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无人机千亿市场,中国企业有望争夺“制空权”
2016-03-30   来源:新势力科技|0    点击:218

无人机,即无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。

    无人机,即无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。

    航模与无人机有着本质的差别。航模主要采用手动/半自主控制方式,自动驾驶仪能够保持多旋翼飞行器的姿态稳定(或定点)等,但还是需要通过人员遥控操纵,只允许视距范围内飞行,不能用于商业行为。而无人机采用全自主控制方式,自动驾驶仪的控制算法能够完成航路点到航路点的位置控制以及自动起降等,地面人员进行任务级规划,可以超视距飞行,搭载任务载荷可以进行商业行为。

    特种航空器or空中机器人?复合属性背后的三维驱动力
 

   隶属航空体系之下,管理政策沿袭通航
 

  无人机出现在有人驾驶飞机之后并以其为基础。延伸到行业层面,无人机自然也涵盖在大航空产业之内。具体到民用无人机,作为一类特种航空器,它属于通用航空范畴,具备方式多样性、需求广泛性以及主要活动在低空领域等特性。

    在航空体系中,一种新兴的飞行器首先面临两大问题:首先是如何去飞,即飞行性能和机型设计选择问题;其次,也是更重要的,是该怎么飞,即政策监管问题。无人机当然也不例外。


    三种机型各有所长,多旋翼独领小型无人机风骚

  对于无人机而言,不同的机型,在飞行效率、姿态控制原理、数学模型、气动特性、操作方法及适用的任务均不同。纵观无人机的历史(详见附录),三种机型各有所长,相互之间替代性较弱,发展成熟后在不同的领域发挥作用。


    固定翼无人机的动力原理相对简单:一般通过机身前部或者后部的螺旋桨推送空气提供反向动力,同时在高空中借助气流飞行与姿态调整。借助副翼,升降舵,方向舵提供无人机飞行需要的横滚,俯仰,姿态力矩。一般小型固定翼无人机会搭载一个或若干无刷电机,连接定距螺旋桨提供飞行动力;若干舵机分别控制副翼,升降舵,方向舵以提供姿态力矩。

    传统小中型固定翼无人机由于机身尺寸和载重能力限制,一般不具备搭载过大的动力系统的能力,因此需要借助外力起飞。手抛起飞一直是小型固定翼飞机的重要起飞方式。随着无人机尺寸的增大,挂载设备后重量提升,另外一种常见的固定翼无人机起飞方法——弹射起飞更加适用。


    固定翼无人机在没有电源时具备天然的滑翔能力,对驾驶与技术失误的“鲁棒性(robustness)”更强,可以在电量较低时携带更大载重,飞行更远距离。但对于需要精确悬停的飞行任务而言,固定翼无法定点悬停的缺点就会凸显出来,只能围绕着某点进行圆周盘旋飞行。


    无人直升机的机械结构比较复杂,包括主旋翼、尾桨、垂尾、平尾、副翼、主旋翼结构件、起落架等。其姿态控制力矩来自于主旋翼和尾桨,主旋翼提供俯仰和横滚所需的姿态控制力矩,尾桨提供偏航力矩。


    直升机将拉力投影到纵向和横向上并产生姿态控制力矩是通过主旋翼挥舞实现的。主旋翼通过自动倾斜器调节周期变距实现挥舞运动,通过这样的结构将伺服电机的转动变化为倾斜器角度变化,再控制桨距角发生变化,最终将主旋翼的升力投影在运动方向上驱动直升机实现三个方向上的直线运动。

    直升机型无人机在各类机型无人机中机动性最好,气动效率、负载能力、飞行模式、续航能力等方面较为优秀。对于工业级用户,实际作业时往往要适应更加复杂、苛刻的飞行环境并携带大量专业设备,无人直升机在这种条件下比多旋翼更加机动、灵活、耐久。因此,无人机型直升机对于一些工程项目、专业航拍等任务而言是最优解决方案。


    多旋翼无人机的特点是不需要跑道便可以垂直起降,起飞后可在空中悬停。多旋翼机械结构非常简单,动力系统只需要电机直接连桨,一般没有活动机械连接部件。因此,多旋翼的可靠性基本上取决于无刷电机,在正常飞行过程中相比其他两种机型更加安全可靠。此外,多旋翼勤务性是最优的,若电机、电子调速器、电池、桨和机架损坏,很容易替换。

    它的操控原理也较为简单,操控器上四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面,多旋翼控制方法简单,控制器参数调节简便。

    随着电池能量密度的不断提升、材料的轻型化和机载设备的不断小型化,多旋翼的优势将进一步凸显。不过,多旋翼的发展瓶颈在于,运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变以调整力和力矩,不适合推广到更大尺寸的机型。

   

  探究产业性质,实际属于机器人


    作为航空器,无人机有其特有的飞行属性和监管特点;而当它以此为基础,在尖端科技的加持下逐步发展壮大,并与传统产业相融合,无人机的机器人性质就愈发凸显。


    无人机属于特种机器人的一种。特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。


    根据这一定义,无人机在技术性、人力替代方面均表现抢眼,即将率先成为特种机器人的产业化标杆。


    六大技术,展现机器人之心


    无人机既是空气动力学探索创新的平台,也是新概念新技术应用的理想载体。由于不用考虑人体限制,无人机研制成本较有人驾驶航空器有所降低,并且放宽了设计限制条件。


    回顾无人机过去一百年的发展史(详见附录),我们发现:无人机不同于传统飞机,不能载人上天,某种程度上是与人类的千年飞天梦有所背离的产物。正因为此,无人机曾多次被搁置、冷落。但是,随着技术的不断完善,当性能和控制上的短板被补强,无人机独特的远程操纵、机动灵活等特点逐步显现,成为现代战争和民用工业领域的刚性需求产品。所以,无人机是典型的技术驱动型产品。

    整个无人机系统可以分为五大部分,分别是机身主体、动力系统、控制系统、通讯链路和任务载荷,各部分又包含多种组件。


    就目前发展阶段而言,无人机共有六大主流核心技术:飞控、云台、相机、图传、避障、机器视觉


    1)飞控:


    飞控是飞行控制器的简称,一般是指自动驾驶仪,也可以是整个无人机控制系统的统称。自动驾驶仪分为硬件部分和软件部分,包括惯性测量单元(IMU)、全球定位系统(GPS)、气压计和超声波测量模块、微型计算机(算法计算平台)、接口。目前,除小部分研发能力较强的公司采用封闭式飞控,其他大部分均在开源飞控的基础上进行二次研发。

    惯性测量单元主要由三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器和气压计构成,也称IMU。它在飞行中起到的作用就是感知飞机姿态的变化,如飞机当前是前倾还是左右倾斜,机头朝向、高度等最基本的姿态数据。


    飞控最基本的功能——控制一架飞机在空中飞行时的平衡,需要以下环节:由IMU测量感知飞机当前的倾角数据并通过编译器编译成电子信号,将这个信号通过信号新时时传输给飞控内部的单片机;单片机负责根据飞机当前的状态数据,计算出一个补偿方向、补偿角,然后将这个补偿数据编译成电子信号,传输给舵机或电机,电机或舵机在去执行命令,完成补偿动作;最后传感器感知到飞机平稳了,将实时数据再次给单片机,单片机会停止补偿信号,就此形成一个循环。大部分飞控基本上都是10HZ的内循环,也就是1秒刷新十次。

    除飞控本身之外,无人机飞行活动还需要依赖地面站。地面站是在地面的基站,能时时监测到当前的飞行路线、状况、及实时调度等。地面站设备组成一般都是由遥控器、电脑、视频显示器,电源系统,电台等设备组成,一般来说就是一台电脑,一个电台,一个遥控。电脑上装有控制飞机的软件,通过航线规划工具规划飞机飞行的线路,并设定飞行高度、飞行速度、飞行地点、飞行任务等通过数据口连接的数传电台将任务数据编译传送至飞控中。


    整套无人机飞控工作原理就是地面站开机,规划航线,给飞控开机,上传航线至飞控,再设置自动起飞及降落参数,如起飞时离地速度、抬头角度、爬升高度、结束高度、盘旋半径或直径、清空空速计等,然后检查飞控中的错误、报警,一切正常,开始起飞,待机体稳定后在开始飞向任务点,执行任务,最后再降落。飞行过程中如果偏离航线,飞控就会一直纠正这个错误,一直修正,直到复位为止。


    2)云台:


    无人机在飞行中会发生不可避免的抖动,随着高度升高和距离拉长,即使非常微弱的抖动也可能造成极大的偏差。对于相机之类精度要求较高的任务载荷,能够提供“稳定性”的云台就成为必不可少的组件。


    狭义来说,云台是安装、固定相机/摄像机的支撑设备,分为固定和电动云台两种。


    固定云台:在一般的军用固定翼无人飞机上用的大多数是固定式航拍云台,垂直面向地面拍摄,没有运动补偿等稳定画面的装置。而消费级无人机刚面世时,所采用的航拍云台大多也是固定式云台,比如大疆的Phantom一代,采用的就是固定式的设计,将相机与飞行器固定在一起,运用调整飞机的角度,调整航拍时的视角。


    固定式的云台优点是能够减少成本、减轻重量、省电,从而提高飞行时间;缺点也非常明显,就是航拍画质较差、无法改变视角。


    电动云台:在一般云台上加设电动机,电动机能接受控制器的信号,从而精确地调整定位,在控制信号的作用下,云台上的摄像机既可自动扫描监视区域,也可在人工操纵下跟踪监视对象。


    目前电动云台有两轴和三轴的,三轴云台可以对无人机前进、后退时等飞机姿态的变化进行影像稳定弥补,在主流航拍无人机上比较常见。其优点是对航拍时的画面有全方位的稳定,保证画面清晰稳定;缺点是工程造价较贵,由于电机控制,所以相对会耗电,降低航拍的续航时间。而两轴是三轴的缩减版,定位低端、降低成本,省去了垂直方向上的稳定补偿,对耗电也会有所帮助。

    3)相机:


    拍摄功能是大多数面向消费者的民用无人机最核心的用途,也是在飞行之外的跨界技术。航拍与普通的摄影有很大不同,无人机航拍是在高速飞行状态条件下所进行的拍摄,这对拍摄相机提出了新的要求:


    第一,由于无人机载重能力有限,因此所载仪器都要求尽量体积小、重量轻,数字照相机电耦合器(CCD、CMOS)小、电子扫描式快门、记录载体小、图像传输方便的优点正好满足了这一需要;第二,无人机航拍是在高速飞行状态下对地面进行的拍摄,所以必须要在动态条件下拍摄出清晰的静止画面。因此,优秀的无人机相机产品自然也是一个不错的运动相机摄像机,其中难度不仅在于1080P 或者4K 的画质,还在于飞行过程保持图像稳定。同时,对于无人机来说,机载航空相机不仅要自动开机和关机,而且还要在不同的光线条件下能够实现自动完成快门光阑调节、自动调整曝光时间能功能。


    第三,由于无人机航拍都距离被摄物体较远,具有物距大、景深大特点,加之镜头的广角特性,因此在无人机相机方面,恒定大光圈、广角定焦的相机更加适宜。原因在于一般变焦镜头伸缩时会影响到飞机平衡,而内变焦镜头虽不会改变重心,但内变焦的装置会在一定程度增加重量。

    4)图传:


    图传系统,就是采用适当的视频压缩技术、信号处理技术、信道编码技术及调制解调技术,将无人机所搭载的摄像机拍摄到的视频以无线方式实时传送到远距离地面端的一种无线电子传输设备。图传,尤其是高质量的图传系统在行业级无人机的应用中扮演着极为重要的角色,是不可或缺的。在行业应用中,绝大多数任务场合都需要在远离现场的情况下,实时、可靠的观察或获取现场图像及视频,此时图传就会显现出重要作用。如果飞控被称为无人机的大脑,那么图传系统就可以比做无人机的视觉神经。

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    按设备类型来分,通常可分为模拟图传和数字图传两大类:


    模拟图传是指对时间(包括空间)和幅度连续变化的模拟图像信号作信源和信道处理,通过模拟信道传输或通过模拟记录装置实现存储的过程。


    数字图传是指数字化的图家信号经信源编码和信道编码,通过数字信道(电缆、微波、卫星和光纤等)传输,或通过数字存储、记录装置存储的过程。数字信号在传输中的最大特点是可以多次再生恢复而不降低质量。还具有易于处理、调度灵活、高质量、高可靠、维护方便等优于模拟传输的其他特点。

    图传主要考察的指标是传输距离、延时性和清晰度。随着i/p制式(隔行/逐行)、帧率、图像实际码流速度、图传传输延迟及有效传输距离等指标的不同,在观看回传视频或实际应用时,在图像画面细腻度、图像流畅度、图像大动态场景变化、图像色彩过渡柔和度及环境适应性等方面的用户体验差别是非常大的。由于数字图传所传输的视频质量和稳定性都要远远好于模拟图传,所以在工业级应用中通常都采用数字图传。而到了消费级,出于成本的考虑,除了大疆使用Lightbridge数字图传系统,其他大多数厂商选择2.4GHz WiFi Camera的方案,传输距离在500-800m左右。


    以上四项核心技术是无人机实现基础功能所必须的,而只有当它具备了避障和机器视觉时,才能真正成为一个可自由活动的空中机器人。


    5)避障:


    无人机想要继续发展,安全性是不可小觑的。“避障”功能(Obstacle Avoidance),就是无人机飞行器在自动飞行的过程中遇到障碍物时,通过自动提前识别、有效规避障碍物,达到安全飞行的效果。从2015年开始,世界主要的民用无人机制造商均开始将“避障系统”作为产品重点。除了目前仅用于军用无人机的雷达技术,主流的无人机避障系统主要有三种,分别是超声波声呐技术、TOF(飞行时间技术)以及视觉图像复合型技术。


    超声波声呐技术:超声波声呐技术成本低,操作方便,目前很多无人机的避障技术都来来源于此。它基于仿生学原理:蝙蝠通过其口腔中的特殊构造来发出超声波,当超声波遇到障碍或者猎物时就会被发射回蝙蝠的听觉接受系统。依靠这种测距的方法辨别障碍,规划路线。


    超声波是最简单的测距系统,绝大部分生活中遇到的测距系统都是使用的这种技术,最常见的就是汽车的倒车雷达。在无人机上加装定向的超声波发射和接收器,然后将其接入飞控系统即可。


    对于无人机来说,超声波避障系统应该放在多个方向,比如放在前后左右四个方向,可以在悬停和飞行的时候对周围保持监控;而放在机身下方和上方,则可以在起飞、下降以及降落的时候避免速度太快碰到障碍物或者地面。

    但是,超声波在无人机避障的应用中也有比较明显的干扰问题。首先,虽然超声波避障系统不会受到光线、粉尘、烟雾,但在部分场景下也会受到声波的干扰。其次,如果物体表面反射超声波的能力不足,避障系统的有效距离就会降低,安全隐患会显著提高。一般来说,超声波的有效距离是5米,对应的反射物体材质是水泥地板,如果材质不是平面光滑的固体物,比如说地毯,那么超声波的反射和接收就会出问题。

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    TOF(飞行时间技术):TOF与超声波的最大区别就是将探测障碍物的载体换成光。检测方法有两种:一种是光的时间,另一种是光的相位。但是总的来说,都是把光射出去,然后检测反射回来的光,进而判断无人机的周围是否有障碍物,距离几何等。


    无人机悬空时,TOF系统会保持每秒钟旋转2-5圈的状态。通过这一秒时间,无人机系统就可以快速扫描周围360°的有效半径,及时发现障碍,然后对飞控系统发出调整位置的指令,避免对周围的人或财物造成伤害;当飞行的过程中,TOF系统则会停止旋转,只会向前方发射出光线。而飞行方向一旦确定,在室外的有效距离就可以增加到8-10米。


    和超声波同样,光波也会受到干扰,而目前城市环境下楼宇间的光污染,给TOF避障系统带来了难题,系统发出的光,必须避开太阳光的主要能量波段,从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰。

    同超声波技术相似,TOF也有不足。例如在光污染越来越剧烈的今天,不但高楼之间的玻璃光无人会干扰系统,就是遭遇太阳光的主要能量波段,也会使TOF暴漏不足,正常的10米左右的测量距离也会减少至5米。


    视觉图像复合型技术:视觉图像复合型技术随着移动芯片的运算能力的飞跃而越来越成为无人机避障首选。通过高清摄像机拍摄帧速足够高、清晰、分辨率高的图像,借助一颗足够小而性能强大的处理器,分析每一帧图像中是否存在障碍物。


    大疆在去年6月推出的智能避障系统“Guidance”就是基于此项技术而开发的。在Guidance系统的前后左右下五个方向都有专门进行障碍识别的摄像头,设别机制也有超声波和图像视觉两种。今年3月发售的精灵4也加入了前向视觉避障。

    麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室也通过此技术探索避障技术,不过他们是通过2块手机芯片进行实时图像处理后,寻找出可以飞行的自由空间,而不是识别障碍物后再进行躲避。可以说是非常主动的一种方法。但是,这款无人机只能处理几秒钟内的视频数据,而不是会生成一个完整的区域地图,毕竟现有手机芯片的处理能力还很有限。


    视觉图像复合型技术也面临着挑战,如弱光或者黑夜条件下,通过图像识别障碍物的能力就会大幅度下降。


    6)机器视觉:


    机器视觉,也称为计算机视觉,旨在赋予机器可媲美人类的视觉,是人工智能正在快速发展的一个分支。这项技术可理解为用摄像头和传感器结合计算机模拟类似人眼和大脑的作用,来得到三维空间的距离,进而识别物体、判断物体的运动状态以及更为复杂的辨别。随着研究人员应用专门的神经网络来帮助机器识别和理解现实世界的图像,机器视觉在过去几年取得了巨大的进步。


    通过给无人机赋予视觉能力,可以让它不仅知道GPS时代的“我在哪里”,而且能够理解所看到的环境。就目前的无人机而言,机器视觉主要基于两类应用的整合拓展:一类是距离感知,因为激光扫描仪的设备太贵太重,小型化、低成本的距离测量涉及到硬件传感器和软件算法可以实际使用;另一类是目标检测方面,包括检测、跟踪识别、导航和其它。


    第一类应用其实就是上一节提到的视觉图像复合型避障,而第二类,即光学型的目标识别,是通过光学/声学等形式,在搜集周边环境信息后,无人机无需特定的GPS或信号点,即可根据算法和实时数据判断和识别目标,从而进行视觉跟踪。但它对无人机摄像头、处理器运算能力以及厂家识别算法,都提出了和很高的要求。从公开资料来看,有两家厂商拥有类似的视觉识别技术:一个是由德国公司Ascending和英特尔合作的研发的自动驾驶系统,一个是由国内厂商零度研发的Follow snap视觉跟踪技术。前者需要英特尔定制的RealSense 3D摄像头才能工作,而零度无人机上的Follow snap视觉跟踪技术,更多的是依靠运算能力和识别,通过无人机自主提取和识别跟踪目标的特征,再去主动跟踪。

    机器视觉可以解放用户双手,并大幅提升安全性。对个人来说,搭载机器视觉的无人机有望成为生活中的私人助理;从商业应用角度,机器视觉可以让无人机自动完成巡检排查、数据采集等任务。

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    两种替代,揭示机器人之实


    一直以来,机器人的出现最终目的都是为了取代人类的部分工作,作为空中机器人的无人机也不例外。民用无人机,特别是工业级无人机的本质,是替代传统方式中那些人所不能或效率不高,以及经济性较差的工作。


    替代人力,完成危险、枯燥工作


    按照美国国防部的观点,无人机在3个特定的任务领域发挥的作用最大,分别是“枯燥乏味的、环境恶劣的、危险的”(The dull,the dirty and the dangerous),简称3D任务。目前已经出现的无人机行业应用均符合这一标准:


    电力巡线:即用无人机携带摄像头、红外线传感器等设备,检查高效输电线是否有接触不良、过热、外力破坏等隐患。传统作业巡检面临工作人员劳动强度大、工作条件艰苦、劳动效率低等问题,而无人机电力巡检则可以适应恶劣的交通环境,是一种先进、科学、高效的电力巡线方式。


    利用无人机电力巡检主要有以下三大人力不可比拟的优越性:


    一是无人机巡线作业环境适应性强、准确性高。尤其在遇到电网紧急故障和在异常气候条件下,无人机电力巡检弥补了线路维护人员不具备有利的交通优势、利用普通仪器或肉眼来巡查设施准确性低、效率低等缺点。


    二是无人机巡线比人工巡线效率高。数据表明:无人机巡线比人工巡线效率高出40倍。采用无人机进行常规输电线路巡查,可降低劳动强度,并且大大降低了成本,提高了电力维护和检修的速度和效率,使许多工作能在完全带电的环境下迅速完成,确保了用电安全。


    三是无人机减少电力工人作业风险的同时,本身具有较高安全系数。安全是无人机电力作业的基础,其核心是飞行安全。对于无人机电力作业,目前国内外尚未出现过作业过程中的安全事故,整体安全性十分高。

    消防救援:在火灾现场和抢险救援方面,无人机系统可在第一时间达现场,迅速展开作业,提高响应速度。小型无人机系统的量可以控制在几千克或十几千克以下,依靠遥控器或手提就可进行操控,只需2-3 个人就可以完成任务。一架收纳状态的无人机可以嵌入标准行李箱内,运输方便,在道路被毁或外恶劣地形的情况下,工作人员完全可以携带全部装备徒步到达现场。


    1)灾情侦查:无人机机体小巧,速度容易控制,机动性好,具有其他设备不具备的全地域拍摄功能,飞行灵活机动。无人机可以方便的携带风速仪、测温仪和危化品侦检模块快速到达灾害现场一线进行初期侦查,为火情、灾情处理提供第一手决策资料。


    2)实时数据采集:无人机配置的多媒体采集系统可以现场完成视、音频数据的采集,并通过有线、微波、3G、卫星链路等传输方式,将信息实时传送到各级指挥中心。


    3)指挥调度:灭火救援和抢险救灾等重大公共事件,具有涉及面广、影响大等特点,而无人机系统不受地域和时空的限制,以应急抢险通信作支撑,可满足指挥调度的需要。


    替代传统方案,提升经济性


    无人机对影视行业的颠覆是最为典型的例子。此前,航拍大多数由直升机完成,画面是由摄影师站在直升机上直接拍摄或将摄像机绑在机架上自动拍摄。由于使用直升机及配套的人力物力成本较高,航拍一直未能成为影视行业主流拍摄手法之一。如今,越来越多的电影和电视都采用无人机协助拍摄,如《爸爸去哪儿》、《奔跑吧兄弟》等户外真人秀,以及《狼图腾》等电影。在专业拍摄层面,尽管直升机拍摄效果可能更好,并且对飞行高度没有限制,但是租用直升机费用十分昂贵,且受制于航空管制不能随意飞行。相比之下,无人机是一次购买可多次使用的专业相机载体,航拍费用大大降低,并且在当前监管环境下使用较为灵活方便。

    据私人飞机网统计,市场上施瓦泽300C(2座)为每小时8000-10000元、鲁滨逊R44(4座)的租赁费用为每小时15000元、欧直EC120(5座)为每小时35000元、欧直EC135(8座)为每小时65000元,且大多租赁公司要求三小时起租,从飞机离开机场算起,中间等待的时间也要收费。同等条件下,使用无人机进行航拍的费用则大幅下降。以行业龙头大疆创新的高端专业机型Inspire 1 PRO来计算,其完整套装价格约为27499元,保守估计寿命可达50小时(目前业界较差使用时限),即每小时成本约为550元,不到直升机租赁成本的1/15。

    此外,随着近几年无人机的高速发展,其相对传统航拍的成本优势更加显著。以行业平均水平来看,2012年直升机拍摄一天的费用需要30万,无人机需要2万。而到2015年,无人机成为越来越多影视公司的标配,拍摄一天的费用甚至可以低至1500元。

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    无人机有望成为最早实现产业化的特种机器人


    区别于其他机器人,无人机可以说是从航空领域跨界而来,正因为此,无人机与生俱来的飞行属性既是天然的人力所不能及的特性,也是领先于其他机器人的优势。


    在广义的特种机器人里,无论轮式还是人型,地面无人设备的移动性能一直存在局限,亟待攻克完善。与地面的拥挤截然不同,无人机活动在空中,在飞控帮助下可以实现灵活移动。就目前而言,在一定的续航时间限制内,无人机是更为优秀实用的机器人平台。

    正以为此,无人机的可拓展性正被充分挖掘,无人机市场的想象空间来自于机载设备和软件系统的发展。根源于解决不同用户需求,无人机搭载影像和传感器催生了航拍、测绘、巡视等应用,挂载喷洒系统成为农业植保最优解决方案,挂载物流仓可组成无人机快递运输队,挂载通信设备则可提供空中WIFI服务。而软件系统的革新一方面会让无人机的飞行更加稳健,完成恶劣环境下的飞行任务,另一方面也将让无人机得以与更多的智能设备深度融合,赋予其更具创造力的交互。


    可以预见,在未来几年内,人工智能加持下的无人机将进化为更强大的形态。


    政策、技术、应用需求——无人机产业三大驱动力
 

    从飞行器到机器人,当我们完整剖析无人机,其产业发展的主要驱动力也就自然呈现出来。


    政策:作为航空体系的重要成员,无人机必须遵循航空法规,在专业监管政策下运行。在无人机数量大规模增长之后,政策放开的力度将显著影响行业发展进程。


    技术:无人机的百年史是一部技术发展史,信息时代下的无人机技术更迭在加快。当前,续航时间、智能化程度等仍是制约行业进一步腾飞的重要因素。


    应用需求:平台只有在实际应用中才能创造价值,无人机产业的发展脉络是在不同行业需求的推动下不断向经济社会的各方面渗透、替代、创新。


    天时地利人和,中国引领全球无人机浪潮


    重新定义中国制造


    根据世界银行的数据,2011年中国的工业增加值达到3.46万亿美元,首次超越美国,成为全球制造业第一大国。之后的几年,中国牢牢占据着世界第一制造大国的位置,在500种主要工业品中,中国的生铁、煤炭、粗钢等220多种产品产量居全球第一。然而风光背后,我国制造业存在大而不强、核心技术缺失、产品同质化等众多问题,以及长期以来的生产基本靠人力、低成本的特点使得中国成为“世界工厂”。尤其在2008年以后,随着原材料价格的上涨和劳动力成本的攀升,中国制造业更是出现了出口萎缩、产业空心化等新危机,加上互联网技术应用的崛起,转型升级成了企业必须面临的问题。

    从“制造大国”到“制造强国”、从“中国制造”到“中国智造”,需要培育和弘扬工匠精神。但是,这种工匠精神不是回到工匠状态,而是在新科学技术和制造产业链支撑下的钻研精神。此前中国在世界制造业舞台上一直缺乏有说服力的产品,产品附加值较低。在这一关键时期,中国无人机的横空出世吹响了转型的号角,成为中国制造在国际市场的一张名片。

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    中国是无人机制造业的世界领导者,并正在崛起成为世界级的创新者。中国无人机开发商正在为日益繁多的市场需求———从警方监视到农业测绘和交通管理———提出相应的空中解决方案。据不完全统计,我国有400多家公司或单位从事无人机研发、生产和销售。国内民用无人机,尤其是消费级无人机已走在世界前列。深圳口岸出口的民用无人机占全国总量的95%以上,2015年深圳市出口无人机30.9亿元,比2014年增长7.2倍,其中单月出口值持续走高,从1月的1.3亿元至12月份的4.5亿元。这些无人机出口主要以香港地区、美国和欧盟为主,而出口香港地区的机器大部分又会被转运到北美和欧洲。

    深圳大疆创新科技有限公司,被《华尔街日报》誉为“首个在全球主要的消费产品领域成为先锋者的中国企业”。由深圳口岸出口的民用消费级无人机,95%以上来自消费级无人机龙头企业大疆创新,其目前占据全球民用无人机市场70%以上的份额,而FAA的数据表明,自从2015年底美国无人机注册制度实施以来,大疆创新始终是全美注册数量最多的品牌。


    处于起飞风口的中国无人机产业


    中国在无人机上取得的成绩让人欣喜,但正如刚刚起步的无人机行业,我们更关心国人的优势能否做大做强。一组数据足以揭示国内无人机市场的爆发趋势:


    大疆在2014年有约90%的产品销往海外,而2015年则有20%的产品在国内消费,享誉海外的国货在国内市场获得进一步的认可。


    据官方数据,截止到2015年11月1日,我国有近1250人拿到了无人机驾照,两个月后,2015年底中国无人机驾驶员已经激增至2142人。


    国内首家无人机主题论坛飞兽社区,在过去一年里积累了超过20万的用户。


    从政策、技术、应用需求三大驱动力来看,中国无人机产业已经坐拥天时、地利、人和,处于起飞风口。


    天时:人口红利消退背景下,3D工种从业意愿下降
 

    随着人口结构的改变,中国适龄劳动人口占比自2010年开始加速下降,2014年起劳动人口绝对量也开始减少。人口红利逐步消失的同时,我国人力成本近年来一直保持不断增长趋势,2014年私营单位就业人员平均工资同比增长11.26%。随着劳动供需矛盾继续加剧,招工难、用工难的结构性问题将更为凸显。


    劳动安全要求逐步提高,枯燥、危险行业从业意愿下降。近年来,我国劳动安全事故频发,其中高危行业形势更为严峻。在此背景下,国家安全生产监管体制不断完善、劳动保护力度也逐步提高。而随着物质生活水平的提高,中国人对于从事枯燥、环境恶劣、危险的工作的从业意愿也在日趋下降。

    如上文所述,工业级无人机有着人力替代的特性,且主要针对枯燥乏味、环境恶劣、危险的3D任务,这和当前国内经济社会的潜在应用需求相匹配。随着农业、警用等行业的无人机愈发成熟,对应市场将充分激活,进而带来国内无人机行业应用的整体爆发。

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    地利:技术研究积淀深厚,产业链配套完善


    我国无人机产业起步于上世纪60年代,受历史、技术水平、需求和认识等方面因素的影响,中国无人机研发工作在很长时期内没有得到国外任何参数技术的支持,几乎完全依靠自己的试验积累。但也正是得益于这样的务实研究,我国无人机产业积累了坚实的技术基础和经验,为后续发展奠定基础。


    上世纪90年代,伴随经济的快速发展和科技水平特别是电子信息技术的全面提高,国内无论在无人机技术上还是在资金积累方面都有了较大改善,尤其是我国航空工业的骨干企业介入后,大大增强了研发力量,加速推进了无人机产业的全面发展和水平提高,使中国无人机产业取得了真正实质性的进步。


    当航空技术、自动控制技术、微电子技术积累到一定程度,爆发式的质变自然会发生。

    就大型航空飞行器制造而言,中国的主要短板在于结构、材料及发动机问题。结构主要是缺乏实践经验的验证;材料主要是高端复合材料的研制和大规模生产能力不足,特殊金属材料生产能力以及大尺寸复杂构型的钛合金加工能力不足;发动机问题则一直是最大的难点。而在民用无人机领域,动力系统的重要性有所降低,中国在发动机和材料工艺上的不足不会形成较大影响,而在航空电子学和完整的机械设计方面则具备世界领先的优势。


    具体到产业链,无人机产业涉及材料、仪器、仪表、加工、电子飞行控制等领域,大批量生产需要不同环节相互配合。在珠三角,无人机产业链配套已经逐渐成熟。作为中国的制造业中心,深圳具有独特和完整的无人机产业链配套条件,比如陀螺仪、芯片、电池以及科研人员、产业工人和港口等。而数十公里之外的广州则是传感器生产制造的重镇。这种集群优势不再只是人工成本的问题,更在于可以提高供应链沟通及配合效率,加快开发周期。产业规模壮大的同时,产业链也蓬勃发展,一些无人机配件开始作为单品推向市场。此外,随着智能手机的大规模生产,与多旋翼无人机通用的关键部件价格降低。

    人和:政策支持明确,监管体系加速建设


    对于无人机的监管,目前全球都还属于探索阶段。在消费级产品爆发以后,无人机的持有量呈几何级数增长,这给空域的安全和管理带来了极大的挑战。首先,作为大众化的飞行器,无人机在短期内还难以做到与商业航班一样的安全性;其次,无人机低、慢、小的特性对空中管制部门的监管和指挥能力提出了较大考验。


    中国早在2009年就针对民用无人机出台过相关规定,此后包括国务院、民航局、工信部在内的多个部门针对无人机发布过相关规章制度。

    在2015发布的中国制造2025技术路线图中,对于无人机产业做出了明确规划:开发不同级别的固定翼和旋翼类无人机,突破微型任务载荷、自主导航、自适应控制、感知与规避、高可靠通信、适航及空域管理等关键技术,逐步提高无人机的可靠性和安全水平,满足边境巡逻、治安反恐、农林作业、地图测绘、管线监测与维修、应急救援、摄影娱乐等各类应用需求。

    现行的无人机政策依据主要有《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》和《轻小无人机运行规定(试行)》。具体来说,大多数情况下操作无人机需要持AOPA颁发的飞行执照,除了以下三种情况:1)室内飞行;2)在视距内飞行的微型以下无人机,但是需要申报飞行计划(视距内是指视野距离500m,相对高度120m以下,微型是指7Kg以下);3)在空旷无人区做实验的无人机飞行。


    针对飞行计划申报进度缓慢的问题,有关当局也效仿美国FAA的做法,由中国AOPA发起建设了U-Cloud(优云)系统,并于2015年9月开始试用。在优云平台,可以方便快捷的申报飞行计划、查看禁飞区、实时空域情况等。2016年3月,“优云”(U-Cloud)无人机云系统正式获得民航局相关部门的运行批文,开始正式实施运行。

    基于此,我们认为中国有能力打造领先的民用无人机政策体系,从而进一步加速国内产业爆发。

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    此外,国内越来越多的资本正在涌入无人机领域,为行业扩张注入强劲动力。据泰伯智库统计,2015年全球范围内民用无人机风险投资融资总额超过40亿元,增速为170%。其中,中国在民用无人机领域融资总额约20亿元,同比增长400%。就国内二级市场而言,过去的一年里,有包括雷柏科技、雪莱特、威海广泰、中电鑫龙、炼石有色在内的十多家上市公司在民用无人机市场进行重点布局。


    市场空间重估,2020年产值有望超千亿


    天时地利人和齐备,有理由相信中国制造将在民用无人机产业大展宏图。那么,无人机市场究竟价值几何?


    在讨论这个问题之前,需要首先明确几点:

   1)对于国内厂商,当前的消费级市场是全球开放的,在着力开拓国内娱乐向产品市场的同时,海外消费级需求依然是中国制造商们的关注重点。

  2)工业级无人机在性能、体积、任务载荷的多样性都比消费级产品有了显著提升,由此带来的安全问题更是成倍增长,考虑到多年前已有类似贸易摩擦发生,国内短期难以通过正规渠道大规模采购海外工业级无人机。同样的,国际市场对于中国这一级别产品的接受度也不会快速提高。

  3)从市场容量和推广难度来看,工业级无人机在国内的发展潜力无疑更大。


    因此,在未来3-5年时间里,摆在国内无人机厂商面前的是全球消费级市场及国内工业级市场,而且对于国内市场,工业级应用潜力更大。


    目前行业尚无较为权威的统计数据,综合多种渠道来看,全球民用无人机市场从2012年的约4.5亿元增长为2015年的约90亿元,年复合增速171%。中国市场在四年内实现了从无到有, 2015年总产值约13.5亿元。

    预测一项新技术的市场表现总是困难的,尤其对于无人机这种技术驱动且拓展性强的产品,未来市场的高景气无法决定发展过程和节奏。正因为此,海内外不同组织、机构对无人机市场的估算千差万别。我们选择将市场拆分,逐个测算。尽管工业级和消费级作为民用无人机两大类别已经被大家所认可,但二者实际上并没有绝对界限,一些高端消费级产品也运用在行业应用中。市场终究是由用户需求决定,不同类型的用户将市场天然分隔开,而在技术条件满足的情况下,用户会去选择对应价格区间的产品。因此,我们将民用无人机市场大致划分为大众消费、专业发烧、行业应用三类,基于此来进行无人机市场空间的重估。


    大众消费类:260亿


    随着避障技术升级和研发方面的明确,大众消费类无人机正在成为典型的消费电子,更加安全、贴近消费者。其内部又将逐步向2000元和5000元附近靠拢,形成分别对应自拍社交和娱乐航拍需求的两类机型。


    1)自拍社交


    目前这一类型的无人机还比较少,主要以降价后的前代低端产品为主。然而在2016年,由于三大芯片厂商的正式参战,集成度更高、功能更完善的机型很快将出现在这一档。随身携带、自拍分享、多样化的交互是这部分无人机的主要特征,在社交网络的帮助下,他们有望以飞行自拍杆的形式迅速出现在日常生活中。

    自拍市场,一直是在质疑声中成长。2012年,卡西欧推出TR150,极致的自拍属性、创意的外形、加上5000元的售价让这款产品一时间备受质疑,然而其后的市场表现颇为出乎意料,以至于停产之后在二手市场上被炒到5000-6000元。近两年国内厂商推出的主打自拍的美颜类手机,销量也在百万级别。

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    与先前的自拍神器相比,2000元档无人机提供了独一无二的视角和全新的玩法。在自拍市场已经充分激活的前提下,综合全球卡片相机销量和自拍类APP活跃用户量来看,保守预计2020年自拍社交类无人机销量将达到800万架,市场空间约160亿元。


    2)娱乐航拍


    该类无人机的主要目标用户是热爱户外运动或旅行,且对拍照质量有一定要求的消费者。这一群体乐于尝试新鲜事物,同时具备一定的消费能力。运动相机厂商GOPRO的崛起证明了市场空间的广阔,而无人机在未来几年里有望一定程度上实现升级替代。此外,无人机飞行竞赛的兴起也将拓宽这类无人机的需求。


    全球单反相机销量在2012年达到顶峰的2000万台,近几年有所下滑,但仍维持的1300万台的年销量。据此参考,保守预计2020年娱乐航拍类无人机销量将达到200万架,市场空间约100亿元。

    专业发烧类:40亿


    这一市场主要的用户包括无人机/航模发烧友、摄影爱好者及影视制作团队,是最早一批大范围使用无人机的群体。这些人对于机器的价格和性能均有一定要求,在产品选择上较为理性。


    对于无人机商业航拍,一般认为市场已经饱和。然而,无人机对影视行业的颠覆正在使航拍成为更为常用的拍摄手法。此前,航拍的定位就是在天上飞得高看的远,对于近景主要采用摇臂。而无人机既能拍近景,又可拍远景,机动性强,安全系数高。随着无人机设备成本的下降,现在越来越多的导演在机位设计上加入航拍的戏份,市场正在不断扩张。


    从专业级单反相机镜头(35毫米)的销量数据来看,2012年达到顶峰的662万只,其后有所下滑,但幅度小于单反相机。一般专业摄影用户会配有3个左右镜头,据此参考估算,保守预计2020年专业发烧类无人机销量将达到20万架。按照每台设备2万元的均价计算,市场空间约40亿元。

    值得一提的是,由于缺乏可靠数据,这里的行业空间没有包含无人机/航模爱好者的部分。由于该类无人机产品价格介于大众消费和行业应用之间,用户相对混杂,未来有望成为消费类新技术的试验田,受到少数高端玩家的青睐。


    行业应用类:215亿+600亿


    农业:100亿+600亿


    植保无人机兼具人力替代和经济性,正在成为市场刚性需求。在中国,农业整体机械化水平在60%左右,但植保环节仅为7%,其中航空植保(载人飞机和无人机)不到2%。与常规植保机械作业相比,无人机的作业效率是高架喷雾器作业效率的8 倍,采用低量喷雾,可节省90%的水和50%的农药。同时,农药有效利用率达35%以上,而完成同样作业面积的耗油量比拖拉机等农业机械少得多。此外,无人机空中作业不受地形环境影响,还可使农民和农药的接触降到最低。

    日本无人机喷洒农药已经将近30年,有60%的水稻田采用无人机飞防来完成防治的,近40%的农田植保防治是用无人机来完成的。日本植保无人机市场已进入平稳增长阶段,2015年市场保有量在约2800架左右,其中雅马哈是绝对龙头,市场占有率超过80%。

    根据国土资源局的数据,2013年中国耕地面积为20.27亿亩,其中大田作物约15亿亩。相比之下,日本水稻种植面积有170万公顷(约2500万亩),中国是其60倍。那么,以日本目前的无人机植保渗透率计算,考虑到南北方土地情况差异较大的因素,预计5年内国内至少需要12万架雅马哈RMAX级别机型。从目前国内同等质量机型来看,规模量产后每架售价约30万元。按未来5年平稳增长估算,保守预计2020年市场空间约100亿元。

    硬件之外,植保服务市场是更大的市场。根据经验,大田作物一年平均需要施药三次。按照目前市场平均每亩土地收取15元植保服务费计算,保守预计2020年无人机植保服务市场空间约600亿元。


    除了植保,无人机在农业方面的应用还包括授粉、施肥、播种、土地确权等。


    基于和军用领域较为紧密的联系,公共安全对于无人机的需求是普遍且多样的。在性能要求和本身安全性达标之后,当前民用无人机在公共安全方面有着广泛的应用市场。


    (1)常规公共安全领域,小型无人机可以应用于反恐处突、群体性突发事件、活动安全保障等方面。比如发生恐怖袭击事件,无人机可以代替警力及时赶往现场,利用可见光视频及热成像设备等,把实时情况回传给地面设备,为指挥人员决策提供依据。或者是发生群体性事件、大型活动、搜索特定人员等方面,无人机可以快速响应、机动灵活,既可以传输实时画面,又可以投送物品、传递信息等。


    (2)在边防领域的应用无人机的机动性高、续航时长等,利用地面站软件对飞行路线进行设置,可以对边境线进行长时间巡逻,或者专门对某些关键区域进行缉私巡逻。比如:我国云南等一些山区,存在罂粟农作物种植的情况,通过固定翼无人机,配备光谱分析装置,对该区域进行定期扫描式检测飞行,可以达到高效监管的作用。


    (3)在消防领域,小型无人机可以配备红外热成像视频采集装置,对区域内热源进行视频采集,及时准确地分析热源,从而提前发现安全隐患,降低风险和损耗。比如,高层建筑突发火灾,地面人员没办法看到高层建筑物中的真实情况,可以派出无人机飞到起火的楼层,利用机载视频系统对起火楼层人员状况进行实时观察,并进行定点扑灭,从而引导相关人员进行施救。


    (4)在海事领域,当发生海难时,仅仅利用海面船只进行搜寻的效率太低,因而利用无人机搭载视频采集传输装置,对海难出事地点附近进行搜寻,并以此为中心点,按照气象、水文条件等,对飞行路线进行导航设置,可以及时搜寻生还者,引导附近救援船只营救。此外,一些重点航道、关键水域,海事部门也可以通过无人机对非法排污船只进行监测,以此取证。


    由于公共安全市场涉及部门较多,应用情况复杂,不易直接测算,所以我们采用间接预测方法。

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