

3）機載控制系統

4）飛行平台

5）有效負載

6）遠程通訊系統

7）地面站

（三）無人機的優勢和局限

思考問題：無人機系統為什麼能夠應用在你們現在的行業中？具備哪些優勢？這種優勢的實現與哪些硬體和功能相關？有什麼局限？能否清晰地將局限描述出來，並加以分類（硬體，軟體，操作，制度，規範）？

1.優勢

（飛行器）空間飛行能力，（飛行器和有效負載）強大的數據採集量，任務執行能力

多數任務中無人機的作用：執行器（如植保行業）和數據採集（航拍和監控等）

2.局限

局限：系統設計的靈活性和複雜性，硬體與演算法的局限，與任務需求銜接難度較大，受任務領域相關硬體制約，制度與法律發展的滯後性，商業模式、任務實現模式的滯後性等。

（四）無人機（行業）的可能發展方向

思考問題：無人機向某個方向發展需要滿足哪些前提？該行業已有的實現方式包括哪些？無人機需要進行這樣的改變，或者具備哪些軟硬體？無人機在讀者所在領域的發展過程？

1.無人機本身的相關技術：飛行器部分（飛行器設計，操作實現，模擬工具），自動控制部分（硬體如感測器，執行器，軟體如數據處理方法，自動控制演算法，任務規劃能力，行業功能設計等），操控方式（遠程控制能力，數據傳輸技術等）

2.相關行業中與無人機有關的技術：軟硬體（有效負載、應用演算法），工作模式，評價模式等

3.多系統方向：多類型機器人構成的複雜系統實現問題

4.大系統方向：多無人機系統的商業模式，行業應用系統設計等

（五）無人機所涉及的技術及相互關係

思考問題：無人機包含哪些技術門類？讀者在自己的工作中使用過哪些專門知識？你具備哪些專業知識？你在這些專業技術上的核心競爭力在哪裡？

1.無人機與行業技術

無人機在行業中的應用需要行業軟硬體技術支持

2.無人機與自動化技術

無人機的運動控制是任務實現的底層核心，需要自動化技術支持

3.無人機與軟硬體技術

無人機系統的實現能力受到軟硬體（計算機技術，嵌入式硬體）制約與推動

4.無人機與人工智慧

人工智慧為無人機系統實現提供了更多可能性，並為自動任務決策和長期任務規劃提供了一種實現途徑。

嘉賓簡介：@無人機中的城堡

華南理工大學控制理論與控制工程專業，無人機研究方向在讀博士，具備較豐富的無人機技術知識及實現經驗，具備多應用領域、多類型無人機機型設計，硬體、演算法系統研發等項目經驗及相關無人機企業顧問經驗。無人機相關書籍作家，與機械工業出版社、知乎等合作撰寫了無人機、控制學等相關主題的書籍（審校中）。知乎、深圳灣、環球網等媒體平台無人機專欄作者。作為演講嘉賓在多場活動中（2016 Dronecode China大會、華創證券上海、北京策略會等）與大家分享無人機技術、市場、發展等話題內容。

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