多旋翼无人机市场调查
一、多旋翼无人机概述
1.1 无人机定义
无人飞行载具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）或称无人飞机系统（Unmanned Aircraft System，UAS），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，俗称无人机或无人飞机。
从广义上讲有翼导弹也可以算一种无人驾驶的飞机，但本报告所提及的无人机主要是指没有驾驶员的飞机航模
1.2 无人机分类及特点介绍
1.3 多旋翼飞行器的组成
1.4 多旋翼控制系统改进历程
20世纪90年代之前，惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩；
20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了；但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法；这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生；接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法；直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。
1.5 多旋翼飞行器评价要素
安全性
负载
效率
灵活性
维护及扩展性
稳定性
二、四旋翼无人机概述
2.1 四旋翼特点
四旋翼无人飞行器是一种能够垂直起降、以四个旋翼作为动力装置的，不载操作人员的飞行器。
优势特点：体积小、重量轻、噪音小、隐蔽性好,适合多平台,多空间使用,可以垂直起降,不需要弹射器、发射架进行发射，可悬停、侧飞、倒飞；飞行高度低,具有很强的机动性,执行特种任务能力强；结构简单控制灵活,成本低,螺旋桨小，安全性好,拆卸方便,且易于维护。
2.2 四旋翼飞行原理
四旋翼是一个4输入6输出的欠驱动系统
输入：四旋翼
输出：
垂直运动
俯仰运动
滚转运动
偏航运动
前后运动
侧向运动
2.3 四旋翼控制方法
PID控制
鲁棒控制
模糊控制
非线性控制
自适应神经网络控制
2.4 四旋翼应用
航空摄影：摄像、照相等
农业：农作物监测、喷洒、牧群监测与驱赶
海岸警卫：搜寻、海岸巡逻、海界标监测
环境保护：污染及土地状况监测
海关与税收：非法走私监视
电力公司：电力传输线检查
消防与森林防护：火情检测、偶发事件控制
渔业：渔业保护
天然气与石油供给公司：地面监测、输油管路安全
信息服务商：新闻与图片、特殊野外生活图片
救生船协会：事故调查、导航与控制
地方政府：普查、灾害控制
城市服务：大气参数采集与检测、分析
交通管理部门：道路交通检测与控制
警察部门：失踪人员搜寻、安全与突发事件监视
普查机构：地理、地质、考古勘定
河道管理部门：水路即水情监测、洪水与污染控制
水务部门：水务与水管道监测
三、四旋翼研究现状
3.1 四旋翼研究历史
四轴飞行器的概念几十年前就已经出现，但是因为同时期的技术水平限制，大型的四轴飞行器制造难度很高，性价比远远低于固定翼飞行器和直升机飞行器，因此历史上前期一直没有大型的四轴飞行器诞生；
2002年前后，随着微机电系统（MEMS）的成熟，以及电池和无刷电机等技术的发展，电动微型（直径小于1米，重量小于2kg）四轴飞行器被发现是一种效率极高的飞行器，引起了学术界极大的关注；2005年之后小型四轴飞行器研究日趋成熟，一些商用产品开始面世。
3.2 国外研究机构（一）
瑞士联邦理工学院洛桑/洛桑联邦理工学院（EPFL）
室内自主飞行、自动避障；
代表：OS4
研究的重点：机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。
OS4I最大长度约73cm，质量为235g；它使用了DragardlyerIII的旋翼和十字框架，4个Faulhaberl724电机，以及一个sense的MT9-B微惯性测量单元。研究人员通过万向节将它固定于飞行测试平台之上，使其只具有3个转动自由度；能源供给、数据处理、电机驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供；至2004年，已经分别基于多种控制算法（例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode），实现了飞行器姿态控制。
OS4II的机身最大长度72cm，重520g；机载230g的锂电池，能提供自主飞行30min的能量。它与OS4I的区别主要有：使用了桨叶面积更大的新旋翼；使用了更轻、功率更大的LPK无刷电机BLDC；使用皮带减速装置代替了电机减速箱；控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都直接安装在机体上，不再由机体外部提供。
2006年1月EPFL已经实现了OS4Ⅱ在室内环境中基于惯导的自主悬停控制；
2013年，EPFL教授Raffaello D’Audrea的团队（Federico Augugliaro/Dario Brescianini/Markus Hehm/Sergei Lupashin/Mark Muller/Robin Ritz)在TED展示了其四旋翼飞行器。
3.2 国外研究机构（二）
美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室
Daniel Mellinger, Nathan Michael, Vijay Kumar等人设计的一种能够在室内飞行的四旋翼无人飞行器，这中飞行器通过室内的红外光辅助惯性测量单元(Inertial measurement unit, IMU)进行姿态检测，能够在室内实现稳定飞行、翻转、避障、目标识别和着陆等功能，具有极强的控制稳定性和鲁棒性。另外，该实验室还完成了多飞行器协同工作，室内飞行器定位与3D建图，图像视觉与目标识别以及一些极端条件下的飞行试验。
2012年，印度人Vijay Kumar教授在TED展示了其四旋翼无人飞行器，一场充满数学公式的演讲吸引了来自全世界的科技爱好者，并引爆了全球多旋翼无人飞行器市场。
代表：HMX4
3.2 国外研究机构（三）
麻省理工：
Abraham Bachrach, Nicholas Roy等人设计了一种能够完成室内定位、建图和避障的四旋翼无人飞行器，该飞行器通过激光雷达获得周围的环境信息，并通过SLAM(simultaneous localization and map building, SLAM)算法进行飞行器室内定位，并建立环境的3D地图，根据环境信息进行障碍物判断和路径规划，进而在室内无法接收到GPS信号的情况下进行自主飞行，并能够实现避障等功能。
研究重点：自主飞行、编队飞行
代表：Kinect Quadrocopter MIT（麻省理工和华盛顿大学合作）、MIT Quadrocopter（麻省理工计算机科学和人工智能实验室）
3.2 国外研究机构（四）
斯坦福大学Gabriel M.Hoffmann, Steven W. Waslander, Michael P.Vitus等人设计了一种能在室外自主飞行的四旋翼无人飞行器，该飞行器通过扩展卡尔曼滤波算法对GPS/INS/Ec提供的信息进行融合，从而进行飞行器的稳定控制。该飞行器能够通过预先设定好的航路点在室外完全自主飞行，并通过Wi-Fi将飞行参数和图像信息实时传送回地面飞行控制站。
重点：自主航点跟踪、多机协同飞行
代表：
STARMAC I是由Draganflyer III改造而成，地面站通过无线控制四旋翼飞行器飞行，机载电子单元完全由斯坦福大学自主设计研发的电路板取代，集成了自主飞行时所需要的测量和通信功能。STARMAC I使用GPS和惯导传感器可以跟踪预定航点轨迹飞行。STARMAC II是STARMAC I的改进型，采用碳素纤维结构，推力更大，飞行时间更长，在飞行过程中能自主控制高度和姿态，主要应用于复杂环境中搜索、营救、监视和网络中移动传感器。STARlMAC工程的目的是四旋翼系统有可靠的、完全自主的航点跟踪能力，使其成为一个测试平台，具备多飞行器协同飞行水平。
3.2 国外研究机构（五）
澳大利亚国立大学(Australian National University, ANU)
重点：升力与稳定性问题、俯仰和横滚模态耦合、抗干扰
研究人员：Paul Pounds、Robert Mahony
代表：X-4 Flyer Mark I和X-4 Flyer Mark II
3.2 国外研究机构（六）
DraganFlyer X4是美国Draganfly Innovation Inc.设计的一种超级遥控摄像飞机，具有惊人的性能和良好的稳定性，它轻便小巧易于携带，质量为680g，最大长度约77.5cm，有效载荷为250g。可用来测量、工业测绘、军事侦察、空中摄影等；机载高性能处理器可以运行数千行代码并且接收传感器（三个加速度计，三个陀螺仪，一个气压传感器）输出的信息并加以处理。操作者使用手持式控制器可以控制它飞行的方向、速度大小，也可以调整飞行的高度。可以做到自动平衡， 4 定点悬浮，如果控制失效自动着陆系统，同时这个设备可以通过无线向你的手机发射视频信号，可以通过控制器实时进行放大查看等操作。
代表：E4、X4
3.2 国外研究机构（七）
MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力，如图1.2所示。飞行时间不低于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS（姿态、高度及航向参考系统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变得非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。
MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落。
3.3 国外研究前沿
Kostas Alexis等研究了受大气扰动条件下，四旋翼无人飞行器姿态的切换模型预测控制，建立了飞行器分段仿射模型，并根据飞行器姿态进行模型切换，进而设计了姿态的模型预测控制器；J.F. Guerrero-Castellanos等设计了基于四元数状态反馈的四旋翼无人飞行器姿态稳定控制算法，并进行了大量的飞行试验，该方法占用较少的计算资源，极易在嵌入式系统中实现。
C.Nicol等在系统简化模型的基础上，设计了鲁棒自适应控制器。
Ashfaq Ahmad Mian设计了基于Backstepping的积分滑模控制器。Aydin Eresen等研究了四旋翼无人飞行器基于图像的自主飞行，并实现了其在复杂环境中的避障功能。Rong Xu等提出了一种欠驱动系统的滑模控制方法，通过定义一个广义滑动流形，实现级联欠驱动的全局镇定，并将该方法应用于四旋翼无人飞行器控制；Guilherme V.Raffo等利用Eula-Lagrange方法建立四旋翼无人飞行器模型，并将其划分为两个子系统，分别利用模型误差预测方法和鲁棒控制方法实现两个子系统的控制。
K.M.Zemalache等设计了基于飞行器传统数学模型和T-S模糊模型的控制器，并对二者的控制效果进行了对比。P.Pounds等对四旋翼无人飞行器进行了建模、分析和控制，并在实际系统中进行了验证。Farid Kendoula等对基于视觉的四旋翼无人飞行器3D定位和自主飞行控制进行了研究。
Christian Schlaile等针对室内垂直起降飞行器的姿态检测问题，提出了基于IMU和图像的组合方法，通过图像检测，抑制IMU姿态解算的发散现象。
Tarek Hameda等提出了基于视觉的飞行器图像伺服控制。
Sylvain Bertrand等实用扰动理论对四旋翼无人飞行器进行了控制器设计和稳定性分析。David Lara等对四旋翼无人飞行器的频域模型进行研究和辨识，并基于频域模型设计了鲁棒控制器。
另外，还有一部分文献对于UAV的导航定位、建模、系统观测器、控制方法、运动规划以及系统架构等方面进行了较深入的研究。
3.4 国内研究机构
国防科技大学：
哈尔滨工业大学：建模，算法
上海交通大学：受控对象的非线性
南京航空航天大学：直升机理论和数学建模，模糊控制
北京航空航天大学：共轴双翼机的自主控制与研发工作
浙大&清华：机载GPS和数学建模视觉机器人
其他还有南京理工大学、天津大学、中南大学等
3.5 关键技术
1、数学模型的建立
2、能源供给系统
3、飞行控制算法
4、自主导航智能飞行
三、四旋翼研究现状
3.6 研究趋势
大载荷
自主飞行
智能传感器技术
自主控制技术
多机编队协同控制技术
微小型化
4.1 深圳市大疆创新科技有限公司
4.2 零度智控（北京）智能科技有限公司
4.3 国内其它行业进入者
五、DJI几款产品市场价格情况
Phantom 2 Vision+ 6999
Phantom 2 Vision+ 7499 带额外电池套装
Phantom 2 Vision 5499 加电池套装
Phantom 2 + H3-3D云台 4899
Phantom 2 Vision 4999
Phantom 2 3399
筋斗云S900 + WooKong-M 11500
筋斗云S900 + A2 13500
筋斗云S1000+ + A2 16500
风火轮F450套装+风火轮起落架+Naza-M V2+F450挂
载件+Zenmuse H3-3D云台 4799
风火轮F450套装+风火轮起落架+Naza-M V2 \
风火轮F550套装+风火轮起落架+Naza-M V2+F550挂
载件+Zenmuse H3-3D云台 5599
六、多旋翼无人机投资策略
6.1 投资门槛——技术门槛
对于要求仅仅是在一般气象条件下飞，因为对飞行性能、续航时间和负载能力的要求非常有限，因此飞机完全可以用很简单粗暴的方式来设计结构与动力系统。结构效率和动力效率低下是非常正常的。
至于控制系统就更不必说。基于开源以及现有控制理论的研究，在足够多的试错之后可以将旋翼调试到基本可用的状态。
而硬件上，无论是电机、调速器（而不是驱动器）、电池、还是飞控里需要的处理器和惯性传感器组，都有非常多的货架产品可供选择。
6.2 投资门槛——资金门槛
若不需要做出极端水平的指标，花费其实颇低。想让产品具有较好的工程化水平会费些时间和金钱，但也不离谱。固定投入的话，像DJI那样上千人的企业其实并不多，大多数都只有几十人或百十人。且多是售后、销售等。核心研发人员无需很多。场地也不要很大。生产大多可以外包。就是如同个人作坊，都可以加入这个行业。所以开销不会太大的。