無人機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的專利分析

許慶婷 周 香

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

本研究對(duì)無人機(jī)控制技術(shù)相關(guān)的國內(nèi)外的專利申請(qǐng)數(shù)量和重要申請(qǐng)人、專利申請(qǐng)趨勢(shì)、專利分布情況等進(jìn)行了分析。通過分析無人機(jī)專利技術(shù)的重要技術(shù)分支：飛行中的規(guī)劃與重規(guī)劃、算法控制及自主導(dǎo)航控制［1-2］，提出了無人機(jī)領(lǐng)域目前值得注意的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)［3］。

1 無人機(jī)控制專利申請(qǐng)趨勢(shì)

1.1 中國專利申請(qǐng)情況

本節(jié)以中文專利庫CNABS的檢索結(jié)果為分析樣本，對(duì)中國專利申請(qǐng)狀況的趨勢(shì)及專利重要申請(qǐng)人進(jìn)行分析，了解國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)重點(diǎn)。

1.1.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)。中國專利申請(qǐng)勢(shì)圖1所示。由圖1 可知，專利申請(qǐng)主要分為以下三個(gè)階段。

圖1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

萌芽期（2009 年以前）。我國對(duì)于無人機(jī)控制技術(shù)的研發(fā)相比于外國起步比較晚，2002年之前沒有專利申請(qǐng)。直到2009 年，相關(guān)專利也很少，處于萌芽期。

平穩(wěn)發(fā)展期（2009—2013 年）。在此階段，技術(shù)發(fā)展得到了一定提升，整體技術(shù)處于平穩(wěn)發(fā)展期。該階段無人機(jī)控制技術(shù)逐漸被人們所重視，相關(guān)研究也在逐漸增多，無人機(jī)的應(yīng)用需求正在增加。

快速增長期（2014 年至今）。2014 年各大企業(yè)開始了無人機(jī)控制技術(shù)的專利布局，使得其專利申請(qǐng)量在2014—2017 年完成了“爆炸性”的翻番，而在2017 年增長趨勢(shì)稍有減緩。截至目前，無人機(jī)的專利技術(shù)申請(qǐng)仍在穩(wěn)步增長（2023年的專利申請(qǐng)由于公開時(shí)間滯后，數(shù)據(jù)不完整）。

1.1.2 專利申請(qǐng)人分析。本節(jié)從國內(nèi)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人角度對(duì)該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)做進(jìn)一步分析，主要考慮申請(qǐng)人的地域分布、根據(jù)申請(qǐng)數(shù)量對(duì)國內(nèi)重要申請(qǐng)人分析。

①申請(qǐng)人地域分布。我國專利申請(qǐng)人地域分布如圖2 所示，廣東、北京、江蘇位列前三，四川、湖北、浙江緊隨其后，其他省市、地區(qū)的申請(qǐng)量較少，仍有較大發(fā)展空間。從主申請(qǐng)人的地域分布情況看，廣東的專利申請(qǐng)企業(yè)多數(shù)是深圳的科技創(chuàng)新型企業(yè)。位于江蘇和北京的專利申請(qǐng)量分別位列第二和第三，主要是江蘇和北京的科研院所、高校較多，科研力量較為集中。

圖2 專利申請(qǐng)人地域分布

圖3 專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人

②主要申請(qǐng)人分析。國內(nèi)專利主要申請(qǐng)人如圖2 所示，包括國家電網(wǎng)、深圳大疆公司和北京航空航天大學(xué)，還有新興企業(yè)，例如湖北易瓦特科技股份有限公司。高等院校是無人機(jī)技術(shù)發(fā)展專利申請(qǐng)的重要來源，申請(qǐng)量進(jìn)入前10 的高校有：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)。其中，北京航空航天大學(xué)是申請(qǐng)量最多的高等院校，該校長期從事無人機(jī)技術(shù)研究，申請(qǐng)內(nèi)容涵蓋多個(gè)技術(shù)分支，包括無人機(jī)自主控制、駕駛航空器設(shè)計(jì)、智能信息處理、導(dǎo)航制導(dǎo)、太陽能電池等，顯示出在無人機(jī)領(lǐng)域較強(qiáng)的專利布局意識(shí)。南京航空航天大學(xué)的專利申請(qǐng)數(shù)量在高等院校中位列第二，且專業(yè)領(lǐng)域較為全面，主要有無人機(jī)避障、空中加油、著陸引導(dǎo)等，從申請(qǐng)領(lǐng)域來看，該校更為偏重研發(fā)無人機(jī)的應(yīng)用技術(shù)。

1.2 國外專利申請(qǐng)情況

本節(jié)以外文專利庫DWPI 中的檢索結(jié)果為分析樣本，主要對(duì)國外的專利申請(qǐng)狀況的趨勢(shì)和重要申請(qǐng)人進(jìn)行分析，從中得到國外的專利申請(qǐng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以及各階段專利申請(qǐng)人所屬的國家分布和主要申請(qǐng)人等情況。

1.2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)。 國外專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖4所示，由圖4可知，專利申請(qǐng)主要分為以下三個(gè)階段。

圖4 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

萌芽期（2003 年以前）。國外對(duì)于無人機(jī)控制技術(shù)的研發(fā)比較早，早在1986 年就已經(jīng)有關(guān)于無人機(jī)控制技術(shù)的專利，但是此階段發(fā)展速度持續(xù)維持在較低水平，且無來華申請(qǐng)。

平穩(wěn)發(fā)展期（2003—2010 年）。技術(shù)發(fā)展呈穩(wěn)步上升，整體技術(shù)處于平穩(wěn)發(fā)展期，且各年申請(qǐng)量呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，未形成規(guī)模效應(yīng)。這是由于美國等國家早期對(duì)無人機(jī)技術(shù)的研發(fā)主要基于軍事需求，成果往往會(huì)進(jìn)行國防保密處理，而不以專利形式公開。

快速增長期（2013 年至今）。2013 年至今，全球?qū)＠暾?qǐng)量開始激增，進(jìn)入快速增長期，尤其是在2015—2017 年，專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)新的高峰，這表明在科技發(fā)展的需要下，無人機(jī)的研制投入和采購需求呈現(xiàn)爆發(fā)性增長。同時(shí)，隨著知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)外合作，來華申請(qǐng)數(shù)量增加，國外企業(yè)對(duì)在我國的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)越發(fā)重視。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，無人機(jī)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)會(huì)持續(xù)性增長（2023 年的專利申請(qǐng)，由于公開時(shí)間滯后，收據(jù)不完整）。

1.2.2 專利申請(qǐng)區(qū)域分布情況。國外專利申請(qǐng)國別分布如圖5 所示。從專利技術(shù)的國家/地區(qū)來源來看，美國申請(qǐng)的專利數(shù)量最多，占比約為56%；其次是日本和歐洲，專利申請(qǐng)的份額分別為16%和14%，位列第二和第三。美國在無人機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)起步較早，在無人機(jī)控制方面的研究穩(wěn)步發(fā)展，位于世界領(lǐng)先水平。因更注重底層技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，美國的專利被引率與其他國家的專利被引率相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖5 國外專利申請(qǐng)國別分布

1.2.3 重要申請(qǐng)人分析。本節(jié)對(duì)國外專利申請(qǐng)的重要申請(qǐng)人作分析，這里將中國的深圳大疆創(chuàng)新科技公司也一并分析，以更直觀顯示中國企業(yè)在全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭力。雖然申請(qǐng)量并非衡量申請(qǐng)人重要性的唯一尺度，但申請(qǐng)量的多少基本反映了該申請(qǐng)人在這一技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入，因此，從申請(qǐng)量來分析重要申請(qǐng)人是比較客觀的。全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前8名的申請(qǐng)人如圖6所示。排名第一的是深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司，深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司自2006 年成立以來，在創(chuàng)新及專利技術(shù)的開發(fā)方面迅速發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，大疆產(chǎn)品占據(jù)了全球民用小型無人機(jī)約70%的市場(chǎng)份額，銷售市場(chǎng)主要集中在歐美國家，并占據(jù)其過去總銷售額的80%。大疆的主力產(chǎn)品據(jù)多是在2013 年以后推出的，但在此之前已有專利申請(qǐng)，可謂是產(chǎn)品未動(dòng)，專利先行。

圖6 全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前8名的申請(qǐng)人

其他主要申請(qǐng)人大部分為美國企業(yè)，包括排名第二的波音公司，該公司較為注重?zé)o人機(jī)控制系統(tǒng)的研究?；裟犴f爾和IBM 公司的申請(qǐng)量也較大，研究主要集中在導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展路線

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)能模仿人類智能感覺、思維、行動(dòng)的規(guī)律，主動(dòng)處理無人機(jī)對(duì)象所面臨的高度復(fù)雜的狀況。下文主要分析飛行中的規(guī)劃與重規(guī)劃、算法控制及自主導(dǎo)航控制的技術(shù)改進(jìn)等技術(shù)路線。

2.1 飛行中規(guī)劃與重規(guī)劃的改進(jìn)

飛行態(tài)勢(shì)是實(shí)時(shí)變化的，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的態(tài)勢(shì)變化，經(jīng)過信號(hào)處理、計(jì)算、分析形成調(diào)度指令，下發(fā)給無人機(jī)控制器，從而實(shí)時(shí)規(guī)劃或調(diào)整飛行軌跡，控制飛機(jī)精確跟蹤所生成的軌跡，完成規(guī)定的任務(wù)。2000 年的專利申請(qǐng)DE19849857A1 公開了一種在無線電信號(hào)丟失時(shí)，無人機(jī)自動(dòng)計(jì)算路徑的方法；2003 年的專利申請(qǐng)EP1462898A2 公開了一種在緊急狀態(tài)下路徑的路徑重規(guī)劃方法；2008年的專利申請(qǐng)CN101251385A 公開了一種應(yīng)用在無人機(jī)上的航點(diǎn)實(shí)時(shí)裝訂與處理方法；2011年的專利申請(qǐng)CN102122173A 公開了一種基于SAR 雷達(dá)成像的無人機(jī)航線規(guī)劃方法；2017 年的專利申請(qǐng)CN107077143 A 公開了一種根據(jù)虛擬圍墻調(diào)整飛行線路避障的方法。

2.2 控制算法的改進(jìn)

常規(guī)的無人機(jī)控制方法和早期的對(duì)無人機(jī)控制都是建立在線性飛行控制理論上的，后又出現(xiàn)遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法。2010年的專利申請(qǐng)US2011/0196540A1公開了一種PID 控制算法；2012年的專利申請(qǐng)CN102945046A 自主控制模式中的內(nèi)環(huán)控制采用自適應(yīng)魯棒控制算法，外環(huán)控制采用模糊PID 控制算法；2013 年的專利申請(qǐng)CN1033835 71A 設(shè)計(jì)了一種模糊控制規(guī)則，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 參數(shù)在不同飛行工況下的最佳調(diào)整；2014年的專利申請(qǐng)CN103412488A 公開了一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小型無人旋翼機(jī)高精度控制方法；2016 年的專利申請(qǐng)CN106200662A 公開了一種利用自適應(yīng)遺傳算法實(shí)現(xiàn)自主飛行控制。

2.3 導(dǎo)航技術(shù)的改進(jìn)

無人機(jī)無法進(jìn)行人工駕駛，因此自主導(dǎo)航功能是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的主要功能。對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)而言，諸多的導(dǎo)航技術(shù)諸如無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等都已廣泛應(yīng)用。1997年的專利申請(qǐng)US6056237A 公開了一種通過GPS 導(dǎo)航的方法；2008 年的專利申請(qǐng)CN101332872A 公開了一種空中無人機(jī)通過無線電接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航的方法，慣性組件能夠不依靠外部設(shè)備而獨(dú)立地提供無人機(jī)的空間坐標(biāo)，因此實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自主導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航最早于1954 年在飛機(jī)上試驗(yàn)成功，但是應(yīng)用于無人機(jī)自主控制的慣性導(dǎo)航在2006 年才有專利申請(qǐng)了優(yōu)先權(quán)為2006 年的專利申請(qǐng)US2008114544 A1 公開了一種通過慣性導(dǎo)航的方法。中國于2007 年申請(qǐng)了慣性導(dǎo)航的方法，專利申請(qǐng)CN101270993A 公開了一種以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方法；2009年的專利申請(qǐng)CN101598556A 公開了一種未知環(huán)境下無人機(jī)視覺/慣性組合導(dǎo)航方法。

3 結(jié)論與展望

我國對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)的研究起步較晚，以下問題值得注意。

①加強(qiáng)自主控制的研究。該研究處于起步階段，有些概念、結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步系統(tǒng)化、準(zhǔn)確化，尤其多平臺(tái)的自主控制能力并不強(qiáng)。應(yīng)緊跟國際無人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，充分吸取新技術(shù)、新概念，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新，不斷縮小差距。

②注重系統(tǒng)應(yīng)用研究。2000 年之前無人機(jī)主要用于軍事，2000年之后無人機(jī)在民用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。未來，無人機(jī)將更好的方便人們生活，如用于緊急救援、復(fù)雜環(huán)境的勘探、投送快遞等，應(yīng)注重不同應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)的適應(yīng)性，提高無人機(jī)系統(tǒng)適用性。

③提高飛行的可靠性。在飛行的過程中可能會(huì)遇到突發(fā)狀況，通過系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)飛行控制情況檢驗(yàn)，為控制參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。需進(jìn)一步提高仿真試驗(yàn)的技術(shù)水平以提高無人機(jī)的飛行安全性能。

④增加無人機(jī)的續(xù)航能力。電池的續(xù)航能力是影響無人機(jī)工作的重要因素，如何提高續(xù)航里程、提高電池的工作效能、減少耗能值得研究。同時(shí)，無人機(jī)在空中無線充電可以減少返程充電次數(shù)，提高工作效率，也是值得研究的方向。