无人机分类及未来发展趋势 时间:2019-11-21来源:沃达航空 作者:nba赔率
 

  一、无人机介绍
 

  无人机全称“无人驾驶飞行器”,(Unmanned Aerial Vehicle)英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等,是信息时代高技术含量的产物。无人机价值在于形成空中平台,结合其他部件扩展应用,替代人类完成空中作业。随着无人机研发技术逐渐成熟,制造成本大幅降低,无人机在各个领域得到了广泛应用,除军事用途外,还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监测、森林防火以及影视航拍等民用领域,且其适用领域还在迅速拓展。
 

  二、无人机分类
 

  无人机根据不同场景、平台、应用方式,可以进行不同分类,例如:应用场景、飞行平台、控制方式、视距、重量尺度、任务高度、活动半径等。进入21世纪,随着轻型复合材料的广泛应用,卫星定位系统的成熟,电子与无线电控制技术的改进,尤其是多旋翼无人机结构的出现,整个无人机行业进入快速发展阶段。
 

  无人机飞行平台
 

  按无人机的飞行平台分类主要分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、其它无人

机等,各飞行平台的优势、劣势、特点如下:
 

  1. 多旋翼无人机系统

 

 

  多旋翼无人机系统主要由机架机身、动力系统、飞行控制系统、遥控系统、辅助设备系统五部分组成。

  A. 机架机身
 

  无人机的机架机身指无人机的承载平台,一般选择高强度轻质材料制造,例如:玻纤、玻纤维、ABS、PP、尼龙、改性塑料、改性PC、树脂、铝合金等。无人机所有的设备都是安装在机架机身上面,支架数量也决定了该无人机为几旋翼无人机。优秀的无人机机架设计可以让其他各个元器件安装合理,坚固稳定,拆装方便。
 

  B. 动力系统
 

  无人机动力系统,就是为无人机提供飞行动力的部件,一般分为油动和电动两种。电动多旋翼无人机是最主流的机型,动力系统由电机、电调、电池三部分组成。无人机使用的电池一般都是高能量密度的锂聚合电池,由于一些客观原因,传统每300g锂电池,可以为无人机500g(含电池)自重,提供17分钟飞行时间。氢燃料电池、太阳能电池等受制于现有的技术水平和成本,暂时还无法普及。无人机主要在露天作业,对电机、电调系统的稳定性要求较高,需要定期进行检查、保养、防水、防潮。
 

  C. 飞控系统
 

  飞控系统就是无人机的飞行控制系统,不管是无人机自动保持飞行状态(如悬停)还是对无人机的人为操作,都需要通过飞控系统对无人机动力系统进行实时调节。一些高阶的飞控系统除了保证飞机正常飞行导航功能以外,还有安全冗余、飞行数据记录、飞行参数调整和自动飞行优化等功能。飞控系统是整个无人机的控制核心,主要包括飞行控制、加速计、气压计、传感器、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多部件组成。
 

  D. 遥控系统
 

  无人机遥控系统,主要由遥控器、接收器、解码器、伺服系统组成。遥控器是操作平台,接收器接到遥控器信号进行解码,分离出动作信号传输给伺服系统,伺服系统则根据信号做出相应的动作。
 

  E. 辅助设备系统
 

  辅助设备系统,主要包括无人机外挂平台简称云台,外挂轻型相机,无线图像传输系统。云台是安装在无人机上用来挂载相机的机械构件,能满足三个活动自由度:绕X、Y、Z轴旋转,每个轴心内都安装有电机,当无人机倾斜时,会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力,防止相机跟着无人机“倾斜”,从而避免相机抖动,云台对于稳定航拍来说却起着非常大的作用。外挂轻型相机,主要为体积重量小巧,高清晰度相机。无线图像传输系统,在无人机航拍时候,将天空中处于飞行状态下无人机拍摄的画面,实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设备,优秀的无线图像传输系统具备传输距离远、传输稳定、图像清晰流畅、抗干扰、抗遮挡、低延时等特性。


 固定翼无人机系统 


 

  固定翼无人机系统由五部分组成:机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站系统。
 

  A. 机体结构由可拆卸的模块化机体组成,既方便携带,又可以在短时间内完成组装、起飞。
 

  B. 航电系统由飞控电脑、感应器、酬载、无线通讯等组成,完成飞机控制系统的需要。
 

  C. 动力系统由动力电池、螺旋桨、无刷马达组成,为无人机提供飞行所需的动力。
 

  D. 起降系统由弹射绳、弹射架、降落伞组成,帮助无人机完成弹射起飞和伞降着陆。部分高级固定翼无人机采用滑行起降,需要额外设计起落架收放、减震、精准定位、加速和刹车等系统。
 

  E. 地面控制站包括地面站电脑、手柄、电台等通讯设备,用以辅助完成路线规划任务和飞行过程的监控。
 

 
  无人直升机系统



 

  无人直升机系统主要由直升机本体、控制与导航系统、综合无线电系统和任务载荷设备等组成。
 

  A. 直升机本体包括旋翼、尾桨、机体、操纵系统、动力装置等。
 

  B. 控制与导航系统包括地面控制站、机载姿态传感器、飞控计算机、定位与导航设备、飞

行监控及显示系统等。这一部分是无人直升机系统的关键部分,也是较难实现的部分。
 

  C. 综合无线电系统包括无线电传输与通讯设备等,由机载数据终端、地面数据终端、天线、

天线控制设备等组成。
 

  D. 任务载荷设备包括光电、红外和雷达侦察设备以及电子对抗设备、通信中继设备等。


  无人机重量


  中国民航总局对无人机按重量1.5KG、7KG、25KG、150KG、5700KG,划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ六类。植保类无人机归属Ⅴ类,无人飞艇归属Ⅵ类,超视距无人机归属Ⅶ类。实际运行中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ类无人机有交叉时,分属较高要求一类。串并行无人机编队,按机队总重量分类。
 

  无人机应用领域


  无人机应用领域主要分为三类,消费级应用、工业级应用、军事级应用。
 

  1. 消费级无人机应用

  
以多旋翼无人机为代表的消费级无人机应用市场,已经进入快速成长期,根据公开数据显示,消费级无人机应用市场每年有超过50%以上增速,消费级无人机产品种类与服务日益丰富,行业出现领军企业大疆,占据70%以上的消费级无人机市场份额。

  
消费级无人机的技术门槛并不高,一套开源程序就可以支持飞行器的起飞和降落,任何人都可以用开源程序做一套无人机平台。入门级的消费无人机产品,已经变成红海,各大厂商为很薄的利润而厮杀。各大无人机厂商的优势在于飞控系统和云台系统,通过技术积累使其自身产品比竞争对手更稳定、故障率更低。

  
在美国、德国的相关航空展上,已经出现了许多不逊色于大疆的无人机技术系统。一些有能力将成本做到极致的国内巨头企业,也纷纷进入消费级无人机产业掘金。


  新型轻质材料的广泛应用,飞控核心技术成熟让消费级无人机行业门槛进一步降低,加剧行业竞争。行业竞争的加剧又导致无人机产品分化,各大厂商开始走差异化路线,针对不同用户需求推出不同的产品。例如:针对巡检市场推出价格低廉、维护简便、航程相对较远的无人机产品;针对安防市场推出续航时间长,能在恶劣环境工作、图传效果好的无人机产品。


  预计2018年民用消费级无人机市场规模约180亿元人民币,到2025年将达到约300亿元人民币。


  2. 工业级无人机应用

  
工业级无人机和消费级无人机是完全两个不同的概念,产品也有天壤之别。刨去电磁散逸、保密通讯等专业技术问题,工业级无人机在大规模应用的道路上还有两个关键壁垒需要突破:一是航程和滞空时间不足;二是载荷能力不足。在突破这两个技术难点前,工业级无人机很难在产业中大规模应用。另外成本问题,也是不得不去考虑的现实问题,数万元的工业级无人机,需要充分考虑投入产出比。
 

  以现在的电池技术、无人机结构,在有效载荷和续航时间上,不可能有革命性突破。电池技术10多年来几乎原地踏步,从石墨负极、硅负极、金属负极、石墨烯,材料学家在电池方面的革新无所不用其极,论文天天发,投资叠叠加,但电池产品的突破并没有出现。

  
当前工业级无人机电动动力有效续航时间约20分钟左右,按作业最大水平飞行速度5米/秒计算,工业级无人机单次飞行最远距离6公里,考虑往返程和安全冗余,实际作业半径不会超过3公里。以无人机电力巡检为例,只有3公里作业半径的无人机高空巡检,是远远无法满足工业级实际生产需要的。油动动力及油电混合动力相对续航上有优势,但结构更加复杂,故障多,维护成本同样也成倍增加。

  
且工业级无人机单价一般在4万-10万元,甚至也有数十万元一架。无人机创造的实际价值,扣减掉设备折旧和其它费用后,是否有剩余收益,这是一个现实的财务问题。


  工业级无人机市场还处于摸索与投入期,但考虑到未来巨大市场潜力,国内各大无人机厂商相继进入这个领域。


  预计到2025年,工业级无人机市场规模约400亿,其中农林植保约200亿,安防市场约为150亿,电力巡检约为50亿。


  3. 军事级无人机应用


  军事级无人机应用,已经成为另一个独立产业。按照军事用途划分可以分为靶机,侦察无人机、无人攻击机、通信中继无人机以及察打一体无人机。无论国内、国外都有很多非常成功的产品应用于实战,例如:诺斯罗普·格鲁曼公司生产的无人机“全球鹰”。在军事应用中,每个国家都有专注于该类市场的相关企业,开发满足不同需求的专业无人机。


  三、无人机相关规定与法律法规

 
  2018年8月,中国民用航空局飞行标准司印发《民用无人机驾驶员管理规定》


  2018年6月,《民用无人机驾驶航空器经营性飞行活动管理办法》正式生效

  
  2018年1月,《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》公开征求意见。

  
  2017年6月,《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》,民用无人机登记注册系统正式上线,起飞重量超过250克以上的无人机,必须实施登记注册。建立无人机登记数据共享和查询制度,实现与无人机运行云平台的实时交联。

 

  2016年9月,《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》,保障民用航空活动的安全,加强民用无人机飞行活动的管理,规范其空中交通管理的办法。
 

  2016年,《关于促进通用航空业发展的指导意见》,低空空域定义由1000米以下,提升到3000米以下。
 

  2015年,《轻小型无人机运行试行规定》,起飞全重7公斤以上无人机,必须接入“电子围栏”,不得在禁飞区使用无人机,无人机驾驶员需要持有操作执照。
 

  2014年,《低空空域使用管理规定(试行)》征求意见稿,将低空空域分为管制空域、监视空域和报告空域,其中涉及监视、报告空域的飞行计划,企业需向空军和民航局报备。

  2013年,《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》,由中国AOPA协会负责民用无人机的相关管理。
 

  无人机在推广和使用过程中,出现了一系列的安全隐患和监管漏洞,比如误闯禁飞区、小区飞行干扰休息等,这类现象对公共安全和个人权益造成一定影响,政策层面在不断完善和加强无人机领域的专项管理。由于国内对公共安全领域的高度关注,无人机监管政策总体趋严。


  无人机执照管理,划定禁飞区、无人机摸底统计、操作员实名制,国内无人机相关法律法规监管政策,将逐步趋严,也彰显政府推进行业规范化发展的决心。


  四、无人机行业未来发展趋势

  在航空机体材料、飞行定位、航空控制领域有所突破,随着技术成熟,零配件成本降低,轻小型民用无人机将成为市场热点。轻质复合材料、通信系统的发展提供了基础条件,飞控技术的成熟,使得无人机操作更灵活、更便利。受惠于产业链成熟,传感器、磁罗盘等零配件成本减少,无人机价格逐步降低。


  利用飞行特质的航空拍摄,空中巡检、航空表演等领域,一个小型的无人机只需花几分钟在空中拍照,就可以完成这类对人来说非常艰巨而又危险的任务,因此无人机与摄像头的结合在民用航拍、影视航拍等场景得到了广泛应用。


  农林植保和电力能源巡检这两个领域,在目前也表现出较为迫切的需求趋势,且具备可观的市场规模前景,另外在其他相对小众的民用领域方面,无人机都能凭借其优势,将会在消防救灾、公安系统、国土测绘、气象环保监测、包裹派送等方面一展身手。


  由于无人机的经济性、安全性、易操作性,在很多民用领域对无人机都有着旺盛的需求,小型无人机可广泛应用于防灾减灾、搜索营救、核辐射探测、交通监管、资源勘探、国土资源监测、边防巡逻、森林防火、气象探测、农作物估产、管道巡检等领域。由于小型无人机的航空特性和大面积巡查的特点,在洪水、旱情、地震、森林大火等自然灾害实时监测和评估方面特别具备优势。


 而无人机千机编队文艺演出,也将成独立的商业模式,数千架无人机编队飞行表演,在广州、成都、西安等多地上演,数千架无人机可以进行复杂的编队飞行,组成的不同的图案与主题,且不会发生碰撞。强烈的视觉震撼,已经获得市场的广泛认可。无人机千机编队表演,无数“萤火虫”点亮夜空,已经成为独立商业模式,将持续扩大影响。