應用于反恐和搶險救援領域的多任務無人偵察機研發(fā)

摘要：“警用反恐處突無人機”，是一種公安機關用來幫助當地警方處理突發(fā)情況的高科技裝備，可以利用無人機偵查、巡邏、導航等。這種警用無人飛機，具有很強導航功能，裝有高清攝像頭，系統(tǒng)能夠在一公里外發(fā)現目標，將拍到的圖片、收集到的信息等實時傳送到地面，因此極其適合公安部門等用來開展巡邏、偵查等工作。

本課題使警用航拍無人機領域關鍵技術實現完全自主化知識產權，為廣大的科研院所和企事業(yè)等單位提供了成功案例與模范帶頭作用。使相關的科研院所在我們的基礎上進一步開發(fā)可以大幅縮短產品的開發(fā)周期、節(jié)省產品開發(fā)費用，加快新產品的上市速度，使用戶能更好地適應迅速多變的市場需求。

關鍵詞：反恐及搶險救援；遠程監(jiān)控；多任務無人機

一、項目實施的背景和意義

1、項目所面向的經濟、社會和科技發(fā)展等的有效需求

“警用反恐處突無人機”，是一種公安機關用來幫助當地警方處理突發(fā)情況的高科技裝備，可以利用無人機偵查、巡邏、導航等。這種警用無人飛機，具有很強導航功能，裝有高清攝像頭，系統(tǒng)能夠將拍到的圖片、收集到的信息等實時傳送到地面，因此極其適合公安部門等用來開展巡邏、偵查等工作。

警用反恐處突無人機系統(tǒng)，包括地面站設備和無人機兩部分，可根據任務需要，裝載不同的任務載荷。可用在警用巡邏、森林防火、海岸線監(jiān)視、突發(fā)事件監(jiān)控評估等領域，第一時間收集有用數據。

與其他單純的整機進口相比，我們使關鍵技術自主化、國產化。主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數據鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、地面站設備等。飛控系統(tǒng)又稱為飛行管理與控制系統(tǒng)，相當于無人機系統(tǒng)的“心臟”部分，對無人機的穩(wěn)定性、數據傳輸的可靠性、精確度、實時性等都有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用；數據鏈系統(tǒng)可以保證對遙控指令的準確傳輸，以及無人機接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性，以保證信息反饋的及時有效性和順利、準確的完成任務。發(fā)射回收系統(tǒng)保證無人機順利升空以達到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務后從天空安全回落到地面。

本課題針旨在研究一款在多旋翼機硬件與控制上擁有自己的核心技術與知識產權，為高性能的四旋翼無人機。其中，關鍵技術包括雙余度飛控技術、30倍變焦云臺技術、安全傘技術、可收放腳架技術等。

2、項目的先進性、重要性、必要性以及在行業(yè)發(fā)展中的地位和作用

本課題目標產品——警用反恐處突無人機系統(tǒng)（含軟件及硬件設備）處于高端裝備制造業(yè)的上游及中游，協(xié)同其上下游設備加以改進即可應用于其他領域（環(huán)保、氣象、植保、林業(yè)）。課題產品控制系統(tǒng)及信息傳輸、存儲系統(tǒng)完全數字化設計，機身是高性能復合材料等關鍵核心技術與系統(tǒng)集成的結果。

目前國內在該領域應用的無人機系統(tǒng)大多是整機進口或者是關鍵部件進口，再國內組裝。

本課題的實施，不僅填補了國內空白，達到國際先進水平，也實現了我國在無人機警用航拍方面的重大技術突破，避免了該類設備長期被國外廠商所壟斷的局面，對促進國內無人機產業(yè)結構的調整，提升無人機產業(yè)的整體競爭力和水平起到了積極的推動和促進作用。

對實現重大技術突破、促進產業(yè)結構調整、提升該產業(yè)整體競爭力和水平具有重要作用。本課題使警用航拍無人機領域關鍵技術實現完全自主化知識產權，為廣大的科研院所和企事業(yè)等單位提供了成功案例與模范帶頭作用。使相關的科研院所在我們的基礎上進一步開發(fā)可以大幅縮短產品的開發(fā)周期、節(jié)省產品開發(fā)費用，加快新產品的上市速度，使用戶能更好地適應迅速多變的市場需求。

3、社會效益分析

（1）促進我國無人機行業(yè)的發(fā)展，帶動無人機在其他民用領域的應用

本項目設計出革命性的雙余度飛控及30倍變焦云臺功能，使得無人機可以滿足警用領域的更多需求，這在很大程度上提升了我國無人機行業(yè)的技術研發(fā)水平。

（2）提高工作效率，減少人員傷亡

無人機尺寸較小，續(xù)航時間超長，不受地形視野限制，不易引起被監(jiān)視對象的注意，攜帶的監(jiān)控設備可以長時間提供穩(wěn)定、高分辨率的實時視頻，對反恐、反毒、反有組織犯罪、刑事調查、人群監(jiān)控、大面積搜索等方面特別有用。除了無武裝的空中監(jiān)視外，武裝的無人機也可用于特殊的警察行動。對于特別危險的暴力犯罪嫌疑分子，動用無人機進行空中定點殺傷是完全可能的。在特別危險的大規(guī)模動亂中，無人機可以用于對暴力人群的空中監(jiān)控，這可以在實時掌握情況的同時，避免現場警察遇到危險。

（3）將會創(chuàng)造許多就業(yè)崗位

大量的民用無人機應用可以拉動無人機的研發(fā)、制造、維修、運作、訓練等行業(yè)，并帶動相關的光電系統(tǒng)、數據鏈、地面站、機械手等技術服務，從而提供眾多的就業(yè)崗位。

二、技術發(fā)展趨勢及國內外發(fā)展現狀

1、項目相關技術的發(fā)展趨勢

目前，國內開發(fā)成功的無人機系統(tǒng)主要是國防科技工業(yè)系統(tǒng)內單位組織進行，其應用也主要集中于軍事領域。在目前國內空中管理體制和政策沒有重大調整的情況下，如何使無人機應用向民用領域擴展，以推動國內無人機研制整體水平得到推進是當前行業(yè)管理機制和研制單位所面臨的重大課題。

（1）打破國外技術壟斷，填補國內空白，完善國內警用無人機航拍裝備產業(yè)的技術路線：推動進口警用無人機設備的國產化，并增加國內該領域裝備的工藝和品種；本課題的開展，有助于填補國內警用無人機設備空白，擺脫依賴整機進口的局面。

（2）降低成本，提高設計效率：通過研發(fā)具備自主核心知識產權的警用航拍無人機，

裝備的售價將為進口裝備的二分之一，附屬搭載設備自行采購也比進口整機配置成本降低二分之一左右，對于環(huán)保、氣象、植保、林業(yè)、警用等行業(yè)的應用有巨大推動作用，該應用服務創(chuàng)新，解決深圳城市發(fā)展問題，提升深圳城市精細化管理服務能力。

（3）符合無人機裝備行業(yè)發(fā)展趨勢：采集現場視頻與圖像數據；在媒介失靈的狀態(tài)下，播撒傳單，向現場群眾傳遞信息；進行空中喊話；保持監(jiān)控地區(qū)的數據傳輸鏈路做通信中繼等應用上具備豐富的表現力，行業(yè)有著巨大的市場需求。

推動民用無人機技術普及商業(yè)模式創(chuàng)新：該系統(tǒng)技術裝備目前主要應用于警用，使其技術進一步完善，成本進一步降低，尤其是易用性和可操作性方面。本課題研究將向一般的民用市場延伸。

2、國內外研究開發(fā)、產業(yè)化狀況

由于軍用無人機在”3D”（DULL，DIRTY，DANGEROUS）環(huán)境下執(zhí)行任務的顯著優(yōu)勢以及靈活機動的特性，民用各行各業(yè)對無人機的應用也翹首以盼。但相比軍用無人機近百年的發(fā)展歷史，民用無人機在上世紀80年代軍用無人機的現代系統(tǒng)得到大發(fā)展的基礎上才開始嘗試應用，各領域全面開花應用只有10余年時間。

中國起步早，近年發(fā)展較快：中國上世紀80年代，就將自行開發(fā)的無人機（脫胎于軍用機型）在地圖測繪和地質勘探中做了嘗試。近些年，專為民用研制額”黔中“1號無人機與2010年順利首飛，2011你那國產”蜜蜂“28無人機，可全自主起飛、著陸、懸停和航路規(guī)劃，能應用農業(yè)噴灑、電力巡檢、防災應急、航拍測繪、中繼通信等。

對于民用領域，無人機僅僅是一個飛行平臺，其功能歸根到底要通過機載系統(tǒng)中的任務載荷設備來完成。

和ToB端各行各業(yè)無人機領域快速發(fā)展相比，近兩年ToC消費端航拍、娛樂等市場，受益于無人機各方面技術的成熟和成本的大幅下降，可謂是爆發(fā)式發(fā)展。深圳大疆成立于06年，10年僅幾百萬收入，13年高達 8億元，14年近30億元。

3、相關行業(yè)與國內外先進水平的差距

目前，我國已經具備了自主設計研發(fā)低、中、高端無人機的能力，基本形成了配套齊全的研發(fā)、制造、銷售和服務體系，在無人機機種上已經形成了種類齊全、功能多樣的較為完備的系列，而且性能指標也在不斷得到改善提升，部分技術已達到國際先進水平，走上了全面發(fā)展的道路。

但就整體技術水平而言，我國無人機技術在國際上還屬于第二梯隊，尤其與美國、以色列等無人機發(fā)展先進國家相比，僅相當于其上世紀90年代的水平，尚處在追趕世界一流水平的發(fā)展過程中。

專利技術分布

無人機產品涉及機械、電子控制等多個技術領域，通過對相關專利文獻的技術主題分析，如下圖所示，關于無人機的技術熱點絕大多數分布在飛行器、旋翼機等飛行設備方面；此外機身、機翼、起落架等機械結構方面也占有一定比例；還有小部分涉及無人機的操作和控制領域，而無人機的最普遍應用方面，即導航方面的應用也榜上有名。通過此圖也可看出，隨著無人機技術在近些年來的高速發(fā)展，其硬件方面的技術發(fā)展已經達到了一定的水平，很多企業(yè)開始研發(fā)和使用基于無人機的應用系統(tǒng)，所以其最主要的“導航”功能，已經在技術熱點中開始涌現，這表明無人機相關的發(fā)明正在從基礎結構部件轉向無人機應用系統(tǒng)方面，這也是本行業(yè)專利申請和布局時值得關注和考慮的。

4、市場需求情況

對于軍用和民用的市場占比，Teal Group 給出了民用市場更加樂觀的判斷（大約為年化復合增速為 9%，到 2023 年達到 115 億美元，當然 Teal Group 在報告中特別提到了 Google、Facebook 和 Amazon 等高科技巨頭給民用軍用無人機產業(yè)帶來的潛在的現在難以量化預判的顛覆性變化）。

民用無人機市場在全球范圍出現爆發(fā)性增長需要突破的兩個瓶頸是空域資源和安全問題，一旦在世界范圍內這兩個問題得到解決，人類利用無人機征服空域的想象空間將被徹底打開，全球民用無人機市場可能呈現出爆發(fā)式的增長。

隨著無人機的應用越來越廣泛，整體無人機技術并不是特別復雜，一些小規(guī)模的創(chuàng)業(yè)公司也可以制造無人機，今后，整體市場仍然將持續(xù)增長，以色列飛機工業(yè)公司、德國microdrones GmbH公司等將繼續(xù)在技術上保持比較領先的優(yōu)勢，總體而言，行業(yè)發(fā)展的趨勢是競爭將更加激烈，仍然有許多公司將加入到旋翼無人機制造行列中來。

項目主要研制任務具體如下：

（1）警用反恐處突無人機硬件裝備開發(fā)。

研發(fā)生產出一種尚屬國內空白的警用航拍無人機硬件裝備，其中，關鍵技術包括雙余度飛控技術、30倍變焦云臺技術、安全傘技術、可收放腳架技術等，從而添補國內技術空白。研發(fā)的整機硬件設備關鍵技術具有自主知識產權，性能穩(wěn)定，應用廣泛，價格低廉，滿足國內企事業(yè)單位及個人需求。

（2）警用反恐處突無人機配套軟件開發(fā)。

該無人機的控制系統(tǒng)完全數字化，起飛、飛行、工作執(zhí)行、數據采集與存儲、返航降落等流程可按照預定程序運行，也可全程人為指揮與半指揮操作運行，這些都是控制軟件系統(tǒng)的基礎。另外還要防止無人機在工作執(zhí)行過程中被竊（惡意控制信號入侵控制系統(tǒng)），以及其他突發(fā)情況下無人機丟失，其自身與所采集數據需要通過專業(yè)配套軟件進行數據處理。

（3）相關配套設備進一步標準化達到一定的互換性要求，例如高性能電池、高清攝像頭，以及數據存儲設備等，用戶可根據使用要求，自行市場采購安裝。

（4）指導無人機樣品生產。為保證無人機性能穩(wěn)定，需要對無人機進行試驗，公司將積極配合生產部進行樣品生產。

（5）應用試驗。選擇目標人群進行應用試驗，與試驗人群簽訂試用協(xié)議，并完成試用調查報告。

（6）配合公司完成相關審批工作。

（7）本項目完成后，需要對技術成果進行保護和管理，同時無人機產品需要通過國家相關部門的質量認定，項目小組將提供相關材料解讀工作。

5、項目的主要技術創(chuàng)新點，涉及的相關知識產權

（1）理論創(chuàng)新：提出適用于多種飛行平臺的通用小型無人機飛控系統(tǒng)，解決一個飛行控制器只能控制一種無人機不能充分利用資源的現象。提出雙冗余度飛行控制系統(tǒng)，解決單個傳感器出現故障時導致無人機無法正常飛行的現象，提高系統(tǒng)可靠性和安全性。

（2）應用創(chuàng)新：在無人機領域基于無人機工作流程中的業(yè)務需求，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度，削減不同外界環(huán)境對無人機正常工作狀態(tài)的不良影響。應用了卡爾曼濾波算法對傳感器傳送的數據進行運算校對，當判斷傳感器故障時，及時切換備份傳感器，大大降低系統(tǒng)的失效率。

（3）技術創(chuàng)新

①支持高穩(wěn)定的30倍變焦云臺，能夠精準地控制相機設備，實現拍攝圖像的零抖動零漂移，具備高空遠距離偵查能力。

②支持手機地面站、平板地面站和PC地面站，實時反饋飛行數據，為戶外作業(yè)提供了強大的遠程地面監(jiān)測平臺，使系統(tǒng)發(fā)揮出更加穩(wěn)定、高效可靠的性能。

③支持手機地面站控制無人機飛行，通過點擊手機遙控界面控制飛行器飛行，飛行器的飛行方向與點擊的方向同步。

④結合地面站的可視化地圖，系統(tǒng)可精確地完成全自動起飛/降落、航線飛行、繞點飛行、所點所到等諸多飛行，使整個飛行在無人干預的情況下完全實現了自動程序化，大大降低了無人專業(yè)應用的復雜程度。

⑤系統(tǒng)包含機載數據記錄（黑匣子）功能，無需任何外界存儲設備，只要飛行就會自動記錄，并保存無人機降落（電機停轉）前1分鐘的數據，以備故障時分析。

⑥系統(tǒng)保護兩套獨立的IMU慣性測量單元、磁羅盤和GPS。實現了當任一傳感器故障時，會自動無縫切換到備份設備并報警提示用戶，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

（4）其他創(chuàng)新

①支持可收放腳架

②配有拉桿箱，可存放無人機，方便實用

③具有開傘保護功能，在無人機遇到突發(fā)故障時，可通過降落傘減緩下降速度、避免或減小對地面目標的沖擊和損害、減小飛行平臺和機載設備的損傷。

本項目開發(fā)涉及軟件著作權14項。

本項目下游需求非常廣泛，包括軍用、反恐、農業(yè)、電力石油、檢災、林業(yè)、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規(guī)劃等多個行業(yè)。近年來無人機在民用市場的應用受到越來越多的關注，如反恐救災、農林植保和電力巡線等領域，無人機需求較為迫切，且具備較大的市場規(guī)模。我們認為其它行業(yè)的潛在需求也將逐步顯現，本項目無人機市場空間巨大，將進入快速發(fā)展期。

除了我們已經熟知的軍事、商用和消費功能，能夠“上天入地”的無人機未來可能給我們的生活帶來無限的驚喜。距離 300 米的高空沒有地面的擁擠和各種限制，未來無人機不僅能夠扮演超級速遞員和超級警察的角色，還能夠為地面提供低成本、機動程度極高的無線網絡覆蓋。把無人機想象成一個“會飛的傳感器”，無人機就成了工業(yè) 4.0 的一個空中數據端口，大至地球物理、氣象、農業(yè)數據、小至個人位置信息，無人機將引爆一場空中的大數據革命，市場前景廣闊。

作者簡介：文昕，出生年月：1984。12。14，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：江西萍鄉(xiāng)，當前職務：總監(jiān)，當前職稱：，學歷：碩士，研究方向：空中遠距離監(jiān)控無人機

作者單位：深圳零度智能機器人科技有限公司

深圳市技術創(chuàng)新計劃——創(chuàng)業(yè)資助項目可行性報告