《迈向全自主超轻型无人机》最新124页论文

自主无人机作为革命性新兴技术，正重塑基础设施检测、军事侦察与警务监控领域。然而当前主流平台普遍存在重量大、成本高、操作复杂等局限，使其难以应用于密集城区等场景——政府法规严禁重型无人机在人群附近自主运行。重量主要源于机载计算资源需求，这些资源用于运行提供态势感知的关键计算机视觉算法。本论文阐述如何通过边缘计算在轻量级无人机上实现自主性：将高负载计算任务卸载至近端服务器。论证该技术可使自主飞行器在可接受的性能损耗下更接近FAA监管上限运行。同时揭示新型操作系统如何通过统一编程接口整合碎片化无人机生态，并展示其在商用现货硬件上构建异构协同无人机集群的能力。

无人机（Unmanned Aerial Vehicles）作为颠覆性技术已广泛应用。民用领域实现基础设施检测、农业监测、林火防控及警务监控等任务的安全低成本执行；军事领域则成为前沿侦察的关键工具。当前多数场景需配备持续操控无人机的人类飞手。近年研究致力于推动全自主飞行无人机发展——美国国家标准与技术研究院(NIST)将其定义为"预编程无遥控飞行，含响应实时观测的特定任务动作"[68]。该技术具双重优势：降低人力成本与注意力占用，并支持无人机集群协同任务执行。集群技术为军民领域革命性任务开启新可能[22]。全自主无人机的核心驱动力在于完成主动视觉任务[6,93]，要求无人机依据场景解析实时响应，例如自主降高"近距离观察"变化场景后返航继续监控。这类任务虽范围窄，却构成目标追踪、障碍规避等基础操作的核心特征。

重量是制约全自主无人机应用的根本障碍。更高智能需更强算力（导致更重机载设备）与更丰富传感系统。例如机载GPU需配套散热器、冷却风扇及大容量电池等冗长后勤保障链。重量增加使民用空域监管更严苛：自2021年起，FAA仅预授权总重低于250克的无人机在人与车辆上空飞行[50]。重型无人机需额外审批并满足防撞防坠落条件。即便超重，轻型机在城市超视距(BVLOS)自主飞行的获批难度也远低于重型机。该监管已成民用项目的重大阻碍。军事场景中重量同样关键——重型飞行器使后勤复杂化并常需专属运输载具[73]。

自主无人机推广还受限于软件可移植性、操作门槛、任务通用性及单机成本。虽存在统一编程生态尝试，厂商专属SDK开发仍是常态，导致代码移植困难并割裂开发者生态。现有全自主无人机需用户具备丰富飞行经验保障安全，大幅抬高操作门槛。多数产品缺乏通用性，无法执行制造商预设范围外的任务。当前自主无人机单机成本数倍于手动操控机型，严重削弱集群操作经济性——个体损毁在集群任务中属预期风险。

本研究核心贡献SteelEagle系统，通过边缘计算与模块化自主架构突破上述瓶颈。边缘计算使无人机通过低延迟高带宽无线网络，将计算密集型实时任务卸载至近地服务器（通常部署于基站附近），大幅降低机载硬件需求。同步开发的SteelEagle操作系统具备硬件无关性、开发者友好性与任务中心化特征，关键设计采用商用现货(COTS)[49]无人机及计算/通信载荷。该方案避免硬件定制（如机体改装）与特权软件修改（如设备"越狱"），降低成本并提升可及性，同时规避FAA/FCC再认证需求。但COTS方案也带来新挑战：轻量级COTS通信设备的热限问题引发延迟、帧率与质量风险，迫使系统智能管理通信、计算与预测环节。

论文结构如下：
• 第二章梳理自主无人机发展史及相关研究，阐明SteelEagle的技术基础
• 第三章探讨轻量COTS无人机边缘连接方案，解析设计挑战并制定机载通信载荷选型标准
• 第四章呈现SteelEagle系统设计全貌，对比现役系统优劣，演示自主任务执行并附性能分析
• 第五章推出改进型边缘通信载荷，论证其缩短系统"观察-调整-决策-行动"(OODA)循环周期，显著提升自主性能
• 第六章建立基准测试体系，量化边缘计算与全机载方案在关键任务中的性能表现，聚焦OODA循环在高延迟低吞吐场景下的变化规律
• 第七章通过驱动架构实现SteelEagle在多硬件平台与控制模式的部署，演示系统自适应能力并奠定断联操作基础
• 第八章总结研究成果并展望未来方向。