民用無人機(jī)應(yīng)用進(jìn)展

宋晨暉

（廣州億航智能技術(shù)有限公司技術(shù)部，廣東廣州 510663）

無人駕駛飛機(jī)（UAV）通常稱為無人機(jī)，無人機(jī)是無人機(jī)系統(tǒng)(UAS)的組成部分：包括無人機(jī)、地面控制器和兩者間的通信系統(tǒng)[1]。20世紀(jì)50-90年代，英美國家以軍用偵察為需求，將無人機(jī)和傳感器結(jié)合，利用無人機(jī)執(zhí)行偵察、情報收集等任務(wù)[2]。

國內(nèi)最早由西北工業(yè)大學(xué)在1958年研制出第一套無人機(jī)系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代，該校開始研制“D-4民用無人機(jī)系統(tǒng)”[3]，用于航空攝影、地理測繪、災(zāi)情監(jiān)控等應(yīng)用[4]。

2006年后，得益于我國電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，民用無人機(jī)硬件成本快速下降.在2011年前后消費級MEMS傳感器開始大規(guī)模發(fā)展[5]，許多傳感器量產(chǎn)后價格甚至不足1美元[6]，使得民用無人機(jī)進(jìn)一步的小型化、集成化成為了可能。目前，在許多領(lǐng)域中已經(jīng)開始涌現(xiàn)出大量基于無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用。

1 分類

1.1 技術(shù)特征分類

1.1.1 固定翼

固定翼無人機(jī)是多數(shù)軍用和行業(yè)級應(yīng)用的選擇機(jī)型[7]。由于機(jī)體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，高巡航速度、長航時與長航程是最突出的特點，其飛行速度多在120 km/h以上，飛行距離可超100 km，續(xù)航時間也在1～3小時之間不等.它通常采用的是滑跑或軌道彈射起飛，著陸方式通常是滑跑或者傘降。固定翼無人機(jī)在巡航速度、續(xù)航時間等方面都明顯優(yōu)于多旋翼無人機(jī)，但對起降場地的要求使得其應(yīng)用場景靈活性不足。同時，由于固定翼無人機(jī)無法在空中進(jìn)行懸停，僅能在特定區(qū)域內(nèi)不斷盤旋。面對需要定點監(jiān)測的應(yīng)用場景便無法勝任。

1.1.2 多旋翼

多旋翼無人機(jī)具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)勢。得益于飛控系統(tǒng)、無刷電機(jī)、電子調(diào)速器等關(guān)鍵元素的迅猛發(fā)展，電動多旋翼無人機(jī)操控簡單，機(jī)身姿態(tài)控制平穩(wěn)，擁有自動駕駛功能，同時垂直起降方式對于起降場地的要求不高，其在復(fù)雜城市環(huán)境下作業(yè)效果較好。由于多旋翼無人機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)關(guān)系，其對各個旋翼的控制響應(yīng)需要高速響應(yīng)與高精度控制，無刷電機(jī)和電子調(diào)速器是其關(guān)鍵，故大多數(shù)多旋翼無人機(jī)均采用鋰電池作為動力來源。受制于鋰電池能量密度上限，大部分多旋翼無人機(jī)續(xù)航時間均小于1 h。飛行速度較慢，飛行半徑較小是其缺點。常見多旋翼無人機(jī)有4旋翼、6旋翼、8旋翼等。4旋翼無人機(jī)在體積、質(zhì)量、便攜性方面較好，但其安全冗余度較低，一旦其中一個旋翼的電機(jī)出現(xiàn)問題，則無人機(jī)會墜落。而6旋翼、8旋翼無人機(jī)擁有一定的安全冗余度，即便有一個旋翼停槳，其余旋翼可以配平動力，使得緊急狀況下仍然能保證飛行安全。另外，還有共軸雙槳機(jī)型(X8布局)，兼顧了4旋翼機(jī)型的便攜性又在一定程度上滿足升重比、控制性能和安全冗余的需求。

1.1.3 直升機(jī)

無人直升機(jī)根據(jù)平衡旋翼反扭矩的方式，可分為單旋翼和多旋翼兩大類，常見的無人直升機(jī)多為單旋翼帶尾槳式，其結(jié)構(gòu)簡單，氣動、平衡、操縱穩(wěn)定性以及振動問題較易解決，在續(xù)航時間、負(fù)載能力和巡航速度等指標(biāo)上略好于多旋翼無人機(jī)。但此類機(jī)型需要尾槳來平衡主旋翼的反扭矩，若尾槳失效則整機(jī)安全受到威脅[8]。

1.1.4 特殊構(gòu)型-復(fù)合翼等

特殊構(gòu)型的無人機(jī)有復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)旋翼、撲翼等。為了兼顧旋翼的垂直起降和固定翼的續(xù)航優(yōu)勢，近年來許多民用無人機(jī)廠家也開始著手研制這類特殊構(gòu)型的無人機(jī)。

1.2 行業(yè)分類

1.2.1 消費級

消費級無人機(jī)一般面向終端消費者，機(jī)型售價較低，由數(shù)千元至萬元人民幣不等.大多數(shù)消費級產(chǎn)品以航拍為主要應(yīng)用。消費級無人機(jī)更注重用戶使用過程中的娛樂體驗.例如法國parrot公司Bebop系列無人機(jī)以輕便著稱，可使用手機(jī)進(jìn)行短距離操控。而零度智控的Dobby口袋無人機(jī)則在此基礎(chǔ)上更加主打“便攜”定位，小巧機(jī)身、掌上起降、一鍵自拍等功能滿足了消費者的個性化需求。

1.2.2 行業(yè)級

行業(yè)級無人機(jī)作為生產(chǎn)力工具，售價在數(shù)萬元至數(shù)十萬元不等。主要為提高各行業(yè)中的作業(yè)效率、降低作業(yè)成本。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛運用于氣象檢測、土地測繪、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急監(jiān)控、電力巡線等領(lǐng)域。行業(yè)級無人機(jī)根據(jù)不同行業(yè)的需求，機(jī)型選擇及性能側(cè)重點有所不同，但總體上對穩(wěn)定性、可靠性、耐久性與續(xù)航的要求都較高。

2 應(yīng)用

2.1 影視創(chuàng)作

現(xiàn)今無人機(jī)應(yīng)用最廣泛的場景非影視創(chuàng)作莫屬。歷史上最早期的航拍可以追溯到1858年，法國攝影師納達(dá)爾在熱氣球上使用老式的濕版照相機(jī)拍下了第一張航拍照片。在此之后，伴隨著航空業(yè)的發(fā)展，近代影視創(chuàng)作中的航拍鏡頭開始使用直升機(jī)加Spacecam這種組合進(jìn)行拍攝。Spacecam是利用三軸增穩(wěn)云臺來穩(wěn)定相機(jī)系統(tǒng)，以獲得更好的長焦拍攝穩(wěn)定性。而現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展迭代以及電影攝像機(jī)進(jìn)一步輕量化一體化的情況下，越來越多的影視創(chuàng)作團(tuán)隊開始選擇使用無人機(jī)平臺進(jìn)行航拍。近年來《爸爸去哪兒》《舌尖上的中國》《奔跑吧兄弟》等國內(nèi)綜藝節(jié)目中令人印象深刻的航拍鏡頭獲得了非常好的效果[9]。以大疆創(chuàng)新（DJI）為例，其inspire系列無人機(jī)以高集成度著稱，專為影視創(chuàng)作進(jìn)行大量優(yōu)化。飛行平臺（機(jī)身）搭配視覺避障傳感器，并以高速飛行（最大94 km/h）為特點，適應(yīng)影視創(chuàng)作中對速度的要求。集成相機(jī)的三軸增穩(wěn)云臺可更換不同鏡頭，傳感器性能較好，滿足電視節(jié)目的拍攝需求。

2.2 安監(jiān)應(yīng)急

安防監(jiān)控與應(yīng)急響應(yīng)應(yīng)用源于早期軍事偵查，由于航拍可以在遠(yuǎn)端安全之處提供許多寶貴的影像資料用于后臺分析，所以演變?yōu)楝F(xiàn)代利用無人機(jī)開展安防監(jiān)控，無人機(jī)小型化輕量化的發(fā)展趨勢加上旋翼機(jī)型的應(yīng)用，在城市救災(zāi)應(yīng)急指揮方面也有了用武之地[10-11]。小型無人機(jī)垂直起降、快速展開的特性使得應(yīng)急響應(yīng)所需時間大幅縮短，而無人機(jī)在空中飛行相較于地面車輛而言又能更快到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場，對于快速制定合理救援方案有著重要的意義[12]。

2.3 測繪巡檢

無人機(jī)測繪巡檢屬于特殊的航空測繪應(yīng)用，涉及多個領(lǐng)域，組成較為復(fù)雜。測繪巡檢應(yīng)用主要利用無人機(jī)飛行平臺的智能化控制系統(tǒng)，通過設(shè)定好具體的配置參數(shù)，使得無人機(jī)按照一定的區(qū)域路線自主飛行（圖1）。在無人機(jī)自主飛行的過程中，飛行平臺所搭載的相機(jī)進(jìn)行等距或定時拍照，獲得大量影像資料[13]。同時結(jié)合無人機(jī)飛行平臺的POS系統(tǒng)（IMU、DGPS、氣壓計等傳感器）數(shù)據(jù)，可將獲取到的影像資料進(jìn)行快速拼圖。對大面積區(qū)域的整體環(huán)境進(jìn)行快速測量，利用不同時段的正射數(shù)據(jù)，可分析計算出監(jiān)控區(qū)域的擾動面積、植被覆蓋、水保措施等情況[14]。相較于傳統(tǒng)的手持式GPS及激光測距儀測繪方式而言，無人機(jī)測繪巡檢大大縮減了測繪過程中的人力成本和時間成本。而且，對于檢測周期較短的區(qū)域，利用無人機(jī)可以實現(xiàn)高頻次的自動化復(fù)檢，不僅是常規(guī)檢測方法的有力補充，更能全面直觀地搜集到檢測項目的動態(tài)變化信息。

2.4 植保噴藥

在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域，農(nóng)用無人機(jī)以其高效率作業(yè)的特點受到人們的青睞[15]，全球第一個使用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)的國家是日本。1987年，日本雅馬哈公司研制出20kG級的R-50農(nóng)用無人機(jī)。相較于傳統(tǒng)噴藥機(jī)的低效與高成本，農(nóng)用無人機(jī)解決了人工噴藥勞動強(qiáng)度大、操作人員易中毒的問題。使用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行的日作業(yè)面積可達(dá)300～500畝，是高架噴霧器作業(yè)效率的8倍左右[16]。農(nóng)用無人機(jī)主要對噴頭霧化效果、全機(jī)抗腐蝕性能、藥艙載荷、近地飛行精度有較高要求[17]。國內(nèi)深耕于農(nóng)業(yè)植保行業(yè)的無人機(jī)企業(yè)有廣州極飛科技有限公司，其生產(chǎn)的P系列農(nóng)用植保無人機(jī)強(qiáng)化了防水性能、抗腐蝕性能、高效噴頭性能，提供整機(jī)一體化解決方案。同時還組建了專門的植保服務(wù)隊，根據(jù)不同作物屬性，一次噴灑作業(yè)價格在6～30元/畝之間不等。一定程度上解決了農(nóng)業(yè)客戶“不敢用”“不會用”“不舍得用”的問題[18—19]。

圖1 利用軟件設(shè)置無人機(jī)自主巡檢路線Fig1 UAV Autonomous Inspection Route Setting By Software

2.5 夜空燈舞

在現(xiàn)代無人機(jī)發(fā)展的過程中，由于使用環(huán)境日益復(fù)雜，任務(wù)日益多樣，單機(jī)性能受到限制，多機(jī)協(xié)作共同執(zhí)行任務(wù)已經(jīng)成為無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢[20]。而民用無人機(jī)集群作業(yè)的一個典型應(yīng)用就是無人機(jī)戶外燈光秀。搭載高亮度LED燈的無人機(jī)通過集群控制技術(shù)，在夜空中三維空間中動態(tài)變換位置，以形成書寫文字、圖形、動畫特效。宛如一幕會飛的LED屏幕.通過集群控制大量的無人機(jī)，實現(xiàn)了爆炸式的媒體傳播效果。例如，廣州億航智能技術(shù)有限公司在2017年廣州《財富》全球論壇開幕式上演1180架無人機(jī)空中編隊表演（圖2），將靚麗的城市名片傳遞給現(xiàn)場來賓和世界。無獨有偶，就在3個月后，2018年韓國平昌冬奧會開幕式上，科技巨頭美國INTEL公司使用1 200架無人機(jī)進(jìn)行燈光表演秀。

2.6 物流運輸

隨著電子商務(wù)的迅速發(fā)展，物流行業(yè)插上了飛速發(fā)展的翅膀。消費者對于快捷的物流配送方式期待越來越高，傳統(tǒng)物流配送的效率慢慢跟不上龐大的市場需求。國外企業(yè)亞馬遜公司在2013年便開始試驗無人機(jī)配送的自動投放功能，國內(nèi)企業(yè)京東、順豐等公司在2015年著手布局無人機(jī)物流配送業(yè)務(wù)。以京東為例，其無人機(jī)物流運輸業(yè)務(wù)主要為了解決農(nóng)村電商物流配送成本過高的問題。雖然農(nóng)村電商市場規(guī)模大，但是人口分散、物流配送訂單不集中，且交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施差，道路彎曲，不利于汽車行駛。種種因素制約著農(nóng)村電商物流配送的效果，使用無人機(jī)進(jìn)行全自動化物流運輸，可以有效降低站點配送成本[21]。

圖2 2017年廣州《財富》全球論壇開幕式無人機(jī)編隊表演Fig2 UAV formation demonstration on opening ceremony of Guangzhou Fortune GlobalForum

3 問題與對策

3.1 續(xù)航能力制約應(yīng)用發(fā)展

續(xù)航能力不足是目前無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用當(dāng)中最突出的問題。應(yīng)用最為廣泛的電動多旋翼無人機(jī)由于飛行效率較低，在載荷指標(biāo)、航程、航時方面的短板十分明顯。在目前鋰電池技術(shù)沒有太大突破的情況下，電力-燃油混合動力系統(tǒng)、旋翼-固定翼復(fù)合構(gòu)型將會是無人機(jī)科技企業(yè)主攻的研究方向。這類機(jī)型將兼顧電動多旋翼機(jī)型穩(wěn)定懸停、垂直起降的優(yōu)點，又能夠發(fā)揮燃油型固定翼無人機(jī)的長航時與長續(xù)航的優(yōu)勢?？蓪I(yè)內(nèi)平均指標(biāo)由“30 min續(xù)航、40 km航程”級別提升至“5 h續(xù)航、500 km航程”級別，并由此大大提升無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用發(fā)展。

3.2 通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)急需加強(qiáng)

隨著無人機(jī)續(xù)航能力、載荷指標(biāo)的提升，無人機(jī)作業(yè)范圍將越來越大。傳統(tǒng)的無線電遙控方式將無法滿足日益增多的作業(yè)需求。目前已有部分無人機(jī)企業(yè)利用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，依托城市部署的4G無線網(wǎng)絡(luò)對無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這樣的操控模式大大拓展無人機(jī)行業(yè)的應(yīng)用場景，打破了行業(yè)應(yīng)用作業(yè)場景必須現(xiàn)場實施的桎梏。結(jié)合日益完善的自主飛行控制系統(tǒng)，無人機(jī)應(yīng)用將更加智能與靈活。但受限于移動通訊基站的建設(shè)，目前網(wǎng)絡(luò)運營商的4G信號僅對地面覆蓋進(jìn)行專項優(yōu)化，低空域的空中信號覆蓋還十分不理想。需要網(wǎng)絡(luò)運營商加強(qiáng)通訊基站的覆蓋建設(shè)，保證無人機(jī)在低空域的通訊效果，才能更好地對無人機(jī)作業(yè)效率進(jìn)行提升與優(yōu)化。

3.3 利用5G物聯(lián)網(wǎng)、云計算拓展應(yīng)用服務(wù)

無人機(jī)作為高效率適應(yīng)多種環(huán)境的強(qiáng)大數(shù)據(jù)獲取平臺，是未來重要的空中數(shù)據(jù)端口。提升了續(xù)航、載重能力的無人機(jī)可以搭載更多樣的傳感器，測量采集更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時大流量傳輸發(fā)，快速整合分析并生成反饋報告將會是未來的發(fā)展趨勢。更多樣的應(yīng)用服務(wù)都依賴于5G物聯(lián)網(wǎng)通信、云計算、大數(shù)據(jù)分析等功能。

4 結(jié)語

縱觀無人機(jī)半個多世紀(jì)的發(fā)展歷程，無人機(jī)用數(shù)十年的時間完成了由軍用轉(zhuǎn)向民用，由大型化轉(zhuǎn)向小型化的過程。智能化、自主化必將是無人機(jī)下一階段的主要發(fā)展方向。通過結(jié)合近年新興的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G通信等技術(shù)手段，無人機(jī)已經(jīng)開始在各行業(yè)嶄露頭角。隨著無人機(jī)行業(yè)技術(shù)的積累和創(chuàng)新能力的提高，其必將在各行各業(yè)的應(yīng)用中大放異彩。