無人直升機(jī)在民用行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展

周 帥

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚州 225001）

0 引 言

民用領(lǐng)域所廣泛使用的無人機(jī)主要包括固定翼和旋翼2類機(jī)型。固定翼無人機(jī)由于其在飛行載荷、飛行距離以及航速方面具備一定的優(yōu)勢，因此在執(zhí)行快速、大面積圖像采集任務(wù)中應(yīng)用較多。和固定翼無人機(jī)相比，無人直升機(jī)可以做到無需跑道、起降便利，同時在執(zhí)行任務(wù)過程中具備定點懸停、飛行姿態(tài)操縱靈活、實時動態(tài)影像清晰穩(wěn)定的特點，在對勘查影像結(jié)果要求較高、注重任務(wù)細(xì)節(jié)和質(zhì)量的行業(yè)，得到越來越多的用戶青睞。本文對無人直升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀、其在國內(nèi)關(guān)鍵民用行業(yè)的應(yīng)用以及發(fā)展趨勢做了深入的研究和探討。

1 國內(nèi)無人直升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，國內(nèi)已發(fā)展了多種無人直升機(jī)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同大致可以分為3類（如圖1～圖3所示）：一是常規(guī)單旋翼式；二是共軸雙旋翼式；三是非常規(guī)雙旋翼式或其他多旋翼式［1］。

圖1 常規(guī)單旋翼式

圖2 共軸雙旋翼式

在民用領(lǐng)域，根據(jù)各行業(yè)應(yīng)用的不同需求，無人直升機(jī)在設(shè)計參數(shù)（如機(jī)身尺寸、載荷大小、續(xù)航時間、飛行高度、航速等）上都有嚴(yán)格要求。目前單旋翼式無人直升機(jī)用途最廣，其機(jī)身長度在2～3 m之間，載荷范圍5～10 kg，巡航時間在60～120 min內(nèi)，多用在長航時、大載荷并且對使用環(huán)境要求苛刻的行業(yè)；雙旋翼式機(jī)身長度在1～2 m之間，載荷小于5 kg，續(xù)航時間約1 h，多用于中短距離巡視任務(wù)；多旋翼式無人機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊輕便，旋翼直徑在80 cm左右，載荷小于2 kg，續(xù)航時間在30 min左右，在追求高性價比、運輸便攜的行業(yè)用得較多。

圖3 多旋翼式

2 重點行業(yè)應(yīng)用分析

2.1 電力巡檢和長輸油管道巡檢

無人直升機(jī)在電力行業(yè)主要用于電力巡線和電力放線。

傳統(tǒng)的電力巡線是采用人工巡檢電力設(shè)施的方法，需要對桿塔、電閘、變壓器以及故障線路等進(jìn)行檢查，巡線過程中數(shù)據(jù)的采集和錄入也是使用人工記錄的方式。整個過程效率較低、采集的數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確性和完整度不高，特別是在某些惡劣環(huán)境下，檢修工作難以開展，并且可能會威脅到巡線人員的人身安全。而在電力放線方面，這幾年來國家很多電力工程項目都集中在新疆、貴州、云南等省份，多數(shù)線路會穿越地形復(fù)雜、氣候惡劣的環(huán)境，如冰雪、崇山峻嶺、湖泊等地域，而在城區(qū)內(nèi)常常需要跨企業(yè)、居民區(qū)、高樓。這些情況下如果采用傳統(tǒng)人工方式來建線、巡線將會遇到人員不足、施工困難以及安全保障不夠等多重問題。

采用無人直升機(jī)不僅可以提高項目施工的進(jìn)度和效率，同時也保障了電力工作人員的安全性，在惡劣環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)也保證了較好的適應(yīng)性和靈活性。針對該行業(yè)應(yīng)用，其主要有以下優(yōu)點：

（1）可定點對線路故障監(jiān)測，并且實時將動態(tài)影像、圖片及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆?/p>

（2）起降靈活，可對同一線路往返多次監(jiān)測；

（3）靈活應(yīng)對復(fù)雜地形環(huán)境，對大風(fēng)、冰雪、沙塵等天氣有較強(qiáng)適應(yīng)能力；

（4）設(shè)備集成化、模塊化，安裝運輸便利。

除上述優(yōu)點外，無人直升機(jī)取代人工方式巡檢線路還大幅提高了工作效率。2011年12月在貴州省鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣境內(nèi)采用無人直升機(jī)對110 k V鎮(zhèn)七雙回線路進(jìn)行巡檢拍攝。面對黔東南苗鄉(xiāng)侗寨惡劣的自然環(huán)境，只用了3個多小時就完成了該條220 k V四基塔距離線路的巡檢工作。2012年8月6日由江蘇省送變電公司自主研制的無人直升機(jī)在揚州市八里鎮(zhèn)境內(nèi)的500 k V新建線路2、3、4號鐵塔間成功進(jìn)行跨越放線施工作業(yè)，完成整個任務(wù)用時約2.5 h。

類似于電力行業(yè)，無人直升機(jī)還可用于長輸油氣管道巡檢，如山區(qū)管道巡檢、近海油氣管道監(jiān)視、災(zāi)后次生災(zāi)害評價，漏油和盜油點現(xiàn)場定位等，能及時對管道突發(fā)事件定位、定性，縮短事故處理時間，減少能源浪費、環(huán)境污染甚至可避免災(zāi)害的發(fā)生［2］。

2.2 影視航拍和新聞媒體

和固定翼無人機(jī)相比，無人直升機(jī)在空中拍攝的影像穩(wěn)定性和圖片質(zhì)量都相對較高，所以很多影視廣告制作公司都會采用無人直升機(jī)來執(zhí)行航拍任務(wù)，這類行業(yè)側(cè)重于飛機(jī)的便攜性和易操作性，并且追求較低的購買和使用成本，而對續(xù)航時間、載荷要求不高，所以一般都采用多旋翼無人直升機(jī)，這種無人機(jī)由于其每個旋翼上都有獨立的電機(jī)控制，保證了其自身飛行的穩(wěn)定性，再結(jié)合搭載的穩(wěn)定云臺，加上一部高分辨率相機(jī)，可以獲得質(zhì)量很高的影片和圖像。目前國內(nèi)生產(chǎn)多旋翼的無人機(jī)廠家很多，飛機(jī)和地面控制設(shè)備等配套設(shè)施也比較完善，這類飛機(jī)載荷一般在2 kg以內(nèi)，續(xù)航能力可以達(dá)到0.5 h，搭載的相機(jī)分辨率一般都在2 300萬像素左右。

另外由于其配置的螺旋槳尺寸很小，多旋翼無人直升機(jī)在安全性和噪音方面也控制得很好，除了廣告和影視航拍外，該機(jī)型還可以用于警務(wù)應(yīng)用、交通管理、搶險救災(zāi)、地質(zhì)勘探、環(huán)境保護(hù)及野生動物攝影等多個行業(yè)。

2.3 邊境巡邏與海事執(zhí)法

我國地域遼闊，很多邊境地區(qū)地勢陡峭、路途坎坷，常年氣候惡劣。邊防部隊雖然配備了如水上摩托艇、雪域摩托、無線通訊系統(tǒng)等很多現(xiàn)代化裝備，但很多特殊地域如高海拔地區(qū)、峽谷、雪山、偏遠(yuǎn)海島、無人區(qū)等仍然需要巡邏戰(zhàn)士徒步或騎馬才能到達(dá)，這給戰(zhàn)士的生命安全造成了極大的威脅。曾嘗試采用另一種方案，即在這些地區(qū)設(shè)置無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，但該方法耗資成本高并且維護(hù)困難。

采用無人直升機(jī)執(zhí)行巡視任務(wù)，不僅可以克服地理環(huán)境的多變性，相比有人直升機(jī)以及安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以大大降低任務(wù)成本和提高效率，并且對敵方能產(chǎn)生監(jiān)視、震懾和取證的作用。其優(yōu)點總結(jié)如下：對起降場地和環(huán)境要求不高，可靈活起飛執(zhí)行任務(wù)；裝備超視距控制系統(tǒng)，大范圍飛行，且可執(zhí)行夜航任務(wù)；影像實時傳輸，在大風(fēng)、雨雪等惡劣氣候下得到的圖像效果穩(wěn)定，分辨率和清晰度高；配備地面控制系統(tǒng)，可多架飛機(jī)多批次同時起飛，執(zhí)行地毯式巡邏；執(zhí)行任務(wù)效率高，可降低成本及人員風(fēng)險。

由于邊海防執(zhí)行任務(wù)的特殊性，對無人直升機(jī)的性能及可靠性要求很高，載荷一般要求達(dá)到10 kg以上，航時要求大于1 h，抗風(fēng)性能達(dá)到6級。今年1月6日，由華南理工大學(xué)自主研發(fā)的無人直升機(jī)已交付我國海監(jiān)使用。該機(jī)最大飛行速度90 km，巡航速度50 km，載荷10 kg時飛行1 h，可通過增加油箱進(jìn)一步拓展航程，飛行高度可達(dá)1 000 m，每巡航4 h僅耗油10 L。實際海上測試時，可在5～6級風(fēng)中安全平穩(wěn)飛。另一款揚州德可達(dá)公司研制的無人直升機(jī)，載荷達(dá)10 kg，航時1.5 h以上，其特色是采用雙引擎技術(shù)，一個引擎壞了，另一個引擎仍可以飛行，保證飛機(jī)安全。

2.4 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

無人直升機(jī)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用也較為廣泛，除了一般的農(nóng)作物災(zāi)情勘查外，特別是在農(nóng)藥噴灑方面優(yōu)勢明顯。由于在農(nóng)藥噴灑的過程中藥物的劑量需控制均勻穩(wěn)定，防止出現(xiàn)過噴、漏噴的地方；因此，利用無人直升機(jī)向下的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)氣流在噴灑農(nóng)藥時可以在翻動和搖晃農(nóng)作物的同時，使下方的農(nóng)作物形成一個紊流區(qū)，可以非常均勻地噴灑農(nóng)藥，能將部分農(nóng)藥噴灑到莖葉背面和根部，這是目前人工和其他噴灑設(shè)備無法做到的噴灑質(zhì)量。由于直升飛機(jī)下旋風(fēng)力集中而有力，采用超細(xì)霧狀噴灑比較容易透過植物絨毛的表面形成一層農(nóng)藥膜，可均勻而有效地殺滅害蟲。結(jié)合農(nóng)藥噴灑的專業(yè)軟件，其具備以下特點：

（1）配置全球定位系統(tǒng)（GPS），可以設(shè)定噴灑軌跡，實現(xiàn)自動噴灑作業(yè)。

（2）速度快，效率高，一次起降可噴灑1.333 2×104m2，需20 min左右，是傳統(tǒng)人工的60～80倍。

（3）成本低廉，目前國內(nèi)已有公司實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

（4）環(huán)保，通過采用先進(jìn)的超低容量噴霧技術(shù)，平均每畝農(nóng)田可節(jié)約50%的農(nóng)藥及90%的水，有利于減少農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染。

（5）對噴灑農(nóng)業(yè)的種類、劑量、效果及作業(yè)的時間、地理位置等數(shù)據(jù)信息能直觀顯示、記錄和管理，并且系統(tǒng)能自動計算噴灑的總面積、噴灑量。

（6）操作簡單并且安全，使用小型平板電腦，攜帶方便。安裝在飛機(jī)上的設(shè)備集成了超小型嵌入式計算機(jī)、GPS模塊和微型數(shù)傳，舵機(jī)電源可以直接供電，安裝方便。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的農(nóng)藥噴灑無人直升機(jī)一般載荷在5～10 kg，飛行時間在30～60 min，噴灑寬度3～4 m，噴灑能力每分鐘666.6～1 333.2 m2，這將呈現(xiàn)農(nóng)場化運作，統(tǒng)防統(tǒng)治是未來的大趨勢，據(jù)了解，農(nóng)業(yè)部計劃在2015年統(tǒng)防統(tǒng)治面積要達(dá)到50%的比例，這是非常高的。農(nóng)場化運作帶來的問題是找人打藥困難，并且打藥是季節(jié)性很強(qiáng)的一種工作。要解決好這些問題，無人機(jī)打藥的方式應(yīng)用潛力巨大。

3 無人直升機(jī)民用行業(yè)應(yīng)用管理方案

針對不同的民用行業(yè)，需采用性能及功能相匹配的無人直升機(jī)，任務(wù)過程中還要配套使用該行業(yè)的專業(yè)軟硬件。目前民用行業(yè)所采用的無人機(jī)應(yīng)用管理系統(tǒng)方案如圖4所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

近年來無人直升機(jī)技術(shù)進(jìn)步飛速，但飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計仍然是無人直升機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵，其主要性能包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠性、飛行可監(jiān)控性、系統(tǒng)可操縱性和可維護(hù)性及人機(jī)界面易交互性［3］。目前無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)出現(xiàn)了許多廣為人知的新技術(shù)，如自主貼地和自主起降飛行控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿態(tài)控制、模糊飛行控制、航空電子綜合控制和多功能綜合顯示、群飛與協(xié)同作戰(zhàn)等技術(shù)［4］。目前無人直升機(jī)的自主飛行性能已經(jīng)顯著提高，但在技術(shù)的可靠性、成熟度及應(yīng)對突發(fā)事件能力方面不足。未來還需完善以下問題：

（1）完善遙測遙控系統(tǒng)，提高視距外飛行的安全性和任務(wù)質(zhì)量；

（2）一站多機(jī)、一機(jī)多站，提高應(yīng)用、通訊的靈活性；

（3）自主飛行、起降安全性技術(shù)有待完善，加大對輔助回收設(shè)備和回收方法的研究；

（4）在保證飛行安全的基礎(chǔ)上，提高并完善飛機(jī)的材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計，并引入新技術(shù)、新功能，降低使用成本；

（5）提高飛機(jī)的智能化控制程度，減少操作程序和操作人員。

圖4 民用行業(yè)無人機(jī)應(yīng)用管理方案

隨著技術(shù)和功能的不斷革新，未來無人直升機(jī)的發(fā)展趨勢是：整機(jī)綜合性能要求長航時、高航程、大載荷；功能多，用途廣，高度智能化；新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的拓展應(yīng)用；微型化、模塊化、多功能一體化，方便運輸、維護(hù)［5］；具備全天候飛行能力，能夠在雨、雪、強(qiáng)對流天氣飛行；實現(xiàn)飛機(jī)編隊，執(zhí)行多批次、大范圍飛行任務(wù)。

5 結(jié)束語

加速推廣無人直升機(jī)在民用行業(yè)中的應(yīng)用不僅可解決民用行業(yè)發(fā)展中遇到的問題和困難，也能為我國軍用無人直升機(jī)積累技術(shù)和飛行上的經(jīng)驗。隨著各種無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的突破，以及計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光電技術(shù)在無人直升機(jī)上的不斷開發(fā)和應(yīng)用，相信我國民用無人（直升）機(jī)的適航規(guī)范和空中交通管制規(guī)范也會加快制定和完善，無人直升機(jī)將以其優(yōu)越的性能在更多更廣的領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

［1］彭延輝，徐國華.無人駕駛直升機(jī)的技術(shù)發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.飛行力學(xué)，2004，22（1）：1－5.

［2］朱清華，張呈林.無人直升機(jī)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2011（11）：26－30.

［3］鄧寅喆，黃圣財.超小型無人駕駛直升機(jī)研究現(xiàn)狀［J］.機(jī)電一體化，2004（1）：18－21.

［4］賀天鵬，曾洪江.無人直升機(jī)研制新進(jìn)展［J］.情報交流，2009（11）：42－45.

［5］劉波，張洪濤，管明森.無人直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展［J］.船舶電子工程，2011（3）：18－21.