改写俄乌战争？无人机，一个飞行的传感器集群

2月24日，俄罗斯突袭乌克兰，我们见证了历史：俄乌战争打响了。

到10月24日，俄乌战争已经打了足足8个月。

期间风起云涌，各种高科技武器层出不穷，除了高精制导武器，现在媒体出现最多的字眼是：无人机，一个飞行的传感器集群。

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世界上“首次”无人机战争：中国成背后赢家

近日，美国著名军事媒体TheDrive的Warzone栏目中，发布了一篇“标题党”文章：《人类历史上第一次无人机空战完成了》，文章中的视屏被上传到社交媒体上，引起广泛热议。

据文章介绍，该视频拍摄于顿巴斯地区顿涅茨克上空。

画面显示一架由乌克兰军队控制的大疆四旋翼无人机在镜头中发现不远处悬停着一架由俄罗斯方面控制的另一架大疆无人机，随后俄方无人机向乌方无人机移动，似乎要主动碰撞，结果在碰撞时俄方无人机损坏了一个螺旋桨叶片，然后坠毁。

因此，TheDrive网站戏称这是人类历史上首次无人机战争：一架无人机试图击落另一架无人机。显然，如果这也算“空战”的话，层次也确实太低了一些。实际上，各国设想的无人机空战，应该是一方无人机发射导弹，或者使用机炮，击落另一方的无人机。

但毫无疑问，随着这场战争的发展，无人机已经成为“明星”武器，越来越多地出现在俄乌战争中。俄乌战争的下半场，已经进入到以无人机为主导的交锋中。

无人机：一个飞行的传感器集群

无人机的形态多种多样，我们一般所见的，军用无人机以固定翼无人机为主，载重、航程较大。民用无人机则以多旋翼无人机为主，主要是四旋翼。

此外还有无人直升机、垂直起降固定翼无人机等。本文主要讨论民用旋翼无人机。

为什么说无人机是飞行的传感器集群？

因为在一架无人机里，你找不到比各种传感器更多、更重要的器件！

飞行控制系统（简称“飞控”）是无人机最核心的技术，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，也是无人机区别于一般航模(飞行玩具)的最主要标志。

简单点说，飞控就是无人机的大脑，无人机的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

这就类似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。例如，大脑指挥手去拿一杯水，手触碰到杯壁后，因为水太烫而缩回，并且将此信息传回给大脑，大脑会根据实际情况重新发送新的指令。

飞控系统由传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分组成，其中，传感器是使用最多的器件。

一架无人机要平稳地飞行，至少需要持续测量15个状态量，包括：三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等。

一架无人机至少需要用到包括惯性测量单元（IMU）、GPS、气压计、地磁指南针（磁罗盘）、超声波传感器、双目视觉感知等传感器，此外还有激光雷达、倾斜传感器、电流传感器、各向异性磁阻（AMR）传感器、发动机进气流量传感器、位置传感器和一些温度传感器等等在各种无人机有所应用。

可以说，一架无人机除了外壳，内里几乎都是由各种传感器组成的！

各种传感器在无人机中的应用

各种传感器在无人机中有什么应用？这是我们所好奇的。

惯性测量单元（IMU）

首先我们来说惯性测量单元（IMU），这是无人机最核心的传感器之一。有没有想过一架无人机在空中怎么保持平衡？不会摇摇晃晃、忽上忽下？没错，这就是IMU的作用。

IMU是一个传感器模块，包含不止一种传感器。一般的，一个IMU内会装有三轴的陀螺仪和三个方向的加速度计，来测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。一般而言IMU安装在无人机的重心上。

加速度计

加速度计是用来提供无人机在XYZ三轴方向所承受的加速力，它以g为单位测量加速度，决定无人机在静止状态时的倾斜角度。

如果加速度计不受任何外部加速度的影响，则无人机将仅测量相对地球的加速度，即重力。假设3轴加速度计的放置方式是X轴上的传感器指向左侧，Y轴上的传感器向下，Z轴上的传感器向前且不受任何力的影响，则加速度计将返回以下值：X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g。如果将同一加速度计向左偏转，则其读数将显示：X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g。同样，当向右倾斜时，X平面将返回X = -1 g。

给定的加速度测量相关性，由监控加速度计工作的系统算法来实现。

陀螺仪

陀螺仪传感器能监测三轴的角速度，因此可监测出俯仰(pitch)、翻滚(roll)和偏摆(yaw)时角度的变化率。即使是一般飞行器，陀螺仪都是相当重要的传感器。

角度信息的变化能用来维持无人机稳定并防止晃动。由陀螺仪所提供的信息将汇入马达控制驱动器，通过动态控制马达速度，并提供马达稳定度。陀螺仪还能确保无人机根据用户控制装置所设定的角度旋转

除了在无人机上，IMU大多用在需要进行运动控制的设备，以及需要用姿态进行精密位移推算的场合，如如汽车机、器人、潜艇、飞机、导弹和航天器等等都能找到IMU。

地磁指南针（磁罗盘）

顾名思义，地磁指南针（磁罗盘）就是为无人机指明方向的传感器，其原理与我们的指南针是一样的，都是根据地磁效应来指明方向。

不同的是古时的指南针是很大一个的机械装置，现在的无人机上的磁传感器都是基于MEMS技术，通过各向异性磁性电阻材料，感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化来感应方向。

一般来说，磁罗盘数据还需要加速度计提供倾斜角度数据以补强信息。有了倾斜数据加上磁性数据，就能计算出正确方位。

同时，磁传感器容易受到四周磁体和铁的影响，因此可以用来侦测四周的情况，例如电极、电线、车辆、其他无人机等等，以避免事故发生。

气压计

气压计运作的原理，就是利用大气压力换算出高度。压力传感器能侦测地球的大气压力。由气压计所提供的数据能协助无人机导航，上升到所需的高度。准确估计上升与下降速度，对无人机飞行控制来说相当重要。

超声波传感器

无人机采用超声波传感器就是利用超声波碰到其他物质会反弹这一特性，进行高度控制。前面就提到过近地面的时候，利用气压传感器是无法应对的。但是利用超声波传感器在近地面就能够实现高度控制。这样一来气压传感器同超声波传感器一结合，就可以实现无人机无论是在高空还是低空都能够平稳飞行。

GPS（GNSS）

GPS，或者准确的说是“卫星导航系统”，只是因为美国人最早开发出了GPS导航系统并且沿用至今，成为全球使用最多的卫星导航系统，因此很多时候我们以GPS代称，我国的北斗系统也是其中一种卫星导航系统，目前许多卫星导航芯片都已支持GPS、北斗等多模导航。

GPS的原理即使通过卫星协助进行定位、导航，但无人机运动情况复杂，容易受到建筑物与磁场的影响，存在接收不到GPS的情况，因此常需要与IMU等传感器数据融合计算，通过算法以尽可能准确地获得无人机的位置信息。

双目立体视觉感知系统

随着无人机的发展日益成熟，近几年，双目立体视觉感知系统已经成为无人机的标配。

双目功能可以让无人机在飞行过程中较好的识别周围环境，有利于避障和飞行，无人系统领域对该功能的市场需求非常大。

双目立体视觉（Binocular Stereo Vision）是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。

融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别（视差图像），使我们可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。

简单点说，就是利用两个摄像头来模拟出人的双眼效果，从而判断出目标三维信息，达到有效避障的目的。

以上这几种传感器可以说是无人机的核心传感器，缺少这些传感器，无人机的飞行功能很可能无法保证。

除此之外，还有许多特定传感器用在无人机的各种特别需求中。

譬如激光雷达，激光雷达是一种发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，无人机通过搭载激光雷达，可以进行精确测绘，能够更好的服务于电力巡线、林业调查、带状测图等应用。

还有MEMS麦克风，是一种能将声音频号转换为电子讯号的音频传感器。MEMS麦克风正逐渐取代传统麦克风，因为它们能提供更高的讯噪比(SNR)、更小的外型尺寸、更好的射频抗扰性，面对震动时也更加稳健。这类传感器可用在无人机的影片拍摄、监控、间谍行动等应用。

▲无人机搭载激光雷达进行测绘效果

消费级无人机：我国高科技产业少有的亮点

集成了数量众多的各式传感器的无人机，是我国高科技产业少有的亮点，有数据显示，在全球消费级（民用）无人机市场，我国大疆公司占据了超过70%的市场份额，所有中国民用无人机厂商占据全球超过80%市场份额。

这世界只有两种无人机，一种叫大疆，一种叫其它！

2020年12月18日，美国商务部以“违反美国国家安全” 为由，宣布将大疆公司列入所谓出口管制“实体清单”。

一家企业被列入美方“实体清单”，意味着这些企业要从美国供应商那里接收货品时，必须从美国商务部申请许可证，这个过程将面临严格审查。但被列入“实体清单”的企业并不被禁止在美国销售产品。

因此即使大疆被列入美国的“实体清单”，但凭借过硬的技术和产品实力，大疆的无人机产品在美国市场仍然大卖！

甚至在美国政府提高对大疆等中国公司的关税后，大疆对旗下无人机大幅提高售价，市场份额一度冲破80%，因为许多美国人赶在关税提高前大量购买大疆无人机。

▲大疆此前在美产品售价调整清单（部分）

结语

为什么消费级无人机能够诞生？

这是因为传感器、芯片等技术进步，尤其是MEMS技术的应用，能够将以前很大的机械传感器做小，并且大大降低功耗，因此无人机、手机等智能设备的应用才成为了可能。

以传感器等“硬科技”组成的基础，才是无人机、手机等应用设备生长的沃土。

无人机等智能设备带给普通人，能看见这个星球上不一样的美好。但同样，在不同使用者手中，无人机也发挥着冰冷的作用。

希望科技进步，是用在更好的生活。

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审核编辑 黄昊宇