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    我校為什么要創造條件開展無人機技術本文給出答案
    2018-10-04 23:39:18  

    我校為什么開設無人機技術培訓?本文給出答案

    2018-10-4 南昌八一學校

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀

          無人機全稱“無人駕駛飛行器”,(Unmanned Aerial Vehicle)英文縮寫為“UAV”,是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。它涉及傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術以及航空動力推進技術等,是信息時代高技術含量的產物。

          無人機價值在于形成空中平臺,結合其他部件擴展應用,替代人類完成空中作業。隨著無人機研發技術逐漸成熟,制造成本大幅降低,無人機在各個領域得到了廣泛應用,除軍事用途外,還包括農業植保、電力巡檢、警用執法、地質勘探、環境監測、森林防火以及影視航拍等民用領域,且其適用領域還在迅速拓展。

          無人機根據不同場景、平臺、應用方式,可以進行不同分類,例如:應用場景、飛行平臺、控制方式、視距、重量尺度、任務高度、活動半徑等。

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀


            中國民航總局對無人機按重量1.5KG、7KG、25KG、150KG、5700KG,劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ六類。植保類無人機歸屬Ⅴ類,無人飛艇歸屬Ⅵ類,超視距無人機歸屬Ⅶ類。實際運行中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ類無人機有交叉時,分屬較高要求一類。串并行無人機編隊,按機隊總重量分類。

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀


            進入21世紀,隨著輕型復合材料的廣泛應用,衛星定位系統的成熟,電子與無線電控制技術的改進,尤其是多旋翼無人機結構的出現,整個無人機行業進入快速發展階段。

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀


         無 人機的飛行平臺主要分為固定翼無人機、多旋翼無人機、直升無人機、其它無人機等,各飛行平臺的優勢、劣勢、特點如下:

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀

       一、多旋翼無人機系統

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀

         多旋翼無人機系統主要由機架機身、動力系統、飛行控制系統、遙控系統、輔助設備系統五部分組成。

    A. 機架機身

    無人機的機架機身指無人機的承載平臺,一般選擇高強度輕質材料制造,例如:玻纖、玻纖維、ABS、PP、尼龍、改性塑料、改性PC、樹脂、鋁合金等。無人機所有的設備都是安裝在機架機身上面,支架數量也決定了該無人機為幾旋翼無人機。優秀的無人機機架設計可以讓其他各個元器件安裝合理,堅固穩定,拆裝方便。

    B. 動力系統

    無人機動力系統,就是為無人機提供飛行動力的部件,一般分為油動和電動兩種。電動多旋翼無人機是最主流的機型,動力系統由電機、電調、電池三部分組成。無人機使用的電池一般都是高能量密度的鋰聚合電池,由于一些客觀原因,傳統每300g鋰電池,可以為無人機500g(含電池)自重,提供17分鐘飛行時間。氫燃料電池、太陽能電池等受制于現有的技術水平和成本,暫時還無法普及。無人機主要在露天作業,對電機、電調系統的穩定性要求較高,需要定期進行檢查、保養、防水、防潮。

    C. 飛控系統

    飛控系統就是無人機的飛行控制系統,不管是無人機自動保持飛行狀態(如懸停)還是對無人機的人為操作,都需要通過飛控系統對無人機動力系統進行實時調節。一些高階的飛控系統除了保證飛機正常飛行導航功能以外,還有安全冗余、飛行數據記錄、飛行參數調整和自動飛行優化等功能。飛控系統是整個無人機的控制核心,主要包括飛行控制、加速計、氣壓計、傳感器、陀螺儀、地磁儀、定位芯片、主控芯片等多部件組成。

    D. 遙控系統

    無人機遙控系統,主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統組成。遙控器是操作平臺,接收器接到遙控器信號進行解碼,分離出動作信號傳輸給伺服系統,伺服系統則根據信號做出相應的動作。

    E. 輔助設備系統

    輔助設備系統,主要包括無人機外掛平臺簡稱云臺,外掛輕型相機,無線圖像傳輸系統。云臺是安裝在無人機上用來掛載相機的機械構件,能滿足三個活動自由度:繞X、Y、Z軸旋轉,每個軸心內都安裝有電機,當無人機傾斜時,會配合陀螺儀給相應的云臺電機加強反方向的動力,防止相機跟著無人機“傾斜”,從而避免相機抖動,云臺對于穩定航拍來說卻起著非常大的作用。外掛輕型相機,主要為體積重量小巧,高清晰度相機。無線圖像傳輸系統,在無人機航拍時候,將天空中處于飛行狀態下無人機拍攝的畫面,實時穩定的發射給地面無線圖傳遙控接收設備,優秀的無線圖像傳輸系統具備傳輸距離遠、傳輸穩定、圖像清晰流暢、抗干擾、抗遮擋、低延時等特性。

         二、固定翼無人機系統

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀


        固定翼無人機系統由五部分組成:機體結構、航電系統、動力系統、起降系統和地面控制站系統。

    機體結構由可拆卸的模塊化機體組成,既方便攜帶,又可以在短時間內完成組裝、起飛。航電系統由飛控電腦、感應器、酬載、無線通訊等組成,完成飛機控制系統的需要。動力系統由動力電池、螺旋槳、無刷馬達組成,為無人機提供飛行所需的動力。起降系統由彈射繩、彈射架、降落傘組成,幫助無人機完成彈射起飛和傘降著陸。部分高級固定翼無人機采用滑行起降,需要額外設計起落架收放、減震、精準定位、加速和剎車等系統。地面控制站包括地面站電腦、手柄、電臺等通訊設備,用以輔助完成路線規劃任務和飛行過程的監控。

        三、無人機應用領域

    無人機應用領域主要分為三類,消費級應用、工業級應用、軍事級應用。

        無人機應用領域匯總如下:

    國外無人機都是國產?一文讀懂無人機現狀

       消費級無人機應用

         以多旋翼無人機為代表的消費級無人機應用市場,已經進入快速成長期,根據公開數據顯示,消費級無人機應用市場每年有超過50%以上增速,消費級無人機產品種類與服務日益豐富,行業出現領軍企業大疆,占據70%以上的消費級無人機市場份額。

    消費級無人機的技術門檻并不高,一套開源程序就可以支持飛行器的起飛和降落,任何人都可以用開源程序做一套無人機平臺。入門級的消費無人機產品,已經變成紅海,各大廠商為很薄的利潤而廝殺。各大無人機廠商的優勢在于飛控系統和云臺系統,通過技術積累使其自身產品比競爭對手更穩定、故障率更低。

    在美國、德國的相關航空展上,已經出現了許多不遜色于大疆的無人機技術系統。一些有能力將成本做到極致的國內巨頭企業,也紛紛進入消費級無人機產業掘金。

    新型輕質材料的廣泛應用,飛控核心技術成熟讓消費級無人機行業門檻進一步降低,加劇行業競爭。行業競爭的加劇又導致無人機產品分化,各大廠商開始走差異化路線,針對不同用戶需求推出不同的產品。例如:針對巡檢市場推出價格低廉、維護簡便、航程相對較遠的無人機產品;針對安防市場推出續航時間長,能在惡劣環境工作、圖傳效果好的無人機產品。

    預計2018年民用消費級無人機市場規模約180億元人民幣,到2025年將達到約300億元人民幣。

       工業級無人機應用

    工業級無人機和消費級無人機是完全兩個不同的概念,產品也有天壤之別。刨去電磁散逸、保密通訊等專業技術問題,工業級無人機在大規模應用的道路上還有兩個關鍵壁壘需要突破:一是航程和滯空時間不足;二是載荷能力不足。在突破這兩個技術難點前,工業級無人機很難在產業中大規模應用。另外成本問題,也是不得不去考慮的現實問題,數萬元的工業級無人機,需要充分考慮投入產出比。

    以現在的電池技術、無人機結構,在有效載荷和續航時間上,不可能有革命性突破。電池技術10多年來幾乎原地踏步,從石墨負極、硅負極、金屬負極、石墨烯,材料學家在電池方面的革新無所不用其極,論文天天發,投資疊疊加,但電池產品的突破并沒有出現。

    當前工業級無人機有效續航時間約20分鐘左右,按作業最大水平飛行速度5米/秒計算,工業級無人機單次飛行最遠距離6公里,考慮往返程和安全冗余,實際作業半徑不會超過3公里。以無人機電力巡檢為例,只有3公里作業半徑的無人機高空巡檢,是遠遠無法滿足工業級實際生產需要的。

    工業級無人機單價一般在2萬-8萬元,甚至也有數十萬元一架。無人機創造的實際價值,扣減掉設備折舊和其它費用后,是否有剩余收益,這是一個現實的財務問題。

    工業級無人機市場還處于摸索與投入期,但考慮到未來巨大市場潛力,國內各大無人機廠商相繼進入這個領域。

    預計到2025年,工業級無人機市場規模約400億,其中農林植保約200億,安防市場約為150億,電力巡檢約為50億。

    軍事級無人機應用

    軍事級無人機應用,已經成為另一個獨立產業。無論國內、國外都有很多非常成功的產品應用于實戰,例如:諾斯羅普·格魯曼公司生產的無人機“全球鷹”。在軍事應用中,每個國家都有專注于該類市場的相關企業,開發滿足不同需求的專業無人機。

       四、無人機技術現狀

       續航

         市面上的無人機主要采用鋰聚合物電池作為主要動力,續航能力一般在20分鐘至30分鐘之間。因無人機技術方案不同,續航時間有所差別,無人機需要盡可能減輕起飛重量,所以無法攜帶較重的大容量電池,大多數無人機維持二十分鐘有效飛行之后,就必須更換電池或者插上充電線。無人機電池充電時間,一般每次一個小時以上。這是無人機一個致命的短板,大大限制了行業的快速良性發展,解決無人機電池續航能力迫在眉睫。

       通信系統

        無人機通信系統,目前主要使用900MHz、1.4GHz、2.4GHz無線電頻段,其中1.4GHz主要作為數據通訊頻段,2.4GHz主要作為圖像傳輸頻段,900MHz不建議使用。

    工信部已經制定無線電相關使用準則,規范無人機行業的無線電頻段使用。公共無線電通信鏈路,抗干擾能力弱,尤其是同頻干擾無法避免。只需采用幾種特殊干擾方法,就可以實施對無人機指定無線電頻段的定向干擾,今年五一西安無人機編隊表演異常就是通信信號干擾造成的。隨著無人機的數量指數級增長,無人機通信系統干擾的問題,將日漸突出。

        定位導航

         無人機系統的定位導航,普遍采用GPS和北斗雙模模式。GPS定位分為碼定位和載波定位,碼定位速度快,一般民用精度為3-10米,軍用精度為0.3米;載波定位速度慢,不分民用和軍用。北斗系統定位精度在10-20米。基于導航衛星的無人機定位系統,各大無人機廠商優化自己的算法,使精度勉強達到米級。

    但受地形、天氣等客觀條件影響,導航衛星信號易干擾,精度穩定性不足的問題有待解決。民用無人機依靠衛星定位,在不用差分定位技術輔助的情況下,米級精度已經是極限。這樣精度,在工業應用領域遠遠不夠。米級的定位精度,不足以支撐無人機自動控制。

    差分輔助定位技術,其原理是通過GPS或北斗衛星信號與已知真實基準站坐標對比,實現快速厘米級精度定位。無人機千機編隊表演基本都采取這種技術,但在自由空間中,不具備這樣條件。

       避障

        避障技術,對于主流的無人機飛行至關重要,但現有的解決方案仍處于探索階段。為確保公共安全,需要不斷改進傳感器、傳感算法和無人機設計。

           無人機避障技術主要有四套解決方案:紅外線傳感器方案、超聲波傳感器方案、激光傳感器方案以及視覺傳感器方案。在地面行駛的無人汽車避障問題徹底解決之前,無人機避障技術還有漫長路要走。

       五、無人機相關規定與法律法規

    2018年1月,《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》公開征求意見。

    2017年6月,《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規定》,民用無人機登記注冊系統正式上線,起飛重量超過250克以上的無人機,必須實施登記注冊。建立無人機登記數據共享和查詢制度,實現與無人機運行云平臺的實時交聯。2016年9月,《民用無人駕駛航空器系統空中交通管理辦法》,保障民用航空活動的安全,加強民用無人機飛行活動的管理,規范其空中交通管理的辦法。

    2016年,《關于促進通用航空業發展的指導意見》,低空空域定義由1000米以下,提升到3000米以下。2015年,《輕小型無人機運行試行規定》,起飛全重7公斤以上無人機,必須接入“電子圍欄”,不得在禁飛區使用無人機,無人機駕駛員需要持有操作執照。

    2014年,《低空空域使用管理規定(試行)》征求意見稿,將低空空域分為管制空域、監視空域和報告空域,其中涉及監視、報告空域的飛行計劃,企業需向空軍和民航局報備。2013年,《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》,由中國AOPA協會負責民用無人機的相關管理。

    劃定禁飛區、無人機摸底統計、操作員實名制,國內無人機相關法律法規監管政策,整體趨嚴,彰顯政府推進行業規范化發展的決心。

        六、無人機行業未來發展趨勢

        民用消費級無人機,持續高速增長

    民用消費級無人機市場的高速增長不可避免。輕質復合材料、通信系統的發展提供了基礎條件,飛控技術的成熟,使得多旋翼無人機操作更靈活、更便利。受惠于產業鏈成熟,傳感器、磁羅盤等零配件成本減少,消費級無人機價格大幅降低,無人機與攝像頭的結合在民用航拍、影視航拍等場景得到了廣泛應用,實現銷售級市場的突破。

        民用工業級無人機,技術突破前較難實現大規模應用

    民用工業級無人機續航時間有待提升,目前有效續航時間普遍未超過30分鐘;工業級無人機飛行穩定性有待提升,在風、雨、雪等復雜環境下無人機飛行穩定性較差,還需改進;工業級無人機負載能力有待提升,小型工業無人機載重較差,制約在農藥噴灑、物流等場景的應用。

         農林、安防、電力三個領域,受限于續航、載重、穩定性因素制約,在技術突破前,較難實現民用工業級無人機的大規模應用。另外工業級無人機的價格昂貴,在追求投資收益的生產應用領域,也是需要考慮的現實問題。

        系留無人機,應用場景廣闊

    在電池技術未突破,無人機續航問題未解決前,一種通過外接電線的系留無人機值得關注。

        系留無人機是將無人機和系留綜合纜繩結合起來實現的無人機系統。系留無人機通過光電綜合纜繩給無人機傳輸電能,使無人機可以不受電能限制而長時間停留在空中,其結構大小、制作材料可以根據應用需求來靈活設計,機動性較強,很好的滿足了部分工作環境對無人機長時間滯空需求。

         系留無人機減輕了電池負荷,通過一根電線為無人機提供電能,同時利用電線對無人機進行有線控制、圖像傳輸具有極高的抗干擾能力。由于是地面電源有線輸入,理論上系留無人機可以無限滯空作業。在不需要無人機大范圍機動的定位觀察、基地安全、景區監測、地質勘測、野外作業、森林防火、應急通信、公安反恐、交通監管、新聞采訪、工程監控、環境監測、影視拍攝、科學研究、國防軍工等領域,有廣泛應用前景。

         無人機千機編隊文藝演出,將成獨立的商業模式

    數千架無人機編隊飛行表演,在廣州、成都、西安等多地上演,數千架無人機可以進行復雜的編隊飛行,組成的不同的圖案與主題,且不會發生碰撞。強烈的視覺震撼,已經獲得市場的廣泛認可。無人機千機編隊表演,無數“螢火蟲”點亮夜空,已經成為獨立商業模式,將持續擴大影響。

          無人機相關行業監管政策,將逐步趨嚴

    無人機在推廣和使用過程中,出現了一系列的安全隱患和監管漏洞,比如誤闖禁飛區、小區飛行干擾休息等,這類現象對公共安全和個人權益造成一定影響,政策層面在不斷完善和加強無人機領域的專項管理。由于國內對公共安全領域的高度關注,無人機監管政策總體趨嚴。

        七、小結

         無人機是未來航空發展趨勢之一,當前在航空機體材料、飛行定位、航空控制領域有所突破。隨著技術成熟,零配件成本降低,以多旋翼無人機為主小型民用無人機將成為市場熱點。由于航程短、航速慢等特點,多旋翼無人機在安全級別低、穩定性要求低、在無滯空時間特殊要求的領域,有較大的應用空間,特別是利用飛行特質的航空拍攝,空中巡檢、航空表演等領域。一個小型的無人機只需花幾分鐘在空中拍照,就可以完成這類對人來說非常艱巨而又危險的任務。

         由于目前電池技術未實質性突破,多旋翼無人機滯空時間普遍在20-30分鐘左右,無線電或4G/5G無線網絡控制皆存在可靠性低,抗干擾能力弱,穩定性不足的制約。航空普遍使用的GPS/北斗定位系統、氣壓計測高系統、加速計、陀螺儀、地磁儀等設備精度遠遠未達到無人控制的精度要求,因此真正工業級無人機大規模、高精度、穩定應用還有待時日。個人認為,在無人駕駛汽車大規模商業應用前,無人機不具備無人應用條件。

         近年隨著無人機行業的快速發展,消費級無人機市場已經進入成長期,國內無人機研制領域原有的競爭格局漸被打破,市場格局正處于巨變和重塑的過程中。工業級無人機市場,還在前期探索期,快速成長還有待全行業的共同努力。


     
     
     
     
     
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