本書介紹了無人機完成典型任務的基本工作方法，并指導如何采用不同的方法解決問題，使得任務與方法相適應。因此，本書旨在為無人機項目提供系統工程方法，真正找到獨立于應用之外的問題的解決方法。

本書首先介紹飛速發展的航空機器人領域的相關情況，然后介紹無人機的任務框架，包括自主性、任務分析、人-無人機協同、同構和異構無人機協同、無人機-無人地面車輛協同。接著考慮通用機器人問題，包括定向運動和覆蓋等，還介紹了無人機部署、巡察與捕獲，最后探討了無人機的重要應用——航空搜索、跟蹤與監視。

本書適用于無人機行業工程技術人員和研究工作者。對于工程技術人員，它提供了根據任務分類的現有解決方案，包括：監視和偵察，三維繪圖，城市監控，精準農業，林業，災害評估和監測，安全性，工業場地巡察，等等。對于研究工作者，它提供了相關通用機器人問題的綜述，包括覆蓋和定向運動，部署、巡察與捕獲，以及搜索、跟蹤與監視。本書還給出許多相關領域問題的設計和分析，包括機器人技術、運籌學、控制理論和計算機科學等。

無人駕駛航空是一個令人興奮且快速發展的行業，且有望成為航空領域的基本組成部分。本書的主題是無人機（UAV）的民事應用（或任務）。無人機具有遍及許多行業的潛在創新應用。無人機是較為經濟的合理選擇，為了增強其生產力，提高無人機的自主性變得至關重要。無人機系統（UAS）正在改變航空系統的特性，這是經濟增長的主要推動力。

無人機能夠攜帶多個傳感器、發射器和成像設備。目前，大多數無人機應用都屬于遙感領域，例如用攝像機或超光譜成像傳感器進行測量。隨著無人機的應用不斷增加，它們涉及各行各業：從娛樂業到農業，再從建造業到快遞市場，以及執法跟蹤運動目標、追蹤野生動物、勘測災害現場、搜索或救援、物體操縱、全球網絡和電信、遠程監控和數據采集，等等。無人機的能力是成功的關鍵因素。無人機的用途很可能會持續多年并不斷增加，因此，迫切需要了解當前已有的以及未來的無人機類型。

本書的目的是提供無人機完成典型任務的基本工作方法，并指導如何采用不同的通用機器人方法來解決這些問題，使得任務與方法相適應。因此，本書旨在為無人機項目提供系統的工程方法，找到真正需要解決的獨立于應用之外的問題。第1章的概述能讓讀者進入飛速發展的航空機器人領域。第2章介紹無人機的任務框架，包括自主性、任務分析、人-無人機協同、同構和異構無人機協同、無人機-無人地面車輛（UAVUGV）協同。第3章主要考慮通用機器人方面，包括定向運動和覆蓋。第4章介紹了無人機部署、巡察和捕獲（搜尋目標）。第5章探討了無人機的一個重要應用——航空搜索、跟蹤與監視。

本書適用于無人機行業的工程技術人員和研究人員。

1對于工程技術人員，它提供了根據任務進行分類的現有解決方案，包括：監視和偵察，三維繪圖，城市監控，精準農業，林業，災害評估和監測，安全性，工業場地巡察，等等。

2對于研究人員，它提供了關于通用機器人方面的綜述，包括定向運動和覆蓋，部署、巡察和捕獲，以及搜索、跟蹤和監視。對許多相關領域，包括機器人技術、運籌學、控制理論和計算機科學等，給出了獨特的綜合問題算法的設計和分析。

本書的結構如下。

第1章解釋本書的目的和范圍。介紹了美國和歐洲的法規，包括聯邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）的相關要求。然后提供了一些案例研究，并回顧無人機領域的現狀。本章還考慮了無人機領域典型的應用情況，包括精準農業與環境、測繪海岸線或土壤侵蝕、監視物種和建筑工地、探測礦山、監控大型網絡、診斷建筑物的狀況以及土建工程和災害。配備紅外和光學傳感器的無人機可用于探測和監視在重要救援任務中困在危險區域的人。配備熱、視覺、多光譜成像和化學檢測傳感器的無人機可用于工業中的遙感作業、精準農業、搜索和救援以及安全等任務。與有人駕駛飛機不同，為了提高傳感器數據的精度，無人機能非常靠近地面設施飛行，即使在夜間或沒有通常干擾的環境中，無人機也能按照規定的要求進行作業而不會危及駕駛員的生命安全。到本章結束，讀者可掌握一些風險分析和經濟可行性的快速變化規律，以及各種可能的無人機任務。

第2章的主要內容包括自主性、人-無人機協同、同構和異構無人機協同、無人機-無人地面車輛協同，以及任務分析。自主性系統有兩個主要目標：一是理解任務，二是在執行任務過程中對不確定的任務、環境和系統做出相應的反應。能夠適應各種任務的高級自主性系統可以進行自動任務規劃并識別要執行的任務。協同無人機系統對于快速感知和探測任務是一種非常好的方式，可以提高信息融合的精度，完成一架無人機無法完成的任務。協同無人機系統包括同構無人機協同和異構無人機協同。另一種機器人協同是具有互補能力的無人機-無人地面車輛協同，它可以以更高精度完成更復雜的任務。自主性構架是在不同的自主性級別上形成的。無論什么應用，不同的任務都有著共同的特征，都可以使用一些通用算法來提高性能和可靠性。當然，任務的特殊性也應該考慮。由于監管控制系統固有的不確定性，因此人類要參與更高級別的規劃、決策和遠程操作，人-無人機協同是有益的。到本章結束，讀者將掌握當前研究的無人機任務系統的方法，以及了解不同類型機器人在空中或地面的協同方法。

第3章主要討論通用機器人方面的內容，如定向運動和覆蓋范圍。定向運動是機器路徑問題和相關內容的概述。協同的定向運動是一個多層次的組合優化問題。在航空機器人中，覆蓋范圍定義如下：無人機必須通過傳感器對有界區域內的所有可用空間進行全覆蓋。一些子問題也需要解決，如柵欄覆蓋、面積和邊界覆蓋。區域和邊界監視是最顯著的無人機應用。這樣的任務可能是重復的或危險的，因此可以使用受控的無人機協同以更有效和更安全的方式來解決。與傳統覆蓋相比，無人機協同持續覆蓋環境，環境的覆蓋水平總是在不斷變化。出于這個原因，無人機必須不斷飛行以保持所需的覆蓋面。無人機通常可以確定地或隨機地放置在感興趣的區域中。到本章結束，讀者將獲得可行的搜索算法及其在無人機定向運動和覆蓋中的應用等知識。

第4章中部署方法的選擇在很大程度上取決于無人機傳感器的類型、應用以及無人機所在位置的飛行環境。當無人機非常昂貴或其飛行嚴格受到所在位置的影響時，按受控節點進行部署是可行的，也常常是必要的。在無人機任務規劃中，一些無人機可能需要攜帶各種傳感器來巡察一組目標，每個目標都指定了一個收益，規劃者的目標是使總收益最大化。為了解決任意多個機器人協同的區域巡察問題，需要智能的協同策略，以便目標區域內需要警惕的所有監視點都可見。捕獲涉及3個基本技能：感知和目標定位、接近目標至可達的范圍、以某種方式處理目標。這可能涉及需要與發現目標的無人機進行通信，或者對單架無人機無法運輸的大型物體進行協同運輸。到本章結束，讀者將掌握使用一些通用機器人算法來實現無人機部署、巡察和捕獲。

第5章討論的是搜索運動目標并在發現目標后進行跟蹤的問題。該問題因為以下幾個因素變得復雜：多架無人機、運動目標、有限資源，以及異構無人機的性能。此外，搜索規劃和任務分配的緊密耦合增加了問題的復雜性。為了完成目標監視，必須設計一系列復雜的行為。它們通常包括盡可能多地收集給定限制條件下的信息，以及針對發現的目標與操作人員進行通信等，觀察員通常在信息快速變化且不可預測的環境下進行操作。他們必須決定采取什么行動以及如何幾乎同時地與其他觀察員協調操作，并接受高強度訓練以做出快速的反應。與此同時，觀察員在有限的資源、可預期的無人機剩余壽命以及規定時間內適合的目標等情況下做出戰略性的決策行動。到本章結束，讀者將獲得現實生活中遇到的不同類型的搜索、跟蹤和算法方法等知識。

第6章給出了一些總結性的結論，同時對未來環境中民用無人機任務進行了綜述。