无人机行业现状与未来发展趋势

                    来源民航资源网 作者陈雪东 2018-07-09 15:08:27 我来说两句(2)

                    专业分类通用航空 文章编号38-2018-0072

                    无人机全称无人驾驶飞行器?#20445;Unmanned Aerial Vehicle英文缩写为UAV?#20445;?#26159;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?#21697;?#24335;视距重量尺度任务高度活动半径等详见下图

                    中国民航总局对无人机按重量1.5KG7KG25KG150KG5700KG划分为񡢢򡢢󡢢六类植保类无人机归属类无人飞艇归属类超视距无人机归属类实际运行中񡢢򡢢󡢢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?#20302;?#30340;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

                    7

                    一多旋翼无人机?#20302;?/b>

                    多旋翼无人机?#20302;?#20027;要由机架机身动力?#20302;场?#39134;行控制?#20302;场?#36965;控?#20302;场?#36741;助设备?#20302;?#20116;部分组成

                    图多旋翼无人机

                    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?#29616;?#36896;例如玻纤玻纤维ABSPP尼龙改?#36816;?#26009;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?#20302;?/font>

                    无人机动力?#20302;常?#23601;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?#20302;?#30001;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?#31181;?#39134;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?#21344;?#26080;人机主要在露天作业对电机电调?#20302;?#30340;稳定性要求较高需要定期进行检查保养?#28010;?#38450;潮

                    C飞控?#20302;?/font>

                    飞控?#20302;?#23601;是无人机的飞行控制?#20302;常?#19981;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?#20302;?#23545;无人机动力?#20302;?#36827;行实时调节一些高阶的飞控?#20302;?#38500;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?#20302;?#26159;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?#20302;?/font>

                    无人机遥控?#20302;常?#20027;要由遥控器接收器解码器伺服?#20302;?#32452;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?#20302;常?#20282;服?#20302;?#21017;根据信号做出相应的动作

                    E辅助设备?#20302;?/font>

                    辅助设备?#20302;常?#20027;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?#20302;场?#20113;台是安装在无人机上用来?#20197;?#30456;机的机械构件能满足三个活动自由度绕XYZ轴旋转每个轴心内?#21450;?#35013;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?#20445;?#20174;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?#20302;常?#22312;无人机航拍时候将天空?#20889;?#20110;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?#20302;?#20855;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?#20302;?/b>

                    固定翼无人机?#20302;?#30001;五部分组成机体结构航电?#20302;场?#21160;力?#20302;场?#36215;降?#20302;?#21644;地面控制站?#20302;场?/p>

                    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?#20302;?#30001;飞控电脑感应器酬载无线通讯等组成完成飞机控制?#20302;?#30340;需要

                    动力?#20302;?#30001;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?#20302;?#30001;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?#32423;?#20301;加速和刹车等?#20302;场?/p>

                    地面控制站包括地面站电脑?#30452;?#30005;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

                    固定翼无人机

                    图固定翼无人机

                    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?#26174;?#36895;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?#34180;?#21508;大无人机厂商的优势在于飞控?#20302;?#21644;云台?#20302;常?#36890;过技术积累使其自身产品比竞争对?#25351;?#31283;定?#25910;下?#26356;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?#20302;场?#19968;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?#20540;?#33268;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?#26174;?#30340;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?#36965;?#21040;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?#25293;?#20135;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?#26222;?#20004;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?#34892;?#36733;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?#20197;?#30005;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?#34892;?#32493;航时间约20?#31181;?#24038;?#36965;?#25353;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?#23545;?#26080;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?#22987;?#20540;扣减掉设备折旧?#25512;?#23427;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?#20449;种?#20445;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?#21495;?#26031;罗普格?#38472;?#20844;司生产的无人机全球鹰?#34180;?#22312;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

                    图全球鹰无人机

                    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?#31181;又?0?#31181;又?#38388;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?#29616;?#30340;大容量电池大多数无人机维持二十?#31181;行?#39134;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?#20302;?/font>

                    无人机通信?#20302;常?#30446;前主要使用900MHz1.4GHz2.4GHz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?#20302;?#24178;扰的问题将日渐突出

                    定位导航

                    无人机?#20302;?#30340;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?#32622;?#29992;和军用北斗?#20302;?#23450;位精度在10-20米基于导航卫星的无人机定位?#20302;常?#21508;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?#23545;?#19981;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?#21344;?#20013;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?#28304;?#20110;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?#24403;?#38556;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?#24471;?#21046;登记管理规定民用无人机登记注册?#20302;?#27491;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?#20302;?#31354;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?#20445;?#19981;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?#20302;?#39550;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?#24471;?#21046;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?#20013;?#39640;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?#20302;?#30340;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?#26174;?#27665;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?#34892;?#32493;航时间普遍未超过30?#31181;还?#19994;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?#36824;?#19994;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?#20302;场?#31995;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?#35828;?#27744;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?#27573;?#26426;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?#21450;?#19982;主题?#20063;?#20250;发生碰撞强?#19994;?#35270;觉震?#24120;?#24050;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?#28872;?#31354;已经成为独立商业模式将?#20013;?#25193;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?#21344;?#29305;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?#31181;?#22312;空?#20449;?#29031;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?#24066;?#31361;破多旋翼无人机滞空时间普遍在20-30?#31181;?#24038;?#36965;?#26080;线电或4G/5G无线网络控制?#28304;?#22312;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?#20302;场?#27668;压计测高?#20302;场?#21152;速计陀螺仪地磁仪等设备精度?#23545;?#26410;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?#23567;?#24037;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

                    此文仅对无人机行业提一些初浅认识不?#23383;?#22788;还望指教

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