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    无人机行业现状以及未来的发展趋势

    2018-07-18 15:47:48 来源: 民航资源网
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           无人机全称“无人驾驶飞行器”,(Unmanned Aerial Vehicle)英文缩写为“UAV”,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。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等,是信息时代高技术含量的产物。无人机价值在于形成空中平台,结合其他部件扩展应用,替代人类完成空中作业。随着无人机研发技术逐渐成熟,制造成本大幅降低,无人机在各个领域得到了广泛应用,除军事用途外,还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域,且其适用领域还在迅速拓展。
     
      无人机根据不同场景、平台、应用方式,可以进行不同分类,例如:应用场景、飞行平台、控制方式、视距、重量尺度、任务高度、活动半径等。
     
      中国民航总局对无人机按重量1.5KG、7KG、25KG、150KG、5700KG,划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ六类。植保类无人机归属Ⅴ类,无人飞艇归属Ⅵ类,超视距无人机归属Ⅶ类。实际运行中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ类无人机有交叉时,分属较高要求一类。串并行无人机编队,按机队总重量分类。
     
      进入21世纪,随着轻型复合材料的广泛应用,卫星定位系统的成熟,电子与无线电控制技术的改进,尤其是多旋翼无人机结构的出现,整个无人机行业进入快速发展阶段。
     
      无人机的飞行平台主要分为固定翼无人机、多旋翼无人机、直升无人机、其它无人机等,各飞行平台的优势、劣势、特点如下:
     
      一、多旋翼无人机系统
     
      多旋翼无人机系统主要由机架机身、动力系统、飞行控制系统、遥控系统、辅助设备系统五部分组成。
     
      A. 机架机身
     
      无人机的机架机身指无人机的承载平台,一般选择高强度轻质材料制造,例如:玻纤、玻纤维、ABS、PP、尼龙、改性塑料、改性PC、树脂、铝合金等。无人机所有的设备都是安装在机架机身上面,支架数量也决定了该无人机为几旋翼无人机。优秀的无人机机架设计可以让其他各个元器件安装合理,坚固稳定,拆装方便。
     
      B. 动力系统
     
      无人机动力系统,就是为无人机提供飞行动力的部件,一般分为油动和电动两种。电动多旋翼无人机是最主流的机型,动力系统由电机、电调、电池三部分组成。无人机使用的电池一般都是高能量密度的锂聚合电池,由于一些客观原因,传统每300g锂电池,可以为无人机500g(含电池)自重,提供17分钟飞行时间。氢燃料电池、太阳能电池等受制于现有的技术水平和成本,暂时还无法普及。无人机主要在露天作业,对电机、电调系统的稳定性要求较高,需要定期进行检查、保养、防水、防潮。
     
      C. 飞控系统
     
      飞控系统就是无人机的飞行控制系统,不管是无人机自动保持飞行状态(如悬停)还是对无人机的人为操作,都需要通过飞控系统对无人机动力系统进行实时调节。一些高阶的飞控系统除了保证飞机正常飞行导航功能以外,还有安全冗余、飞行数据记录、飞行参数调整和自动飞行优化等功能。飞控系统是整个无人机的控制核心,主要包括飞行控制、加速计、气压计、传感器、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多部件组成。
     
      D. 遥控系统
     
      无人机遥控系统,主要由遥控器、接收器、解码器、伺服系统组成。遥控器是操作平台,接收器接到遥控器信号进行解码,分离出动作信号传输给伺服系统,伺服系统则根据信号做出相应的动作。
     
      E. 辅助设备系统
     
      辅助设备系统,主要包括无人机外挂平台简称云台,外挂轻型相机,无线图像传输系统。云台是安装在无人机上用来挂载相机的机械构件,能满足三个活动自由度:绕X、Y、Z轴旋转,每个轴心内都安装有电机,当无人机倾斜时,会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力,防止相机跟着无人机“倾斜”,从而避免相机抖动,云台对于稳定航拍来说却起着非常大的作用。外挂轻型相机,主要为体积重量小巧,高清晰度相机。无线图像传输系统,在无人机航拍时候,将天空中处于飞行状态下无人机拍摄的画面,实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设备,优秀的无线图像传输系统具备传输距离远、传输稳定、图像清晰流畅、抗干扰、抗遮挡、低延时等特性。
     
      二、固定翼无人机系统
     
      固定翼无人机系统由五部分组成:机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站系统。
     
      机体结构由可拆卸的模块化机体组成,既方便携带,又可以在短时间内完成组装、起飞。航电系统由飞控电脑、感应器、酬载、无线通讯等组成,完成飞机控制系统的需要。动力系统由动力电池、螺旋桨、无刷马达组成,为无人机提供飞行所需的动力。起降系统由弹射绳、弹射架、降落伞组成,帮助无人机完成弹射起飞和伞降着陆。部分高级固定翼无人机采用滑行起降,需要额外设计起落架收放、减震、精准定位、加速和刹车等系统。地面控制站包括地面站电脑、手柄、电台等通讯设备,用以辅助完成路线规划任务和飞行过程的监控。
     
      三、无人机应用领域
     
      无人机应用领域主要分为三类,消费级应用、工业级应用、军事级应用。
     
      无人机应用领域汇总如下:
     
      消费级无人机应用
     
      以多旋翼无人机为代表的消费级无人机应用市场,已经进入快速成长期,根据公开数据显示,消费级无人机应用市场每年有超过50%以上增速,消费级无人机产品种类与服务日益丰富,行业出现领军企业大疆,占据70%以上的消费级无人机市场份额。
     
      消费级无人机的技术门槛并不高,一套开源程序就可以支持飞行器的起飞和降落,任何人都可以用开源程序做一套无人机平台。入门级的消费无人机产品,已经变成红海,各大厂商为很薄的利润而厮杀。各大无人机厂商的优势在于飞控系统和云台系统,通过技术积累使其自身产品比竞争对手更稳定、故障率更低。
     
      在美国、德国的相关航空展上,已经出现了许多不逊色于大疆的无人机技术系统。一些有能力将成本做到极致的国内巨头企业,也纷纷进入消费级无人机产业掘金。
     
      新型轻质材料的广泛应用,飞控核心技术成熟让消费级无人机行业门槛进一步降低,加剧行业竞争。行业竞争的加剧又导致无人机产品分化,各大厂商开始走差异化路线,针对不同用户需求推出不同的产品。例如:针对巡检市场推出价格低廉、维护简便、航程相对较远的无人机产品;针对安防市场推出续航时间长,能在恶劣环境工作、图传效果好的无人机产品。
     
      预计2018年民用消费级无人机市场规模约180亿元人民币,到2025年将达到约300亿元人民币。
     
      工业级无人机应用
     
      工业级无人机和消费级无人机是完全两个不同的概念,产品也有天壤之别。刨去电磁散逸、保密通讯等专业技术问题,工业级无人机在大规模应用的道路上还有两个关键壁垒需要突破:一是航程和滞空时间不足;二是载荷能力不足。在突破这两个技术难点前,工业级无人机很难在产业中大规模应用。另外成本问题,也是不得不去考虑的现实问题,数万元的工业级无人机,需要充分考虑投入产出比。
     
      以现在的电池技术、无人机结构,在有效载荷和续航时间上,不可能有革命性突破。电池技术10多年来几乎原地踏步,从石墨负极、硅负极、金属负极、石墨烯,材料学家在电池方面的革新无所不用其极,论文天天发,投资叠叠加,但电池产品的突破并没有出现。
     
      当前工业级无人机有效续航时间约20分钟左右,按作业最大水平飞行速度5米/秒计算,工业级无人机单次飞行最远距离6公里,考虑往返程和安全冗余,实际作业半径不会超过3公里。以无人机电力巡检为例,只有3公里作业半径的无人机高空巡检,是远远无法满足工业级实际生产需要的。
     
      工业级无人机单价一般在2万-8万元,甚至也有数十万元一架。无人机创造的实际价值,扣减掉设备折旧和其它费用后,是否有剩余收益,这是一个现实的财务问题。
     
      工业级无人机市场还处于摸索与投入期,但考虑到未来巨大市场潜力,国内各大无人机厂商相继进入这个领域。
     
      预计到2025年,工业级无人机市场规模约400亿,其中农林植保约200亿,安防市场约为150亿,电力巡检约为50亿。
     
      军事级无人机应用
     
      军事级无人机应用,已经成为另一个独立产业。无论国内、国外都有很多非常成功的产品应用于实战,例如:诺斯罗普·格鲁曼公司生产的无人机“全球鹰”。在军事应用中,每个国家都有专注于该类市场的相关企业,开发满足不同需求的专业无人机。
     
      四、无人机技术现状
     
      续航
     
      市面上的无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力,续航能力一般在20分钟至30分钟之间。因无人机技术方案不同,续航时间有所差别,无人机需要尽可能减轻起飞重量,所以无法携带较重的大容量电池,大多数无人机维持二十分钟有效飞行之后,就必须更换电池或者插上充电线。无人机电池充电时间,一般每次一个小时以上。这是无人机一个致命的短板,大大限制了行业的快速良性发展,解决无人机电池续航能力迫在眉睫。
     
      通信系统
     
      无人机通信系统,目前主要使用900MHz、1.4GHz、2.4GHz无线电频段,其中1.4GHz主要作为数据通讯频段,2.4GHz主要作为图像传输频段,900MHz不建议使用。工信部已经制定无线电相关使用准则,规范无人机行业的无线电频段使用。公共无线电通信链路,抗干扰能力弱,尤其是同频干扰无法避免。只需采用几种特殊干扰方法,就可以实施对无人机指定无线电频段的定向干扰,今年五一西安无人机编队表演异常就是通信信号干扰造成的。随着无人机的数量指数级增长,无人机通信系统干扰的问题,将日渐突出。
     
      定位导航
     
      无人机系统的定位导航,普遍采用GPS和北斗双模模式。GPS定位分为码定位和载波定位,码定位速度快,一般民用精度为3-10米,军用精度为0.3米;载波定位速度慢,不分民用和军用。北斗系统定位精度在10-20米。基于导航卫星的无人机定位系统,各大无人机厂商优化自己的算法,使精度勉强达到米级。但受地形、天气等客观条件影响,导航卫星信号易干扰,精度稳定性不足的问题有待解决。民用无人机依靠卫星定位,在不用差分定位技术辅助的情况下,米级精度已经是极限。这样精度,在工业应用领域远远不够。米级的定位精度,不足以支撑无人机自动控制。
     
      差分辅助定位技术,其原理是通过GPS或北斗卫星信号与已知真实基准站坐标对比,实现快速厘米级精度定位。无人机千机编队表演基本都采取这种技术,但在自由空间中,不具备这样条件。
     
      避障
     
      避障技术,对于主流的无人机飞行至关重要,但现有的解决方案仍处于探索阶段。为确保公共安全,需要不断改进传感器、传感算法和无人机设计。无人机避障技术主要有四套解决方案:红外线传感器方案、超声波传感器方案、激光传感器方案以及视觉传感器方案。在地面行驶的无人汽车避障问题彻底解决之前,无人机避障技术还有漫长路要走。
     
      五、无人机相关规定与法律法规
     
      2018年1月,《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》公开征求意见。
     
      2017年6月,《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》,民用无人机登记注册系统正式上线,起飞重量超过250克以上的无人机,必须实施登记注册。建立无人机登记数据共享和查询制度,实现与无人机运行云平台的实时交联。2016年9月,《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》,保障民用航空活动的安全,加强民用无人机飞行活动的管理,规范其空中交通管理的办法。
     
      2016年,《关于促进通用航空业发展的指导意见》,低空空域定义由1000米以下,提升到3000米以下。2015年,《轻小型无人机运行试行规定》,起飞全重7公斤以上无人机,必须接入“电子围栏”,不得在禁飞区使用无人机,无人机驾驶员需要持有操作执照。
     
      2014年,《低空空域使用管理规定(试行)》征求意见稿,将低空空域分为管制空域、监视空域和报告空域,其中涉及监视、报告空域的飞行计划,企业需向空军和民航局报备。2013年,《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》,由中国AOPA协会负责民用无人机的相关管理。
     
      划定禁飞区、无人机摸底统计、操作员实名制,国内无人机相关法律法规监管政策,整体趋严,彰显政府推进行业规范化发展的决心。
     
      六、无人机行业未来发展趋势
     
      民用消费级无人机,持续高速增长
     
      民用消费级无人机市场的高速增长不可避免。轻质复合材料、通信系统的发展提供了基础条件,飞控技术的成熟,使得多旋翼无人机操作更灵活、更便利。受惠于产业链成熟,传感器、磁罗盘等零配件成本减少,消费级无人机价格大幅降低,无人机与摄像头的结合在民用航拍、影视航拍等场景得到了广泛应用,实现销售级市场的突破。
     
      民用工业级无人机,技术突破前较难实现大规模应用
     
      民用工业级无人机续航时间有待提升,目前有效续航时间普遍未超过30分钟;工业级无人机飞行稳定性有待提升,在风、雨、雪等复杂环境下无人机飞行稳定性较差,还需改进;工业级无人机负载能力有待提升,小型工业无人机载重较差,制约在农药喷洒、物流等场景的应用。农林、安防、电力三个领域的,受限于续航、载重、稳定性因素制约,在技术突破前,较难实现民用工业级无人机的大规模应用。另外工业级无人机的价格昂贵,在追求投资收益的生产应用领域,也是需要考虑的现实问题。
     
      系留无人机,应用场景广阔
     
      在电池技术未突破,无人机续航问题未解决前,一种通过外接电线的系留无人机值得关注。系留无人机是将无人机和系留综合缆绳结合起来实现的无人机系统。系留无人机通过光电综合缆绳给无人机传输电能,使无人机可以不受电能限制而长时间停留在空中,其结构大小、制作材料可以根据应用需求来灵活设计,机动性较强,很好的满足了部分工作环境对无人机长时间滞空需求。系留无人机减轻了电池负荷,通过一根电线为无人机提供电能,同时利用电线对无人机进行有线控制、图像传输具有极高的抗干扰能力。由于是地面电源有线输入,理论上系留无人机可以无限滞空作业。在不需要无人机大范围机动的定位观察、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻采访、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等领域,有广泛应用前景。
     
      无人机千机编队文艺演出,将成独立的商业模式
     
      数千架无人机编队飞行表演,在广州、成都、西安等多地上演,数千架无人机可以进行复杂的编队飞行,组成的不同的图案与主题,且不会发生碰撞。强烈的视觉震撼,已经获得市场的广泛认可。无人机千机编队表演,无数“萤火虫”点亮夜空,已经成为独立商业模式,将持续扩大影响。
     
      无人机相关行业监管政策,将逐步趋严
     
      无人机在推广和使用过程中,出现了一系列的安全隐患和监管漏洞,比如误闯禁飞区、小区飞行干扰休息等,这类现象对公共安全和个人权益造成一定影响,政策层面在不断完善和加强无人机领域的专项管理。由于国内对公共安全领域的高度关注,无人机监管政策总体趋严。
     
      七、小结
     
      无人机是未来航空发展趋势之一,当前在航空机体材料、飞行定位、航空控制领域有所突破。随着技术成熟,零配件成本降低,以多旋翼无人机为主小型民用无人机将成为市场热点。由于航程短、航速慢等特点,多旋翼无人机在安全级别低、稳定性要求低、在无滞空时间特殊要求的领域,有较大的应用空间,特别是利用飞行特质的航空拍摄,空中巡检、航空表演等领域。一个小型的无人机只需花几分钟在空中拍照,就可以完成这类对人来说非常艰巨而又危险的任务。
     
      由于目前电池技术未实质性突破,多旋翼无人机滞空时间普遍在20-30分钟左右,无线电或4G/5G无线网络控制皆存在可靠性低,抗干扰能力弱,稳定性不足的制约。航空普遍使用的GPS/北斗定位系统、气压计测高系统、加速计、陀螺仪、地磁仪等设备精度远远未达到无人控制的精度要求,因此真正工业级无人机大规模、高精度、稳定应用还有待时日。个人认为,在无人驾驶汽车大规模商业应用前,无人机不具备无人应用条件。
     
      近年随着无人机行业的快速发展,消费级无人机市场已经进入成长期,国内无人机研制领域原有的竞争格局渐被打破,市场格局正处于巨变和重塑的过程中。工业级无人机市场,还在前期探索期,快速成长还有待全行业的共同努力。(中测网 史婉婉)
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