Analysis of the development achievements and application difficulties of small rotor UAVs

SUN Shaojian，CHEN Huanzhi，CHEN Yongli，WANG Qirui 

(Beijing Aerocim Technology Co.,Ltd，Beijing，102308)

一、 概述

无人机是无人驾驶飞机的简称，英文缩写为“UAV”。从字面上拆解来看，无人驾驶，是指利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵，机，指的是飞行器。因此，无人机本身是一项集成度很高的复杂产品，相关的知识领域覆盖了航空、结构、电子技术、通信技术、材料科学、机械设计、传感器、地理信息等多个学科，在不同方向的应用中也涉及如农业、交通、测绘等专业知识。近年来，随着我国新兴科技的发展，无人机还结合了5G、卫星互联网、人工智能、脑机交互等前沿性研究，并取得了一定成果，这些新兴技术为无人机提供了更广阔的舞台。

二、 型号分类

无人机的性能有很多维度，从快速选型定位角度，我按照六个方面进行分类，分别是：动力、平台结构、任务高度、活动半径、尺度和应用场景。

1) 动力（怎么飞）

无人机目前主要有四种动力，分别是电动力、油动力、油电混合动力以及氢动力。不同动力也影响着无人机的续航和距离。由于混合动力和氢动力技术相对复杂，而油动力比电动力能耗更大，因此大多数中小型无人机都以纯电动为主。

2) 平台结构（是啥样）

目前市面上的无人机可分为以下几类：固定翼无人机、旋翼无人机、混合翼无人机、直升机无人机、无人飞艇、扑翼无人机等。不同结构具有不同特性，比如固定翼适合远距离航行，旋翼/混合翼可以垂直起降，直升机可以载人等等。小型无人机多以旋翼为主，根据螺旋桨数量，可分为四旋翼、六旋翼、八旋翼等，简称四轴、六轴、八轴。

3) 任务高度（飞多高）

根据飞行高度，无人机可覆盖由0～100m的超低空到18km以上的超高空，一些特殊用途无人机可以做到离地1~3m的仿地飞行。受动力等影响，小型无人机以中低空、仿地飞行为主。

4) 活动半径（飞多远）

无人机的飞行距离，与无人机的结构、动力、载重等有很大关系，具备的动能越大，飞的越高越远，根据飞行距离，可以分为超近程到远程不等。通常情况下，电动力的飞行距离小于油动力、旋翼飞行距离小于固定翼。

5) 尺度（有多大）

由于无人机结构不同，单从外形大小比较不具有参考依据，通常采用机身重量来区分无人机大小，重量可分为微型、轻型、小型、中型到大型不等。在消费级和工业级中，多以微、轻、小型为主，中大型无人机通常都有着特殊用途。

6) 应用场景（干啥用）

对于无人机而言，最重要的属性就是应用，无人机的应用场景、功能要求，决定了无人机的规格参数。从使用对象的角度，小型无人机常见的应用场景可以分为面向个人的消费级、面向企业行业的工业级、以及军事用的军用级。主要应用场景如下：

消费级场景：航拍、跟拍、娱乐；

工业级场景：农业植保、环境监测、物流运输、灾后救援、电力巡检、安防巡警、遥感测绘；

军用级场景：电子干扰、雷达诱饵；通信中继、战斗评估、扫雷探测、电子侦查、战场监视、训练靶机；对地轰炸、对地攻击、对空攻击、炮火校射；

三、 部件组成

在前文中描述过，无人机的最核心的两大部分，软件控制和硬件平台，因此无人机的组成可以理解为无人机系统和控制系统，也可以理解为“前端+后端”。前端硬件又包括飞行平台、任务载荷和数据链路，后端软件包括飞控管理和地面站保障。

1) 飞行平台

飞行平台是无人机飞行的主体平台，主要提供飞行能力和装载的功能。由机体结构、动力装置、电气设备等组成，像旋翼无人机通常都包括电池、电机、螺旋桨、陀螺仪、气压计等部件。

2) 任务载荷

任务载荷是无人机应用的主要工具，根据执行特定的飞行任务，装载特定任务的仪器、设备和系统。常见的主要任务载荷包括光电吊舱、热成像仪、雷达、灭火装置、安防装置等。常见任务载荷包括：视频采集设备（光电吊舱、热成像仪、多光谱相机）；雷达（合成孔径雷达、激光雷达、超声波雷达）；消防设备（灭火弹、脉冲水泡、灭火器/枪）；安防设备（喊话器、催泪弹、震爆弹、照明器、抓捕器、喷火器）；环境监测设备（气体探测器、水质采样器）以及军用武器装备等。

3) 数据链路

常见的数据链路包括2.4GHz、4G/5G公网以及WiFi等，数据包括机载数据与地面数据。

机载数据主要完成无人机的遥测和载荷数据，用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态、当前遥控指令和实时图像等。

地面数据链路主要完成地面控制站至无人机的遥控指令的发送和接收，可用于传输地面操纵人员的指令，引导无人机按地面人员的指令飞行，并控制任务设备。

为保护数据的安全性，通常都会加密传输。目前常用加密手段有三种，一是指定专网频段的信道加密，二是硬加密，通过适配改造指定加密模块，三是信源软加密，通过加密算法AES、国密算法SM等，在发送数据前进行加密，传回地面后再进行解密。

4) 飞控管理

飞控管理是对无人机实现控制与管理，除了飞控操作外，还能看到无人机的实时参数和任务画面，是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务、返场着陆等整个飞行过程的核心系统。

5) 地面站保障

地面站保障是对无人机的遥控、遥测、跟踪定位和任务设备信息传输，实现对无人机和机载任务设备的远距离控制，包括：控制站、指挥站、无人机场/机巢。

控制站常见有手机app程序、手柄、控制器和计算机终端等方式。指挥站是指固定式指挥大厅，通过保障设备接入无人机，投屏至大屏进行指挥控制。无人机场/机巢可用于无人机“调整休息”，通过贴片式或机械爪，可以实现无人机的充电和电池更换，同时机巢可以集成改装到车载平台，实现机动灵活作业。

图 1国内常见无人机场/机巢

四、 应用领域

根据应用场景的分类，应用领域也依据消费级、工业级和军用级进行分析。

1) 消费级

消费级无人机主要满足个人工作娱乐需求而进行拍摄，还可以结合VR等设备进行全景拍摄。随着技术发展，航拍无人机的画面质量得到了飞跃提升，飞行高度、续航也有着显著进步。结合智能算法，航拍无人机也实现了目标定位、目标跟随、甚至自动避障等功能，为消费者提供了更丰富的拍摄方式。

2) 工业级

工业级无人机主要满足企业、政府、行业的专业需求，比如农业植保、物流运输、地理测绘、环境监测、应急消防等，随着相关技术和配套产品的发展，工业级无人机的性能、功能、精度上都不断提高，任务载荷的多样性、检测设备的高精度，都给工业级应用提供更多选择，而人工智能、大数据等技术的成熟，也为无人机应用带来新的思路，目标识别、人数统计、测绘成像等，都为行业应用提供了新兴手段。

图 2不同领域的工业无人机应用

3) 军用级

军用级无人机主要实现军事侦查、监视、打击等功能，2001年阿富汗战争中，美国利用无人机挂载“地狱火”导弹，使无人机变成了集察打为一体的多功能作战飞机。由于物理性能限制，军用察打一体无人机大多是以大型无人机为主，我国作为无人机市场后起之秀，以大型察打一体无人机出口为主，如彩虹和翼龙系列等。

随着智能化、无人化装备快速发展，现代战争作战模式已逐步从独立作战向协同作战领域拓展，催生了无人机蜂群新型作战样式，通过有人机与无人机蜂群协同作战，使作战体系更加完善，大幅提升作战体系的综合作战能力、任务完成能力和战场生存力。我国在无人机蜂群作战方面也取得了一些研究成果，并已开展了大量试飞试验，但必须承认，由于我国无人机起步较晚，装备性能上距国外还有些差距，目前大多研究都只是理论层面、方向单一，缺乏复杂环境下多军种联合作战的系统性实践验证。

图 3军用小型无人机应用案例

五、 技术难点

在我国科技发展、军民融合的利好下，无人机行业飞速提升，然而还有一些应用壁垒需要攻克，根据以往论证过的项目经验，我认为目前国内存在以下技术难点：

1) 载重和续航的限制权衡

无论是电动力还是油动力，无人机的动力都随着电池或油箱的容量而正增长，这意味着如果想长时间、远距离的飞行，就要增加动力，而增加动力就要携带更多更重的电池和燃料，载重的增加又进一步影响了续航。

国内小型电动力无人机，以四旋翼为例，飞行时间大多在30-60分钟，作业时间约20-50分钟，目前解决续航的办法，一是通过改变动力源，采用氢动力或油动力方式，但是对无人机结构和电机技术都增加了不少难度；另一种采用采用无人机场/机巢进行补充电量，但是这对使用成本和规模上又提出更高要求。

2) 动态智能识别难点

在目前摄像头应用中，通过图像比对特征库，即可实现人、物识别等功能。视频比对是根据图像的动态变化，识别出目标区域发生异常状况，从而触发报警提示，这项功能多采用传统的固定式摄像头，在空间范围移动式的无人机上，会存在算力、传输和精度三个问题。

通过无人机识别，首先要考虑识别的芯片和算法，是布设在无人机端还是控制端，即前端还是后端。如果放在前端，识别的数据库、芯片的算力势必会造成电池的损耗，对无人机本身的续航造成削减；而如果放在后端，每一次识别都需要往返传输，在远距离或信号差的地区，甚至无法完成识别。识别的精度也需要关注，由于目标的状态各不相同，拍摄的角度也无法保持完全一致，或造成识别效果误差较大的结果。

对于此问题，目前国内厂商通常采用两种解决方式，一是前端进行识别，择优选择芯片，减少功耗，同时建立训练模型，在识别算法的基础上，不断学习、迭代优化，提高识别精度和准确性；二是采用后端识别方式，无人机只将采集视频回传至地面站，由控制软件进行识别加工，输出识别后的画面进行展示，这种方法虽然有短暂的延时，但识别效果更佳。同理，若想彻底解决识别难题，需要未来提升芯片技术和无线通信技术解决。

3) 自动避障难点

无人机通常在高空作业，周围很少有障碍物，但在巡检、监测等应用中，无人机需要低空飞行，周围可能存在山体、电线、树林、灌木、建筑物、行人、车辆等多种遮挡物，因此对无人机的障碍识别提出了更高要求。国内常见的避障无人机，采用红外线、视觉、超声波、激光等识别手段，常见避障技术对比如下：

当无人机检测到障碍物后，同样也需要智能算法去分析识别，目前大部分无人机都只做到悬停报警，少部分小型无人机可以做到避障自动飞行，而在复杂环境如城市楼宇间、丛林树木间穿梭，则需要更多的识别点位、更高的识别精度和更快的计算速度，同样也需要芯片技术的支撑。

4) 北斗导航和RTK定位难点

在当前复杂多变的世界局势下，拥有我国自主的导航系统是关系到国家安全的重大问题，目前市面上绝大数无人机都支持GPS，尤其配合机场/机巢的使用，通常都是采用自动巡航、自动降落、自动充电，这时候导航的精度就非常关键。大部分支持北斗导航的无人机，采用多模方式，即搭载的多模GNSS模块，可以同时支持北斗、GPS、GLONASS等不同信号，虽然可以通过系统软件实现只接收北斗信号，但一般应用下都是默认全开，择优接收，以提高导航精度，而结果往往都是应用GPS。单模北斗模块，即只支持北斗导航的无人机，一般只用于军码型号产品，在民用产品上应用精度会略有差距。同理，采用单北斗的RTK模块更是寥寥无几，精度上也会有大打折扣，导致低空飞行的精度、自动进出机场的精度、以及和充电接口接触的精度都会受影响。对此，除了依靠北斗卫星增加外，也需要相关行业的适配优化支持。

六、 结语

无人机是一项多学科产品，需要相关行业的技术支撑，同样无人机也是集成产品，需要依托相关行业共同进步。在过去的调研论证中，我也接触到了很多优秀厂商，甚至有些在国际上已经享有盛名，希望在百年未有之大变局下，中国的无人机技术、产业发展也能遥遥领先。

参考文献：

[1] 江苏锦程航空科技有限公司产品手册；

[2] 北方天途航空技术发展（北京）有限公司产品手册；

[3] 蜂巢航宇科技（北京）有限公司产品手册；

[4] 深圳市道通智能航空技术股份有限公司产品手册；

[5] 北京蓝天飞扬科技有限公司产品手册；

[6] 浙江科比特创新科技有限公司产品手册；

[7] 四川腾盾科创股份有限公司产品手册；

[8] 福建新诺机器人自动化有限公司产品手册；

[9] 深圳市科卫泰实业发展有限公司产品手册；

[10] 西安因诺航空科技有限公司产品手册。