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2015-06-29   来源:中国先进制造技术论坛|0    点击:258

一、无人机是什么

 

无人机是无人驾驶飞机的简称(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器(20-100 公里空域),如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看,无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务,可以被看做是“空中机器人”。

 

按照不同平台构型来分类,无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台,其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台,最大特点是飞行速度较快;无人直升机是灵活性最强的无人机平台,可以原地垂直起飞和悬停;多旋翼(多轴)无人机是消费级和部分民用用途的首选平台,灵活性介于固定翼和直升机中间(起降需要推力),但操纵简单、成本较低。

按不同使用领域来划分,无人机可分为军用、民用和消费级三大类,对于无人机的性能要求各有偏重:

 

1)军用无人机对于灵敏度、飞行高度速度、智能化等有着更高的要求,是技术水平最高的无人机,包括侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等机型;


2)民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低,但对于人员操作培训、综合成本有较高的要求,因此需要形成成熟的产业链提供尽可能低廉的零部件和支持服务,目前来看民用无人机最大的市场在于政府公共服务的提供,如警用、消防、气象等,占到总需求的约 70%,而我们认为未来无人机潜力最大的市场可能就在民用,新增市场需求可能出现在农业植保、货物速度、空中无线网络、数据获取等领域;


3)消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台,用于航拍、游戏等休闲用途。


(图 :世界民用无人机使用领域构成)

 

 

二、无人机技术难点

 

1、飞控系统是无人机的“驾驶员” - 更精确、更清晰

 

飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统,飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用,我们认为是无人机最核心的技术之一。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。


其中,机身大量装配的各种传感器(包括角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等)是飞控系统的基础,是保证飞机控制精度的关键,在不同飞行环境下、不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。未来对无人机态势感知、战场上识别敌我、防区外交战能力等方面的需求,要求无人机传感器具有更高的探测精度、更高的分辨率,因此国外无人机传感器中大量应用了超光谱成像、合成孔径雷达、超高频穿透等新技术。

 

2、导航系统是无人机的“眼睛”,多技术结合是未来方向

 

导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态,引导无人机按照指定航线飞行,相当于有人机系统中的领航员。无人机载导航系统主要分非自主(GPS 等)和自主(惯性制导)两种,但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点,而未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能,需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能,因此多种导航技术结合的“惯性 + 多传感器 +GPS+ 光电导航系统”将是未来发展的方向。

 

3、动力系统 - 涡轮有望逐步取代活塞,新能源发动机提升续航能力

 

不同用途的无人机对动力装置的要求不同,但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠:

 

1)无人机目前广泛采用的动力装置为活塞式发动机,但活塞式只适用于低速低空小型无人机;

 

2)对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹,要求推重比高但寿命可以短(1-2h),一般使用涡喷式发动机;

 

3)低空无人直升机一般使用涡轴发动机,高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机(美国全球鹰重达 12t);

 

4)消费级微型无人机(多旋翼)一般使用电池驱动的电动机,起飞质量不到 100 克、续航时间小于一小时。

 

往前看,我们认为随着涡轮发动机推重比、寿命不断提高、油耗降低,涡轮将取代活塞成为无人机的主力动力机型,太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力。

 

4、数据链是“放风筝的线” – 从独立专用系统向全球信息格栅(GIG)过渡

 

数据链传输系统是无人机的重要技术组成,负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输,上行数据链实现对无人机遥控、下行数据链执行遥测、数据传输功能。普通无人机大多采用定制视距数据链,而中高空、长航时无人机则都会采用视距和超视距卫通数据链。

 

现代数据链技术的发展推动者无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展,无人机实用化能力将越来越强。往前看,随着机载传感器、定位的精细程度和执行任务的复杂程度不断上升,对数据链的贷款提出了很强的要求,未来随着机载高速处理器的突飞猛进,预计几年后现有射频数据链的传输速率将翻倍,未来在全天候要求低的领域可能还将出现激光通讯方式。

 

从美国制定的无人机通信网络发展战略上看,数据链系统从最初 IP 化的传输、多机互连网络,正在向卫星网络转换传输,以及最终的完全全球信息格栅(GIG)配置过渡,为授权用户提供无缝全球信息资源交互能力,既支持固定用户、又支持移动用户。

 

 

三、无人机发展缘起

 

1、军用技术溢出,成本下降引爆民用市场

 

战争是无人机发展的头号牵引力,20 世纪末经历三大技术发展浪潮
毫无疑问,无人机发展的初期是为了纯粹的军事用途:一战时期英国研制的世界第一款无人机被定义为“会飞的炸弹”,二战时期德军已经开始大量应用无人驾驶轰炸机参战;二战后无人机研发的中心出现在美国和以色列,用途延伸至战地侦察和情报搜集,无人机被派往朝鲜、越南和海湾战场协助美军和以色列军队作战。正是由于无人机在侦查方面低成本、控制灵活、持续时间长的天然优势,各国军队相继投入大量经费研发无人机系统。

 

无人机技术在 20 世纪末经历了三次发展浪潮、真正进入了第一个“黄金时代”:

 

1)1990 年后,全球共有 30 多个国家装备了师级(大型)战术无人机系统,代表机型有美国“猎人”、“先驱者”,以色列“侦察兵”、“先锋”等;

 

2)1993 年后,中高空长航时军用无人机得到迅速发展,以美国“蒂尔”无人机发展计划为代表,在波黑战争中大放异彩;

 

3)20 世纪末,旅团级(中小型)固定翼和旋翼战术无人机系统出现,其体积小、价格更低、机动性好,标志着无人机进入大规模应用时代。

 

早期的航空技术解决的是无人机能够飞行的问题,而 20 世纪 80 年代以来现代技术的发展为无人机更高的飞行性能、更好的可靠性提供了条件,其中:

 

1)智能化:自主飞控技术、急剧攀升的计算机处理能力推动无人机向智能化发展,真正成为“会思考”的空中机器人;

 

2)高速带宽:高速宽带网数据链实现无人机组网和互相连通,无人机编组、空地装备联合成为可能;

 

3)更轻的材料和传感器:材料科学和微机电技术进一步减轻无人机平台重量、提高精确度;

 

4)更强的续航能力:电池续航能力的大幅上升,以及新能源技术赋予无人机更长的飞行时间。

 

2、 技术向民用外溢,无人机产业化进入普及时代

 

由于军用无人机在”3D”(DULL,DIRTY,DANGEROUS) 环境下执行任务的显著优势以及灵活机动的特性,民用各行各业对无人机的应用也翘首以盼。但相比军用无人机近百年的发展历史,民用无人机在上世纪 80 年代军用无人机的现代系统得到大发展的基础上才开始尝试应用,各领域全面开花应用只有 10 余年时间。

 

日本的民用无人机开发较早:早在 1983 年雅马哈公司采用摩托车发动机,开发了一种用于喷洒农药的无人直升机,1989 年其成为实际首架成功用于试飞的无人直升机,2002 年 CERP 公司及发明一款 JAXA 多用途民用无人机;2003 年开始,耗时 3 年,岐阜工业协会先后开发了 4 代无人机产品,主要应用于森林防火、地震灾害评估等领域;


美国 NASA 牵头成立世界级无人机应用中心:2003 年美国 NASA 成立世界级的无人机应用中心,专门研究装有高分辨率相机传感器无人机的商业应用。

 

近年美国国家海洋和大气管理局用无人机追踪热带风暴有关数据,借此完善飓风预警模型。2007 年森林大火肆虐时,美国宇航局使用“伊哈纳”(Ikhana)的无人机来评估大火的严重程度,以及灾害的损失估算工作。2011 年墨西哥湾钻井平台爆炸后艾伦实验室公司的无人机协助溢油监测和溢油处理等。

 

以色列也专门组建了一个民用无人机及其工作模式的试验委员会,2008 年给予“苍鹭“无人机非军事任务执行证书,并与有关部门合作展开多种民用任务的试验飞行。

 

欧洲在 2006 年制定并即刻实施的“民用无人机发展路线图”,之后欧盟拟筹够一个泛欧民用无人机协调组织,为解决最关键的空中安全和适航问题提供帮助。

 

中国起步早,近年发展较快:中国上世纪 80 年代,就将自行开发的无人机(脱胎于军用机型)在地图测绘和地质勘探中做了尝试。近些年,专为民用研制额”黔中“1 号无人机与 2010 年顺利首飞,2011 你那国产”蜜蜂“28 无人机,可全自主起飞、着陆、悬停和航路规划,能应用农业喷洒、电力巡检、防灾应急、航拍测绘、中继通信等。

 

对于民用领域,无人机仅仅是一个飞行平台,其功能归根到底要通过机载系统中的任务载荷设备来完成。

 

和 To B 端各行各业无人机领域快速发展相比,近两年 To C 消费端航拍、娱乐等市场,受益于无人机各方面技术的成熟和成本的大幅下降,可谓是爆发式发展。深圳大疆成立于 06 年,10 年仅几百万收入,13 年高达 8 亿元,14 年近 30 亿元。

 

3、硬件产业链成熟、成本下降为民用&消费无人机爆发创造条件

 

近十年民用和消费级无人机市场的兴起,和硬件产业链的成熟、成本曲线不断下降密不可分:随着移动终端的兴起,芯片、电池、惯性传感器、通讯芯片等产业链迅速成熟,成本下降,使智能化进程得以迅速向更加小型化、低功耗的设备迈进。这也给无人机整体硬件的迅速创新和成本下降创造了良好条件:

 

  • 芯片——目前一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能,以满足导航传感器的信息融合,实现无人飞行器的最优控制。

 

  • 惯性传感器——伴随着苹果在iPhone上大量应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等,MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器,成本和功耗进一步降低,成本仅在几美元。另外GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。

 

  • Wifi等无线通信——Wifi等通信芯片用于控制和传输图像信息,通信传输速度和质量已经可以充分满足几百米的传输需求。

 

  • 电池——电池能量密度不断增加,使得无人机在保持较轻的重量下,续航时间能有25-30分钟,达到可以满足一些基本应用的程度,此外,太阳能电池技术使得高海拔无人机可持续飞行一周甚至更长时间。

 

  • 相机等——近年来移动终端同样促进了锂电池、高像素摄像头性能的急剧提升和成本下降。

 

4、飞控系统开源,无人机飞入寻常百姓家

 

如果说硬件成本下降解决了无人机“身体”的问题,近年来飞控系统开源化的趋势解决了无人机“大脑”的问题,从此无人机不再是军用和科研机构的专利,全世界的商业企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中,是引爆民用和消费无人机市场的“爆点”。

 

德国 MK 公司是多旋翼无人机系统开源的鼻祖,其后 2011 年美国 APM 公司开放无人机设计平台彻底点燃了市场对无人机系统开发的热情,2012 年以后民用和消费无人机进入了加速上行的通道。

 

至今,国际无人机行业已经形成了 APM(用户最多)、德国 MK(最早的开源系统)、Paparazzi(稳定性高、扩展性强)、PX4 和 MWC(兼容性强)等五大无人机开源平台。

 

以 PPZ(Paparazzi)为例,始于 2003 年的 PPZ 是一个软硬件全开源的系统,至今已经形成了不仅覆盖传感器、GPS、自动驾驶软件,同时覆盖地面设备的全套成熟解决方案,既可以驱动固定翼飞机、也可以驱动旋翼机,并且可以通过地面控制软件实时监控飞机飞行的卫星地图。可以说,强大的开源飞控系统已经使得无人机全面进入“用户友好”时代。

 

2014 年 10 月,著

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