成千上万的四旋翼飞行器在四周盘旋

环球快车

看到这么多人关注这个问题非常惊奇，看到很多人在回答里提到 DJI 也非常惊奇。作为 DJI 员工、机器人和无人机行业的从业人员，把在知乎上第一个正经的回答给这个问题了。
本文的目的如下：
1. 介绍什么是无人机
2. 介绍四轴飞行器的历史
3. 介绍民用四轴飞行器市场的目前状况
4. 回答题主的问题
并且字里行间给 DJI 打广告……
1.
楼上各位目测都不是研究机器人的，而且确实我也发现国内目前正儿八经研究机器人、无人机并且还能活跃地上网关注前沿动向、热爱写科普文章的研究人员真心不多。因此所有回答里没有人真正说明白无人机是什么，而理解无人机是什么是回答这个问题的先决条件。
首先，无人机就是不载人的飞行器，而说到飞行器，通常我们把飞行器分为三类（我就不上图了，愿意了解可以自己搜索）：
1) 固定翼(fixed wing)。平时坐的波音 747 空客 380，还有 F-16 歼 -15 之类的都是固定翼飞机。顾名思义就是翅膀形状固定，靠流过机翼的风提供升力。动力系统包括桨和助推发动机。固定翼根据机翼尺寸的不同还有很多小的分类，在此不细说。固定翼飞行器的优点是在三类飞行器里续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大，缺点是起飞的时候必须要助跑，降落的时候必须要滑行。
2) 直升机(helicopter)。特点是靠一个或者两个主旋翼提供升力。如果只有一个主旋翼的话，还必须要有一个小的尾翼抵消主旋翼产生的自旋力。为了能往前后左右飞，主旋翼有极其复杂的机械结构，通过控制旋翼桨面的变化来调整升力的方向。动力系统包括发动机、整套复杂的桨调节系统、桨。直升机的优点是可以垂直起降，续航时间比较中庸，载荷也比较中庸。缺点是极其复杂的机械结构导致了比较高的维护成本。
3) 多旋翼(multi-rotor)。四个或者更多个旋翼的直升机，也能垂直起降，但是通常只有直升机叫直升机，多旋翼就叫多旋翼，而不叫多旋翼直升机。四旋翼特别叫做 quadrotor。多旋翼机械结构非常简单，动力系统只需要电机直接连桨就行。下图是直升机的动力系统结构，再下图是多旋翼的动力系统结构。不懂机械的人也能看出多旋翼简单得多。多旋翼的优点是机械简单，能垂直起降，缺点是续航时间最短，载荷也最小。


上文谈到了三种飞行器外形和续航时间的不同点，这里要再说一些更理论的不同之处。
首先，固定翼是自稳定系统，简单说就是固定翼飞上天、助推发动机稳定工作之后，不需要怎么控制，固定翼就能自己抵抗气流的干扰保持稳定（当然也有蛋疼的人设计不稳定的固定翼，这比较小众我们可以暂时忽略……）。此外对于飞行器姿态控制来说，固定翼是完整驱动系统，意思是它在任何姿态下可以调整到任何姿态，并且保持住这个姿态（当然失速的时候不可以，但是失速是特殊情况，我们也可以忽略……）。
其次，直升机是不稳定系统，飞上天之后如果不施加控制，一阵风吹来就翻了。不过还好的是，直升机也是完整驱动系统，可以自由调整姿态。这是因为直升机的桨面不但可以产生相对机身向上的推力，也可以产生相对机身向下的推力。而且直升机没有失速的问题，什么时候都能调整姿态，可以在天上如散步一般自由运动。所以直升机虽然不稳定、很难控制好，但是姿态翻了的时候完全可以控制回到正常的姿态。
最后，看官们可能猜到了，多旋翼是不稳定系统，也不是完整驱动系统（或者叫欠驱动系统）。它的桨只能产生相对机身向上的升力。所以它不稳定、很难控制好，飞行器翻过来之后基本没办法控制回来，就坠机了。
2.
因为上述飞行器作为系统有稳定不稳定、驱动完整不完整的区别，所以固定翼和直升机让人控制难度相对不高；多旋翼让人来控制难度相对高，最好有自动控制器来控制飞行器的姿态。对于自动控制器，固定翼的自动控制器比较好做，直升机和多旋翼的自动控制器比较难做。让事情更加难办的是，飞行器自动控制器通常需要惯性导航系统获取自身的姿态，而在 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。为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是人们发现，不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到足够的载荷。同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。
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。
因此，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。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。
四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到 2009 年的著名印度电影《三傻》…… 2010 年，法国 Parrot 公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器 AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用 WIFI 传送相机图像到手机上。
AR.Drone 的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。
2012 年 2 月，宾夕法尼亚大学的 Vijay Kumar 教授在 TED 上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是 TED 成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。
自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。
3.
谈论四旋翼飞行器的市场，我们应该先谈论 DJI。
DJI 创始人汪滔早年是一个直升机模型的爱好者，但是也是一个怎么练习都控不好直升机的爱好者= =! （还记得我们说过直升机是不稳定系统吧）。摔一次直升机模型就要花几千块钱去修，即使像汪滔这样的高富帅也忍不了。于是 2004 年，汪滔在大四的时候开始做直升机的自动控制器，当时商用的 MEMS 惯性导航系统已经比较成熟了。经过几年的筚路蓝缕的潜心研发，在 2008 年汪滔做出了一套相当稳定的直升机自动控制器，还在当年的汶川地震中参与了救灾勘测活动。2009 年，汪滔带着自己的直升机在珠峰地区进行测试飞行，这是人类历史上第一次让无人飞行器在高海拔地区飞行。
汪滔早年让 DJI 专注在直升机自动控制器上。不过在 2010 年，AR.Drone 的成功让汪滔也开始考虑四旋翼飞行器产品。2012 年 DJI 相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和 S800 六旋翼飞行器。当时，在 AR.Drone 的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮，DJI 只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。
当新技术产生的时候，人们总是充满希望用这些技术赶快赚钱，但是很多技术如果找不到合适的应用，就会流于衰败的命运。2012 年的时候，研发四旋翼产品的人们在热情之余也存有一丝迷茫：四旋翼飞行器是很好玩，但是它除了作为玩具之外，还有什么价值呢？就像 AR.Drone 被定义成玩具一样，DJI 最早的多旋翼产品也被人定义成玩具、航模。2012 年底的时候，我碰到一个天使投资人，他直言自己不看好 DJI 这样的玩具公司。
这个问题在 2013 年得到了解答。随着 DJI Phantom 在 2013 年 1 月的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。Phantom 与 AR.Drone 一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom 尺寸比 AR.Drone 大的多，抗风性更好，还具有内置 GPS 导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用 GoPro 运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而 Phantom 提供了挂载 GoPro 的连接架，让用 GoPro 相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像 iPhone 重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说 Phantom+GoPro 重新定义了航拍，也重新定义了相机。
Phantom 迅速成为了世界上销量最大的四旋翼飞行器，每月销量成千上万。随着 Phantom 的成功，“多旋翼航拍影像系统”成为了 DJI 的主要发展方向。按照多方进行的数据统计，目前全球称为航拍影像系统的产品中，DJI 产品的销量超过 5 成，是名符其实的行业领导者。前面有朋友说在国内大疆怎么怎么样，国际怎么怎么样。事实是，你觉得 DJI 在国内的销量很大，但其实国内销量差不多是国外销量的零头，而世界上大部分可以被 DJI 视为竞争对手的公司各自销量也是 DJI 销量的零头。基本 DJI 是在哪里都完爆其他公司的节奏。
其他四旋翼公司看到了 DJI 的成功，也开始纷纷跟进，但是持续创新的 DJI 始终走在他们前面。DJI 很快做出了精准的相机消抖云台，让 S800 的航拍影像质量达到了电影级别，在好莱坞的电影拍摄者中建立了良好的口碑，也带动了“航拍公司”这个产业的形成。DJI 发明了四旋翼系统的黑匣子 IOSD，让飞行数据可以被记录、分析，增加飞行的安全性。DJI 开发了优秀的图传系统，提高了远程实时图像传输的质量……2013 年下半年，以“会飞的相机”为宣传语的 Phantom Vision 带着一体化的相机和改进的电池系统面世，进一步提升了航拍的体验。
DJI 优秀的 marketing team 借助在好莱坞的人脉迅速拓展了大量名人作为 Phantom 的用户，在北美广为人知。（另一个由董事长流传出来的段子是：比尔盖茨买了他的第一个 iPhone 就是为了下载 DJI 的 app 看 Phantom 的相机……当然这个段子听起来不太靠谱，难道就不能买 Android 么我们也是做了 Android 的 app 的啊）
DJI Phantom 受到的赞誉不能再多，我就不继续打广告了。各位看官所知道的许多杂志、媒体、一些世界上知名的人物，都发表过对 Phantom 正面的赞扬。反而因为 Phantom 主打国际市场，国内报道相对比较少。
今天你拿到一架 DJI Phantom 的时候，要记得仅仅 10 年前，还没有这样的飞行器飞在地球上；仅仅 5 年前，这架飞行器上大部分的技术难关还没有被克服；仅仅 1 年前，这架飞行器还不像飞机等商业飞行器一样具有完整的安全保护和数据记录设备。你所拿到的，是人类二十年来在系统控制论、空气动力学和微电子制造方面最顶尖的智慧结晶之一。不知道这么说，会不会让拥有 Phantom 的看官下次炸机的时候稍微对 DJI 多一点容忍……毕竟是个复杂系统，出错不可避免。汽车发展了一百多年，偶尔熄火爆胎都是避免不了的，四旋翼只发展了几年而已。
所以现在四旋翼飞行器的市场一部分是以 AR.Drone 和比他尺寸更小的玩具市场，另一部分是 DJI Phantom 和 DJI S1000 这个尺寸段的航拍飞行器市场。玩具市场暂且不说，航拍飞行器市场据分析未来几年会发展到 100 亿美元的规模。
4.
乔布斯说过：“people don't know what they want until you show it to them.” 两年前，当四旋翼无人机还处在玩具阶段的时候，没有人知道它能用来干什么。而现在，当成千上万的四旋翼飞行器在我们四周盘旋的时候，成千上万的新想法也随之起飞了。随着亚马逊、DHL 和顺丰相继进行多旋翼飞行器测试送快递，随着媒体不断报道哪个国家的谁谁谁又用四旋翼飞行器做了啥啥啥应用，诸如送快递、输电线路勘测、野生动物保护、安防监控之类的想法似乎都已经不是新鲜名词了。四旋翼飞行器的市场似乎变得很大。
人们热切地提出各种各样的想法。在 DJI，几乎每天都有人来找我们说你们的飞机能不能用来作啥啥啥，其中不乏一些世界 500 强公司的代表。大部分这些想法通常是不切实际的，因为人们通常不理解四旋翼飞行器和直升机以及固定翼的区别，不明白什么样的应用应该用什么样的飞行器，这就是为什么开头我要花巨大的篇幅来解释无人机的分类。比如说，勘测稻田这个事情，显然是固定翼更合适，因为它飞行半径大，续航时间长。而勘测温室里的植物，显然是四旋翼更合适，因为它尺寸小、灵活、运动更自由。
通常一个公司如果专注于做一类飞行器，很难快速地切换去做另一类飞行器。比如做四旋翼飞行器需要大量做控制的人才，而做固定翼需要大量懂空气动力学的人才。同一个团队基本不可能又能做四旋翼又能做固定翼。所以一个无人机公司如果不是非常有钱，应该专注在三种飞行器中的一种上。
好，如果还有人耐心地看到这里的话，我终于可以回答题主的问题了。一个字，好。
套用汪滔自己的话说：“人类对飞行的梦想是与生俱来的。”你已经看到人们的创意如何在一两年之内被四旋翼点燃起来，想必当人们更加了解三类飞行器的优缺点之后，更多的公司进入各种飞行器行业，更多的飞行器被制造出来，更多的想法也会被创造出来，这样更大的市场也会形成。我相信在未来的十年之内，无人机行业会逐步壮大，我们今天产生的所有想法基本都会实现，更多的想法也会逐步被实现，利用无人机的应用越来越多，无人机将会变成我们生活不可或缺的部分。
当然，三种无人机的比例会在不同时期有所不同。四旋翼市场很可能萎缩，因为它续航时间短，载重量小，还像蚊子一样嗡嗡叫，不合适大多数我们想实现的应用。现在人们觉得可以用四旋翼送快递或者干这个干那个，完全只是因为 you show it to them。如果将来有人设计了一种利用固定翼送快递的方案，显然能送更多的东西，更省电，也更安静，那么很可能人们主要会研究用固定翼送快递。人们暂时只是被成熟的四旋翼解决方案冲昏了头脑，以为四旋翼无所不能，但这种看法是不完整的。
针对楼上朋友们谈到的一些话题再说一点点：
1. 我根本没提法律问题。因为汽车刚被发明出来的时候，有法律要求汽车速度不能超过马车。
2. 广告： DJI 产品内置机场附近禁飞功能。
3. DJI 招人要求很高……