一、無(wú)人機(jī)是什么
無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱(Unmanned AerialVehicle),是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)尤误,包括無(wú)人直升機(jī)侠畔、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器损晤、無(wú)人飛艇软棺、無(wú)人傘翼機(jī)。廣義地看也包括臨近空間飛行器(20-100公里空域)尤勋,如平流層飛艇喘落、高空氣球、太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)等斥黑。從某種角度來(lái)看揖盘,無(wú)人機(jī)可以在無(wú)人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù),可以被看做是“空中機(jī)器人”锌奴。
按照不同平臺(tái)構(gòu)型來(lái)分類兽狭,無(wú)人機(jī)可主要有固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)三大平臺(tái)鹿蜀,其它小種類無(wú)人機(jī)平臺(tái)還包括傘翼無(wú)人機(jī)箕慧、撲翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛船等。固定翼無(wú)人機(jī)是軍用和多數(shù)民用無(wú)人機(jī)的主流平臺(tái)茴恰,最大特點(diǎn)是飛行速度較快颠焦;無(wú)人直升機(jī)是靈活性最強(qiáng)的無(wú)人機(jī)平臺(tái),可以原地垂直起飛和懸停往枣;多旋翼(多軸)無(wú)人機(jī)是消費(fèi)級(jí)和部分民用用途的首選平臺(tái)伐庭,靈活性介于固定翼和直升機(jī)中間(起降需要推力),但操縱簡(jiǎn)單分冈、成本較低圾另。
按不同使用領(lǐng)域來(lái)劃分,無(wú)人機(jī)可分為軍用雕沉、民用和消費(fèi)級(jí)三大類集乔,對(duì)于無(wú)人機(jī)的性能要求各有偏重:1)軍用無(wú)人機(jī)對(duì)于靈敏度、飛行高度速度坡椒、智能化等有著更高的要求扰路,是技術(shù)水平最高的無(wú)人機(jī),包括偵察倔叼、誘餌汗唱、電子對(duì)抗、通信中繼丈攒、靶機(jī)和無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)等機(jī)型渡嚣;
2)民用無(wú)人機(jī)一般對(duì)于速度、升限和航程等要求都較低,但對(duì)于人員操作培訓(xùn)识椰、綜
合成本有較高的要求绝葡,因此需要形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈提供盡可能低廉的零部件和支持服務(wù),目前來(lái)看民用無(wú)人機(jī)最大的市場(chǎng)在于政府公共服務(wù)的提供腹鹉,如警用藏畅、消防、氣象等功咒,占到總需求的約70%愉阎,而我們認(rèn)為未來(lái)無(wú)人機(jī)潛力最大的市場(chǎng)可能就在民用,新增市場(chǎng)需求可能出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)植保力奋、貨物速度榜旦、空中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域景殷;
3)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)一般采用成本較低的多旋翼平臺(tái)溅呢,用于航拍、游戲等休閑用途猿挚。
(圖 :世界民用無(wú)人機(jī)使用領(lǐng)域構(gòu)成)
二咐旧、無(wú)人機(jī)技術(shù)難點(diǎn)
1、飛控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的“駕駛員”-更精確绩蜻、更清晰
飛控子系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)完成起飛铣墨、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場(chǎng)回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)办绝,飛控對(duì)于無(wú)人機(jī)相當(dāng)于駕駛員對(duì)于有人機(jī)的作用伊约,我們認(rèn)為是無(wú)人機(jī)最核心的技術(shù)之一。飛控一般包括傳感器孕蝉、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分碱妆,實(shí)現(xiàn)的功能主要有無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類昔驱。
其中,機(jī)身大量裝配的各種傳感器(包括角速率上忍、姿態(tài)骤肛、位置、加速度窍蓝、高度和空速等)是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)腋颠,是保證飛機(jī)控制精度的關(guān)鍵,在不同飛行環(huán)境下吓笙、不同用途的無(wú)人機(jī)對(duì)傳感器的配置要求也不同淑玫。未來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知、戰(zhàn)場(chǎng)上識(shí)別敵我、防區(qū)外交戰(zhàn)能力等方面的需求絮蒿,要求無(wú)人機(jī)傳感器具有更高的探測(cè)精度尊搬、更高的分辨率,因此國(guó)外無(wú)人機(jī)傳感器中大量應(yīng)用了超光譜成像土涝、合成孔徑雷達(dá)佛寿、超高頻穿透等新技術(shù)。
2但壮、導(dǎo)航系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的“眼睛”冀泻,多技術(shù)結(jié)合是未來(lái)方向
導(dǎo)航系統(tǒng)向無(wú)人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度蜡饵、飛行姿態(tài)弹渔,引導(dǎo)無(wú)人機(jī)按照指定航線飛行,相當(dāng)于有人機(jī)系統(tǒng)中的領(lǐng)航員溯祸。無(wú)人機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)主要分非自主(GPS等)和自主(慣性制導(dǎo))兩種肢专,但分別有易受干擾和誤差積累增大的缺點(diǎn),而未來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展要求障礙回避您没、物資或武器投放鸟召、自動(dòng)進(jìn)場(chǎng)著陸等功能,需要高精度氨鹏、高可靠性欧募、高抗干擾性能,因此多種導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合的“慣性+ 多傳感器 +GPS+ 光電導(dǎo)航系統(tǒng)”將是未來(lái)發(fā)展的方向仆抵。
3跟继、動(dòng)力系統(tǒng)-渦輪有望逐步取代活塞,新能源發(fā)動(dòng)機(jī)提升續(xù)航能力
不同用途的無(wú)人機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的要求不同镣丑,但都希望發(fā)動(dòng)機(jī)體積小舔糖、成本低、工作可靠:1)無(wú)人機(jī)目前廣泛采用的動(dòng)力裝置為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)莺匠,但活塞式只適用于低速低空小型無(wú)人機(jī)金吗;2)對(duì)于一次性使用的靶機(jī)、自殺式無(wú)人機(jī)或?qū)椚たⅲ笸浦乇雀叩珘勖梢远蹋?-2h)摇庙,一般使用渦噴式發(fā)動(dòng)機(jī);3)低空無(wú)人直升機(jī)一般使用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)遥缕,高空長(zhǎng)航時(shí)的大型無(wú)人機(jī)一般使用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(美國(guó)全球鷹重達(dá)12t)卫袒;4)消費(fèi)級(jí)微型無(wú)人機(jī)(多旋翼)一般使用電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī),起飛質(zhì)量不到 100 克单匣、續(xù)航時(shí)間小于一小時(shí)夕凝。
往前看宝穗,我們認(rèn)為隨著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、壽命不斷提高码秉、油耗降低逮矛,渦輪將取代活塞成為無(wú)人機(jī)的主力動(dòng)力機(jī)型,太陽(yáng)能泡徙、氫能等新能源電動(dòng)機(jī)也有望為小型無(wú)人機(jī)提供更持久的生存力橱鹏。
4、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)恰胺棚L(fēng)箏的線” –從獨(dú)立專用系統(tǒng)向全球信息格柵(GIG)過渡
數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的重要技術(shù)組成堪藐,負(fù)責(zé)完成對(duì)無(wú)人機(jī)遙控莉兰、遙測(cè)、跟蹤定位和傳感器傳輸礁竞,上行數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)遙控糖荒、下行數(shù)據(jù)鏈執(zhí)行遙測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸功能模捂。普通無(wú)人機(jī)大多采用定制視距數(shù)據(jù)鏈捶朵,而中高空、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)則都會(huì)采用視距和超視距衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈狂男。
現(xiàn)代數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)者無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈向著高速综看、寬帶、保密岖食、抗干擾的方向發(fā)展红碑,無(wú)人機(jī)實(shí)用化能力將越來(lái)越強(qiáng)。往前看泡垃,隨著機(jī)載傳感器析珊、定位的精細(xì)程度和執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度不斷上升,對(duì)數(shù)據(jù)鏈的貸款提出了很強(qiáng)的要求蔑穴,未來(lái)隨著機(jī)載高速處理器的突飛猛進(jìn)忠寻,預(yù)計(jì)幾年后現(xiàn)有射頻數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率將翻倍,未來(lái)在全天候要求低的領(lǐng)域可能還將出現(xiàn)激光通訊方式存和。
從美國(guó)制定的無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略上看奕剃,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)從最初 IP化的傳輸、多機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)捐腿,正在向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換傳輸纵朋,以及最終的完全全球信息格柵(GIG)配置過渡,為授權(quán)用戶提供無(wú)縫全球信息資源交互能力叙量,既支持固定用戶、又支持移動(dòng)用戶九串。
三绞佩、無(wú)人機(jī)發(fā)展緣起
1寺鸥、軍用技術(shù)溢出,成本下降引爆民用市場(chǎng)
戰(zhàn)爭(zhēng)是無(wú)人機(jī)發(fā)展的頭號(hào)牽引力品山,20世紀(jì)末經(jīng)歷三大技術(shù)發(fā)展浪潮胆建。毫無(wú)疑問,無(wú)人機(jī)發(fā)展的初期是為了純粹的軍事用途:一戰(zhàn)時(shí)期英國(guó)研制的世界第一款無(wú)人機(jī)被定義為“會(huì)飛的炸彈”肘交,二戰(zhàn)時(shí)期德軍已經(jīng)開始大量應(yīng)用無(wú)人駕駛轟炸機(jī)參戰(zhàn)笆载;二戰(zhàn)后無(wú)人機(jī)研發(fā)的中心出現(xiàn)在美國(guó)和以色列,用途延伸至戰(zhàn)地偵察和情報(bào)搜集涯呻,無(wú)人機(jī)被派往朝鮮凉驻、越南和海灣戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)助美軍和以色列軍隊(duì)作戰(zhàn)。正是由于無(wú)人機(jī)在偵查方面低成本复罐、控制靈活涝登、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的天然優(yōu)勢(shì),各國(guó)軍隊(duì)相繼投入大量經(jīng)費(fèi)研發(fā)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)效诅。
無(wú)人機(jī)技術(shù)在 20 世紀(jì)末經(jīng)歷了三次發(fā)展浪潮胀滚、真正進(jìn)入了第一個(gè)“黃金時(shí)代”:1)1990年后,全球共有 30多個(gè)國(guó)家裝備了師級(jí)(大型)戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)乱投,代表機(jī)型有美國(guó)“獵人”咽笼、“先驅(qū)者”,以色列“偵察兵”戚炫、“先鋒”等剑刑;2)1993年后,中高空長(zhǎng)航時(shí)軍用無(wú)人機(jī)得到迅速發(fā)展嘹悼,以美國(guó)“蒂爾”無(wú)人機(jī)發(fā)展計(jì)劃為代表叛甫,在波黑戰(zhàn)爭(zhēng)中大放異彩;3)20世紀(jì)末杨伙,旅團(tuán)級(jí)(中小型)固定翼和旋翼戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)其监,其體積小、價(jià)格更低限匣、機(jī)動(dòng)性好抖苦,標(biāo)志著無(wú)人機(jī)進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用時(shí)代。
早期的航空技術(shù)解決的是無(wú)人機(jī)能夠飛行的問題米死,而 20 世紀(jì) 80年代以來(lái)現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為無(wú)人機(jī)更高的飛行性能锌历、更好的可靠性提供了條件,其中:1)智能化:自主飛控技術(shù)峦筒、急劇攀升的計(jì)算機(jī)處理能力推動(dòng)無(wú)人機(jī)向智能化發(fā)展究西,真正成為“會(huì)思考”的空中機(jī)器人;2)高速帶寬:高速寬帶網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)和互相連通物喷,無(wú)人機(jī)編組卤材、空地裝備聯(lián)合成為可能遮斥;3)更輕的材料和傳感器:材料科學(xué)和微機(jī)電技術(shù)進(jìn)一步減輕無(wú)人機(jī)平臺(tái)重量、提高精確度扇丛;4)更強(qiáng)的續(xù)航能力:電池續(xù)航能力的大幅上升术吗,以及新能源技術(shù)賦予無(wú)人機(jī)更長(zhǎng)的飛行時(shí)間。
2帆精、技術(shù)向民用外溢较屿,無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入普及時(shí)代
由于軍用無(wú)人機(jī)在”3D”(DULL,DIRTY,DANGEROUS)環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的顯著優(yōu)勢(shì)以及靈活機(jī)動(dòng)的特性,民用各行各業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也翹首以盼卓练。但相比軍用無(wú)人機(jī)近百年的發(fā)展歷史隘蝎,民用無(wú)人機(jī)在上世紀(jì)80 年代軍用無(wú)人機(jī)的現(xiàn)代系統(tǒng)得到大發(fā)展的基礎(chǔ)上才開始嘗試應(yīng)用,各領(lǐng)域全面開花應(yīng)用只有 10 余年時(shí)間昆庇。
日本的民用無(wú)人機(jī)開發(fā)較早:早在 1983年雅馬哈公司采用摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)末贾,開發(fā)了一種用于噴灑農(nóng)藥的無(wú)人直升機(jī),1989 年其成為實(shí)際首架成功用于試飛的無(wú)人直升機(jī)整吆,2002 年CERP 公司及發(fā)明一款 JAXA 多用途民用無(wú)人機(jī)拱撵;2003 年開始,耗時(shí) 3 年表蝙,岐阜工業(yè)協(xié)會(huì)先后開發(fā)了 4代無(wú)人機(jī)產(chǎn)品拴测,主要應(yīng)用于森林防火、地震災(zāi)害評(píng)估等領(lǐng)域府蛇;
美國(guó) NASA牽頭成立世界級(jí)無(wú)人機(jī)應(yīng)用中心:2003 年美國(guó) NASA成立世界級(jí)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用中心集索,專門研究裝有高分辨率相機(jī)傳感器無(wú)人機(jī)的商業(yè)應(yīng)用。近年美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局用無(wú)人機(jī)追蹤熱帶風(fēng)暴有關(guān)數(shù)據(jù)汇跨,借此完善颶風(fēng)預(yù)警模型。2007年森林大火肆虐時(shí)函匕,美國(guó)宇航局使用“伊哈納”(Ikhana)的無(wú)人機(jī)來(lái)評(píng)估大火的嚴(yán)重程度蚪黑,以及災(zāi)害的損失估算工作盅惜。2011年墨西哥灣鉆井平臺(tái)爆炸后艾倫實(shí)驗(yàn)室公司的無(wú)人機(jī)協(xié)助溢油監(jiān)測(cè)和溢油處理等。
以色列也專門組建了一個(gè)民用無(wú)人機(jī)及其工作模式的試驗(yàn)委員會(huì)忌穿,2008年給予“蒼鷺“無(wú)人機(jī)非軍事任務(wù)執(zhí)行證書抒寂,并與有關(guān)部門合作展開多種民用任務(wù)的試驗(yàn)飛行。
歐洲在 2006年制定并即刻實(shí)施的“民用無(wú)人機(jī)發(fā)展路線圖”掠剑,之后歐盟擬籌夠一個(gè)泛歐民用無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)組織屈芜,為解決最關(guān)鍵的空中安全和適航問題提供幫助。
中國(guó)起步早朴译,近年發(fā)展較快:中國(guó)上世紀(jì) 80年代井佑,就將自行開發(fā)的無(wú)人機(jī)(脫胎于軍用機(jī)型)在地圖測(cè)繪和地質(zhì)勘探中做了嘗試糕珊。近些年毅糟,專為民用研制額”黔中“1 號(hào)無(wú)人機(jī)與 2010年順利首飛姆另,2011 你那國(guó)產(chǎn)”蜜蜂“28無(wú)人機(jī),可全自主起飛坟乾、著陸、懸停和航路規(guī)劃甚侣,能應(yīng)用農(nóng)業(yè)噴灑明吩、電力巡檢、防災(zāi)應(yīng)急殷费、航拍測(cè)繪印荔、中繼通信等仍律。
對(duì)于民用領(lǐng)域,無(wú)人機(jī)僅僅是一個(gè)飛行平臺(tái),其功能歸根到底要通過機(jī)載系統(tǒng)中的任務(wù)載荷設(shè)備來(lái)完成炕横。
和 To B 端各行各業(yè)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域快速發(fā)展相比伯铣,近兩年 To C消費(fèi)端航拍、娛樂等市場(chǎng)忿磅,受益于無(wú)人機(jī)各方面技術(shù)的成熟和成本的大幅下降,可謂是爆發(fā)式發(fā)展。深圳大疆成立于06年炒辉,10年僅幾百萬(wàn)收入豪墅,13年高達(dá)8億元,14 年近30億元黔寇。
3偶器、硬件產(chǎn)業(yè)鏈成熟、成本下降為民用&消費(fèi)無(wú)人機(jī)爆發(fā)創(chuàng)造條件
近十年民用和消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的興起缝裤,和硬件產(chǎn)業(yè)鏈的成熟屏轰、成本曲線不斷下降密不可分:隨著移動(dòng)終端的興起,芯片憋飞、電池亭枷、慣性傳感器、通訊芯片等產(chǎn)業(yè)鏈迅速成熟搀崭,成本下降叨粘,使智能化進(jìn)程得以迅速向更加小型化、低功耗的設(shè)備邁進(jìn)瘤睹。這也給無(wú)人機(jī)整體硬件的迅速創(chuàng)新和成本下降創(chuàng)造了良好條件:
芯片——目前一個(gè)高性能FPGA芯片就可以在無(wú)人機(jī)上實(shí)現(xiàn)雙CPU的功能升敲,以滿足導(dǎo)航傳感器的信息融合,實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛行器的最優(yōu)控制轰传。
慣性傳感器——伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)用加速計(jì)驴党、陀螺儀、地磁傳感器等获茬,MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模興起港庄,6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個(gè)傳感器恕曲,成本和功耗進(jìn)一步降低鹏氧,成本僅在幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克佩谣,價(jià)格不到5美元把还。
Wifi等無(wú)線通信——Wifi等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息,通信傳輸速度和質(zhì)量已經(jīng)可以充分滿足幾百米的傳輸需求。
電池——電池能量密度不斷增加吊履,使得無(wú)人機(jī)在保持較輕的重量下安皱,續(xù)航時(shí)能
有25-30分鐘,達(dá)到可以滿足一些基本應(yīng)用的程度艇炎,此外酌伊,太陽(yáng)能電池技術(shù)使得高海拔無(wú)人機(jī)可持續(xù)飛行一周甚至更長(zhǎng)時(shí)間。
相機(jī)等——近年來(lái)移動(dòng)終端同樣促進(jìn)了鋰電池缀踪、高像素?cái)z像頭性能的急劇提升和成本下降腺晾。
4、飛控系統(tǒng)開源辜贵,無(wú)人機(jī)飛入尋常百姓家
如果說(shuō)硬件成本下降解決了無(wú)人機(jī)“身體”的問題,近年來(lái)飛控系統(tǒng)開源化的趨勢(shì)解決了無(wú)人機(jī)“大腦”的問題归形,從此無(wú)人機(jī)不再是軍用和科研機(jī)構(gòu)的專利托慨,全世界的商業(yè)企業(yè)和發(fā)燒友都加入了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大潮中,是引爆民用和消費(fèi)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的“爆點(diǎn)”暇榴。
德國(guó) MK 公司是多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開源的鼻祖厚棵,其后 2011 年美國(guó) APM公司開放無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)徹底點(diǎn)燃了市場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的熱情,2012 年以后民用和消費(fèi)無(wú)人機(jī)進(jìn)入了加速上行的通道蔼紧。
至今婆硬,國(guó)際無(wú)人機(jī)行業(yè)已經(jīng)形成了 APM(用戶最多)、德國(guó)MK(最早的開源系統(tǒng))奸例、Paparazzi(穩(wěn)定性高彬犯、擴(kuò)展性強(qiáng))、PX4 和 MWC(兼容性強(qiáng))等五大無(wú)人機(jī)開源平臺(tái)查吊。
以 PPZ(Paparazzi)為例谐区,始于 2003 年的 PPZ是一個(gè)軟硬件全開源的系統(tǒng),至今已經(jīng)形成了不僅覆蓋傳感器逻卖、GPS宋列、自動(dòng)駕駛軟件,同時(shí)覆蓋地面設(shè)備的全套成熟解決方案评也,既可以驅(qū)動(dòng)固定翼飛機(jī)炼杖、也可以驅(qū)動(dòng)旋翼機(jī),并且可以通過地面控制軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)飛行的衛(wèi)星地圖盗迟±ば埃可以說(shuō),強(qiáng)大的開源飛控系統(tǒng)已經(jīng)使得無(wú)人機(jī)全面進(jìn)入“用戶友好”時(shí)代罚缕。
私信我能獲得購(gòu)買無(wú)人機(jī)最低折扣罩扇。