民用無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展概述

黃澤滿(mǎn)，劉 勇，周 星，陳天偉，梁毅東

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510640）

民用無(wú)人機(jī)應(yīng)用發(fā)展概述

黃澤滿(mǎn)，劉 勇*，周 星，陳天偉，梁毅東

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510640）

無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、可執(zhí)行多種任務(wù)的無(wú)人駕駛航空器.除軍事領(lǐng)域外，近年來(lái)無(wú)人機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用于民用方面.本文主要介紹了民用無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，以及其在遙感航拍、抗震救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信中繼和快遞服務(wù)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出其存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì).

民用無(wú)人機(jī)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

前言

無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、可執(zhí)行多種任務(wù)的無(wú)人駕駛航空器，自誕生以來(lái)，主要應(yīng)用于軍事方面，作為智能化和信息化的武器，無(wú)人機(jī)在偵察、監(jiān)視、通信、遠(yuǎn)距離攻擊等方面發(fā)揮了重要的作用.近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在民用方面的應(yīng)用也越來(lái)越多，各國(guó)在無(wú)人機(jī)的民用方面逐漸開(kāi)放.無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個(gè)領(lǐng)域.在過(guò)去幾年，英國(guó)已經(jīng)向130多家企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)頒發(fā)許可，美國(guó)簽發(fā)了1400多份許可.毫無(wú)疑問(wèn)，隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，民用無(wú)人機(jī)將迎來(lái)井噴式的發(fā)展，應(yīng)用前景十分廣闊.

1 民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及其特點(diǎn)

1.1 民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)機(jī)身、飛行管理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射/回收系統(tǒng)和電源等，其中，飛行管理與控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的核心，其對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行性能起決定性作用.飛行管理與控制系統(tǒng)一般分為機(jī)上和地面兩個(gè)部分，機(jī)上部分包括姿態(tài)穩(wěn)定與控制、飛行軌跡和導(dǎo)航控制、自主飛行控制、飛行安全控制及起飛與著落飛行控制等；地面部分包括飛行監(jiān)控與顯示、飛行定位及飛行操作和指令系統(tǒng)等.數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要保證無(wú)人機(jī)與地面飛控之間的的遙控指令傳輸和信息反饋，發(fā)射/回收系統(tǒng)則主要保證無(wú)人機(jī)起飛與著落的順利.

1.2 無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)

與載人飛機(jī)相比，無(wú)人機(jī)因?yàn)榫哂畜w積小、造價(jià)低、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受世界各國(guó)軍隊(duì)的青睞.如今，無(wú)人機(jī)不僅僅被應(yīng)用于軍事方面，其在民用方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛.無(wú)人機(jī)體積小，造價(jià)和使用成本低、使用靈活、作業(yè)效率高，在執(zhí)行枯燥、長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)時(shí)，具有有人機(jī)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此除了應(yīng)用于軍事以外，還常常用于遙感航拍、抗震救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信中繼和快遞服務(wù)等方面.以農(nóng)業(yè)噴藥滅蟲(chóng)為例，南京農(nóng)機(jī)化研究所的無(wú)人機(jī)，在上海崇明島進(jìn)行水稻病蟲(chóng)害航空藥物噴灑作業(yè)時(shí)，單臺(tái)飛機(jī)作業(yè)效率可以達(dá)到1500hm2/h，每天作業(yè)面積7500～12000hm2，是地面機(jī)械的數(shù)倍，人工噴灑的30～60倍，并且可以有效避免漏施誤施[1].無(wú)人機(jī)的使用，能大大提高作業(yè)效率.

2 民用無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)以其優(yōu)越的性能，以及一些有人機(jī)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在遙感航拍、抗震救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通信中繼和快遞服務(wù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用.

2.1 無(wú)人機(jī)在遙感航拍方面的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是利用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)智能控制技術(shù)、定位技術(shù)、通訊技術(shù)和遙感遙測(cè)技術(shù)，自動(dòng)化、智能化地獲取地理、環(huán)境等空間遙感信息.它具有靈活機(jī)動(dòng)、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)在氣象監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、攝影測(cè)量等方面取得了一定的成果.利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)航拍檢測(cè)區(qū)域來(lái)實(shí)時(shí)獲取影像數(shù)據(jù)，通過(guò)與前時(shí)相數(shù)據(jù)（衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)）對(duì)比分析，可以從中發(fā)現(xiàn)疑似違法用地區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和違法用地行為的實(shí)施監(jiān)督檢查，及時(shí)掌握土地變化信息，可為集約、節(jié)約用地提供科學(xué)依據(jù)[2].利用無(wú)人機(jī)搭載非量測(cè)數(shù)碼像機(jī)獲取低空影像，正以其低廉的價(jià)格和極大的便利性吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，成為攝影測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).例如：在利用無(wú)人機(jī)防雷方面，通過(guò)掛載高分辨率攝像、照相機(jī)可以對(duì)樓頂?shù)母鞣N接閃器的銹蝕、虛接、倒伏等狀況進(jìn)行檢查，從最直觀的角度排查防雷裝置存在的問(wèn)題[3].

2.2 在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用十分廣泛，幾乎涵蓋整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)[4]，其中包括：土壤侵蝕情況的監(jiān)控、植被變化的監(jiān)測(cè)、生物棲息地評(píng)價(jià)、海洋及海岸帶生態(tài)環(huán)境變遷分析、城市的規(guī)劃與環(huán)評(píng)分析、大氣污染的定量評(píng)價(jià)等.例如：王洋等[5]基于TM S320F2812設(shè)計(jì)了精度較高的小型無(wú)人機(jī)大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；閆軍等[6]根據(jù)無(wú)人機(jī)航拍的圖片，統(tǒng)計(jì)了鹽池縣城綠地面積.

2.3 無(wú)人機(jī)在抗震救災(zāi)方面的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)不怕疲勞不怕危險(xiǎn)，使用便捷，即使在極限氣象條件下，也能進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行災(zāi)情圖像信息的獲取，為災(zāi)害范圍和受災(zāi)面積的計(jì)算，以及災(zāi)害損失的評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，是抗震救災(zāi)的有力武器.2008年5月，四川汶川里氏8.0級(jí)大地震發(fā)生后，民政部國(guó)家減災(zāi)中心等單位立即攜帶兩架“千里眼”無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)趕赴災(zāi)區(qū)，投入到抗震救災(zāi)的第一線(xiàn).該“千里眼”無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)采用低空偵察拍攝的方式，對(duì)北川縣震后的景象進(jìn)行拍攝，并通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)將圖像傳回，為災(zāi)情的評(píng)估和救災(zāi)的決策提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)，

2.4 在農(nóng)林業(yè)方面的應(yīng)用

世界上第一臺(tái)農(nóng)用無(wú)人機(jī)出現(xiàn)在1987年，Yamaha公司受日本農(nóng)業(yè)部委托，生產(chǎn)出20kg級(jí)噴藥無(wú)人機(jī)“R-50”，經(jīng)過(guò)將近20多年的發(fā)展，目前日本擁有2346架已注冊(cè)農(nóng)用無(wú)人直升機(jī)，操作人員14163人，成為世界上農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴藥第一大國(guó).我國(guó)系統(tǒng)研究微小型無(wú)人機(jī)航空施藥噴霧技術(shù)開(kāi)始于2008年，由國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目資助，針對(duì)單旋翼無(wú)人機(jī)低空低量施藥技術(shù)進(jìn)行研究.截至2012年末，生產(chǎn)航空施藥無(wú)人機(jī)整機(jī)與配套設(shè)備的企業(yè)達(dá)80余家.在林業(yè)應(yīng)用方面，2013年6月3日，我國(guó)自主研發(fā)的Z5型無(wú)人直升機(jī)在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空護(hù)林站首航成功，這也是中型無(wú)人機(jī)首次應(yīng)用于林業(yè)系統(tǒng).該機(jī)搭載防火智能遙感監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，為森林火災(zāi)的快速探測(cè)定位與綜合指揮調(diào)度提供依據(jù).

2.5 在通信中繼方面的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)空中的通信中繼.當(dāng)?shù)卣稹⑴_(tái)風(fēng)、泥石流或海嘯等自然災(zāi)害發(fā)生的時(shí)候，其破壞力往往會(huì)造成一定范圍內(nèi)原有通信系統(tǒng)（包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)）的損壞，此時(shí)災(zāi)情需要及時(shí)了解，救災(zāi)信息需要快速傳遞，如何快速構(gòu)建一個(gè)便捷、低成本的應(yīng)急無(wú)線(xiàn)局域通信網(wǎng)，及時(shí)在災(zāi)區(qū)和救災(zāi)指揮中心之間形成有效的通信聯(lián)系，就成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題.無(wú)人機(jī)成本較低，使用便捷，可作為空中的通信中繼機(jī)，能迅速構(gòu)建一個(gè)應(yīng)急無(wú)線(xiàn)局域通信網(wǎng)，從而為救災(zāi)的順利開(kāi)展贏得寶貴的時(shí)間.

08年5月12日發(fā)生在四川汶川的里氏8.0級(jí)大地震，其巨大的破壞力摧毀了震中區(qū)域所有的通信設(shè)施，同時(shí)，由于地震后的氣象條件十分惡劣，載人的飛機(jī)和直升機(jī)無(wú)法在其空域作長(zhǎng)時(shí)間的停留，致使外界與災(zāi)區(qū)的聯(lián)系在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)被迫中斷.此時(shí)此地，由于無(wú)人機(jī)使用成本低，不存在人員疲勞和安全問(wèn)題，因此，以無(wú)人機(jī)作為通信中繼機(jī)，可徹底改變這種局面.通信中繼無(wú)人機(jī)可長(zhǎng)期盤(pán)旋在災(zāi)區(qū)上方相對(duì)寧?kù)o的平流層進(jìn)行不間斷的高空巡航，避開(kāi)中低空天氣多變的對(duì)流層空域，從而可在外界與災(zāi)區(qū)之間搭建起一條無(wú)形的溝通“橋梁”.

最近，清華大學(xué)的徐贊新等[7]提出了一種支持移動(dòng)自組網(wǎng)通信的多無(wú)人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)，該多無(wú)人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)，可解決移動(dòng)自組網(wǎng)中移動(dòng)和活動(dòng)范圍擴(kuò)大等因素所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)連通性的變化問(wèn)題，以多無(wú)人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)支持移動(dòng)自組網(wǎng)通信的研究正受到越來(lái)越多的關(guān)注.

2.6 無(wú)人機(jī)在快遞業(yè)中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)在快遞領(lǐng)域中的應(yīng)用，無(wú)疑是民用無(wú)人機(jī)發(fā)展和研究的另一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，已經(jīng)取得了不少成果.在國(guó)內(nèi)，胡家祺和孫澤波組成名為linkall的團(tuán)隊(duì)[8]，設(shè)計(jì)出一種4旋翼環(huán)繞中央機(jī)身布局，蛋殼外形的名為“智能蜂”的快遞無(wú)人機(jī)系統(tǒng).該系統(tǒng)氣動(dòng)性能優(yōu)良，能接收由“北斗”或GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信息計(jì)算出來(lái)的最佳路徑進(jìn)行飛行.通過(guò)機(jī)上傳感器進(jìn)行感知避障，可順利完成快遞任務(wù).目前，該團(tuán)隊(duì)已應(yīng)北京一家第三方餐飲快遞公司之邀，進(jìn)行無(wú)人機(jī)送快餐的規(guī)劃嘗試.此外，國(guó)內(nèi)快遞業(yè)巨頭順豐速運(yùn)公司也聲稱(chēng)，該公司正在深圳和東莞等城市進(jìn)行無(wú)人機(jī)配送服務(wù)的測(cè)試.

在國(guó)外，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬于2012年簽署新法案，要求美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）修改規(guī)定，允許地方政府、私營(yíng)公司和普通人使用小型無(wú)人機(jī).受此影響，美國(guó)速運(yùn)公司UPS和電商巨頭亞馬遜等紛紛宣布，已正在進(jìn)行無(wú)人機(jī)送貨項(xiàng)目的試驗(yàn).無(wú)人機(jī)的這項(xiàng)服務(wù)，可以為人類(lèi)提供非常大的便利，極大的提高了運(yùn)送效率.

3 民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 智能化

隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用的不斷推廣，人工智能和群體智能等技術(shù)在無(wú)人機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)的自主飛行及自動(dòng)尋找與識(shí)別目標(biāo)的能力將會(huì)大大提高，屆時(shí)，無(wú)人機(jī)將可根據(jù)不同環(huán)境做出相應(yīng)決策，從而使得對(duì)無(wú)人機(jī)的操控從直接控制逐步轉(zhuǎn)向監(jiān)督控制.此外，不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)將可共享獲得的信息，可實(shí)現(xiàn)通用的控制.

3.2 低成本、模塊化

現(xiàn)今的民用無(wú)人機(jī)，受限于續(xù)航能力、載重能力和智能控制等因素，使用成本還相對(duì)較高，只能小范圍使用.隨著科技的不斷發(fā)展及新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)在續(xù)航、載重和智能控制等方面將會(huì)有較大的提高，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的系列化、模塊化和通用化也將成為可能.根據(jù)任務(wù)的不同，通過(guò)模塊化的組合及搭載設(shè)備的變換，可使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”；通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)和地面站的通用化，可使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”，因此，無(wú)人機(jī)的使用成本定將不斷降低.

3.3 從單無(wú)人機(jī)向多無(wú)人機(jī)協(xié)作發(fā)展

在執(zhí)行高?；驈?fù)雜任務(wù)的時(shí)候，由于無(wú)人機(jī)有一定的故障率和毀傷率，單靠一架無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，有可能導(dǎo)致任務(wù)的失敗.多無(wú)人機(jī)協(xié)作執(zhí)行任務(wù)，則在無(wú)人機(jī)一旦出現(xiàn)損毀時(shí)，可通過(guò)無(wú)人機(jī)任務(wù)的重新分配，提高完成任務(wù)的成功概率.此外，多無(wú)人機(jī)協(xié)作執(zhí)行任務(wù)，一方面可通過(guò)將復(fù)雜任務(wù)拆分給不同的無(wú)人機(jī)執(zhí)行，降低無(wú)人機(jī)運(yùn)作的難度；另一方面多無(wú)人機(jī)可通過(guò)信息共享和相互配合，提高執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量和擴(kuò)展執(zhí)行任務(wù)的能力.同時(shí)，多無(wú)人機(jī)協(xié)作還可并行執(zhí)行任務(wù)，縮短完成任務(wù)的時(shí)間，提高執(zhí)行任務(wù)的效率.

4 結(jié)論和展望

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的強(qiáng)力支持下，無(wú)人機(jī)以其優(yōu)越的性能、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，無(wú)論是戰(zhàn)場(chǎng)還是在民用市場(chǎng)上，都將發(fā)揮著重要的作用.需要指出的是，無(wú)人機(jī)還存在一些問(wèn)題制約其發(fā)展，例如：小型無(wú)人機(jī)由于機(jī)身重量較輕，易受大風(fēng)等惡劣天氣的影響；在實(shí)際使用過(guò)程中容易受到信道和其他因素的干擾；仍不能有效區(qū)分目標(biāo)的真假，出現(xiàn)危機(jī)時(shí)無(wú)法根據(jù)情況選擇最佳方案等.然而，隨著智能無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷提高，無(wú)人機(jī)的安全性和自主控制性將會(huì)得到較大的改善，運(yùn)營(yíng)成本和風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)進(jìn)一步降低，運(yùn)營(yíng)效率得到極大提高，屆時(shí)，無(wú)人機(jī)將會(huì)在不適合人直接操作的或需要高效低成本應(yīng)用的民用領(lǐng)域，獲得更為廣闊的發(fā)展空間.

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A

1673-260X（2014）12-0030-03

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目編號(hào)1056412064

*通訊作者：劉勇，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，高級(jí)工程師