中國(guó)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望

秦萬(wàn)

摘 要：本文對(duì)無(wú)人機(jī)的分類、能耗及應(yīng)用現(xiàn)狀做了綜合性的介紹。無(wú)人機(jī)具有成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、自組網(wǎng)、部署靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而在近幾年發(fā)展迅速，備受關(guān)注。本篇文章對(duì)無(wú)人機(jī)的分類——旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)做出了介紹，并對(duì)無(wú)人機(jī)的能耗組成進(jìn)行了說(shuō)明。結(jié)合現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)在觀測(cè)任務(wù)、空間基站、空間組網(wǎng)等方面的應(yīng)用，給出了對(duì)于無(wú)人機(jī)未來(lái)發(fā)展方向的討論。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；現(xiàn)狀；展望

一、無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)由于其高機(jī)動(dòng)性和低成本而引起了各方面的重視。例如，在災(zāi)難救援和遠(yuǎn)程空間感知中，無(wú)人機(jī)可以比傳統(tǒng)方法更好，更快地執(zhí)行任務(wù)。此外，由于電池電源和信息技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)也可以作為無(wú)線通信的空中基站。它們具有可操作性和易于部署的靈活性，本文針對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的廣泛，對(duì)無(wú)人機(jī)的分類、能耗及應(yīng)用現(xiàn)狀做了綜合性的介紹，給出了對(duì)于無(wú)人機(jī)未來(lái)發(fā)展方向的討論。

二、無(wú)人機(jī)分類

無(wú)人機(jī)根據(jù)飛行平臺(tái)構(gòu)型進(jìn)行分類可以分為旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)兩類，且各自具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

固定翼無(wú)人機(jī)：即非懸停無(wú)人機(jī)，依靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動(dòng)力，主要的升力來(lái)自機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。固定翼無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)如下：（1）固定翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力強(qiáng)，適合用于長(zhǎng)途飛行；（2）它們往往比懸停的無(wú)人機(jī)更大，在部署天線陣列時(shí)更靈活，適用于MIMO天線；不過(guò)局限之處在于需要跑道輔助起飛降落，因此固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)地形的要求更為苛刻，此外，也存在地面測(cè)控和保障系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)要求高等缺點(diǎn)。

旋翼無(wú)人機(jī)：旋翼無(wú)人機(jī)是依靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力來(lái)平衡飛行器的重力，讓飛行器可以飛起來(lái)，通過(guò)改變每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。旋翼的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)、靈活，不需要跑道便可以垂直起降，可以精準(zhǔn)懸停，可精細(xì)對(duì)某個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀察，體積小，操作簡(jiǎn)單容易上手，應(yīng)用領(lǐng)域廣，缺點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和效率都是比較差的，操控距離較近，飛行高度較低，負(fù)載較小，續(xù)航時(shí)間短，所以只能小面積作業(yè)，且旋翼無(wú)人機(jī)上的旋轉(zhuǎn)葉片運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致高頻多普勒反射，對(duì)通信信號(hào)造成一定影響。

三、無(wú)人機(jī)能耗

無(wú)人機(jī)能耗通常由兩個(gè)主要部分組成，即通信相關(guān)能量和推進(jìn)能量。通信相關(guān)能量包括用于通信電路，信號(hào)處理，信號(hào)輻射/接收等方面的能量。另一方面，無(wú)人機(jī)需要推進(jìn)能量以保持無(wú)人機(jī)在高空的運(yùn)動(dòng)。通常，推進(jìn)能量取決于無(wú)人機(jī)飛行速度以及其加速度。

四、無(wú)人機(jī)的主要應(yīng)用

無(wú)人機(jī)現(xiàn)如今已被廣泛應(yīng)用于生活中的方方面面，本文給出無(wú)人機(jī)應(yīng)用相對(duì)廣泛的幾個(gè)領(lǐng)域：

（1）在航拍領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)航拍攝具一般有高清晰、小面積、大比例尺、高現(xiàn)勢(shì)性的優(yōu)勢(shì)所以常常能完成許多其他無(wú)法完成的拍攝。使用無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行航拍，不僅是一種新型的攝影方式，并且有其獨(dú)特的拍攝角度和拍攝效果，所有已經(jīng)有了一批專業(yè)的無(wú)人機(jī)攝影人士，甚至已經(jīng)形成了與之相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈。最常見的就是利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行高空拍攝，在中國(guó)航拍網(wǎng)上一些優(yōu)秀的作品令人賞心悅目。此外，無(wú)人機(jī)航拍在各種大型活動(dòng)當(dāng)中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播、記錄等也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和相當(dāng)大的應(yīng)用。

（2）在高空作業(yè)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)也有著許多的應(yīng)用。比如，在架設(shè)高壓電線當(dāng)中，除一般的電線工人所面臨的各種困難和風(fēng)險(xiǎn)之外，一些極其復(fù)雜的環(huán)境之下純?nèi)斯げ僮魍荒芡瓿?，但引入無(wú)人機(jī)不僅能完成并且大大降低了高空作業(yè)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。于此相關(guān)的是高壓電線的維護(hù)，由于各種意外高壓電線上難免出現(xiàn)飄掛的風(fēng)箏、塑料袋、孔明燈等異物，如果不及時(shí)清理可能導(dǎo)致難以想象的后果，這時(shí)借助“噴火”無(wú)人機(jī)比原來(lái)使用機(jī)械設(shè)備和人力清除要省時(shí)省力，且更加安全。在清洗城市高樓玻璃幕墻這個(gè)行業(yè)里面，清潔工使用的工具簡(jiǎn)單原始，不僅人身安全得不到保障，而且工作效率還不高，然而借助無(wú)人機(jī)的協(xié)助就能很大程度上克服一些現(xiàn)有的痛點(diǎn)。

（3）在交通領(lǐng)域，總所周知的是每逢節(jié)假日我國(guó)各地高速路面臨著極大的壓力，不免出現(xiàn)亂超、違停、應(yīng)急通道等各種違法交通規(guī)則的現(xiàn)象，由于時(shí)間緊、視頻監(jiān)控困難和執(zhí)法人員不足等各種各種因素導(dǎo)致取證困難或無(wú)法及時(shí)處理執(zhí)法難點(diǎn)。但據(jù)了解山東、安徽、四川、北京和上海等全國(guó)各地都已經(jīng)相繼引進(jìn)了無(wú)人機(jī)助力交巡警，在“鐵騎隊(duì)員”移動(dòng)終端的操縱下，無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的將道路圖像傳至分控中心的大屏幕上，并且清晰度完全能夠的得到保障。所以一旦有任何違法交通法規(guī)或者事故出現(xiàn)，都能通知附件的執(zhí)法人員迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)處理，大大提高了執(zhí)法效率。無(wú)人機(jī)巡查監(jiān)督在快速處理簡(jiǎn)易交通事故、疏解城市交通、監(jiān)控視頻盲區(qū)、管理鄉(xiāng)村主次干道等工作中發(fā)揮重要作用。

（4）在通信領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)可以被認(rèn)為是為給定區(qū)域內(nèi)的地面用戶服務(wù)的空中準(zhǔn)靜態(tài)基站（BS）。利用高移動(dòng)性的移動(dòng)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)引起了很大的興趣，在優(yōu)化中考慮了無(wú)人機(jī)軌跡，以分別改善移動(dòng)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的容量，物理安全性和能量效率。無(wú)人機(jī)充當(dāng)中繼站，從地面上的同頻道用戶收集消息，以便將它們轉(zhuǎn)發(fā)給其他地面用戶或某些遠(yuǎn)程基站。

（5）在軍事或?yàn)?zāi)難響應(yīng)（例如，災(zāi)難）場(chǎng)景中，地面上的用戶需要彼此及其指揮中心的可靠通信。這種情況經(jīng)常發(fā)生在沒有固定通信基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中（例如，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的集中式基站），因此網(wǎng)絡(luò)必須以對(duì)等或自組織方式操作。用戶和命令中心可以分開大于其通信設(shè)備范圍的距離，或者由于山區(qū)地形或密集環(huán)境（森林，建筑物等），信號(hào)可能被遮蔽。此外，由于用戶是移動(dòng)的，因此通信環(huán)境不斷變化，因此連接通常只是零星的。作為空中繼電器（主要是“飛行基站”）的無(wú)人駕駛飛行器（UAV）為在這種情況下遇到的問(wèn)題提供了有吸引力的解決方案，因?yàn)樗鼈兊母叨仍试S它們超越地面陰影并獲得視線（LOS）或大面積的LOS通信信道附近。無(wú)人機(jī)的固有移動(dòng)性允許調(diào)整其位置，以便最好地適應(yīng)不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

五、啟示與展望

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸變得越來(lái)越大。筆者以為未來(lái)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域?qū)⒊?guī)范化、專業(yè)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，不僅將在民用領(lǐng)域給予人們更多的選擇，并且在交通、通信、軍事等其他領(lǐng)域也將扮演著重要的角色。