【扫盲】史上最全最专业无人机常识盘点(上)

日期:2016-06-08 09:56 编辑:通讯之家

无人机的诞生可以追溯到1914年。当时第一次世界大战正进行得如火如荼,英国的卡德尔和皮切尔两位将军,向英无人驾驶奥门威尼斯人平台国军事奥门威尼斯网址学会提出了一项建议:研制一种不用人驾驶,而用无线电操纵的小型奥门威尼斯人平台,使它能够飞到敌方某一目标区上空,将事先装在小奥门威尼斯人平台上的炸弹投下去。那之后军用无人机便诞生了。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201606/292389.htm

  而消费无人机自2014年进入公众视野以来,一直保持着超高的关注度。随着无人机行业持续升温,整个消费级无人机市场也正在迅速膨胀,并呈现爆发增长的态势。从研究机构EVTank的数据来看,2013—2015年3年内,全球民用无人机的市场销量分别为15万架、37.8万架和57万架,其中消费级市场需求是专业级无人机的两倍左右,并且以每年50%的速度快速增长。

  本文搜集了世上最全的无人机常识,包括分类、技术难点、发展历史、产业链、相关政策、市场分析…希翼此文能够带您走进无人机的世界。

  上篇:

  1.无人机是什么

  无人机是无人驾驶奥门威尼斯人平台的简称(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奥门威尼斯人平台,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撑服务,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%,而大家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。


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  图:世界民用无人机使用领域构成。

  2.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、实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,大家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。


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  图:奥门威尼斯人平台架构

  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,是保证奥门威尼斯人平台控制精度的关键,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,但都希翼发动机体积小、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,大家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、下行数据链实行遥测、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、定位的精细程度和实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,既支撑固定用户、又支撑移动用户。

  3.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。

  早期的奥门威尼斯网址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)环境下实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年雅马哈企业采用摩托车发动机,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企业及发明一款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企业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“无人机非军事任务实行证书,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ToB端各行各业无人机领域快速发展相比,近两年ToC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,15年估值100亿。

  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——伴随着苹果在苹果上大量应用加速计、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,成本仅在几美金。另外GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美金。

  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企业是多旋翼无人机系统开源的鼻祖,其后2011年美国APM企业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App,同时覆盖地面设备的全套成熟解决方案,既可以驱动固定翼奥门威尼斯人平台、也可以驱动旋翼机,并且可以通过地面控制App实时监控奥门威尼斯人平台飞行的卫星地图。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,著名计算机开源系统企业Linux推出了名为“Dronecode”的无人机开源系统合作项目,将3DRobotics、英特尔、高通、百度等科技巨头纳入项目组,旨在为为无人机开发者提供所需要的资源、工具和技术支撑,加快无人机和机器人领域的发展。根据Teal奥门威尼斯网址市场调研企业的报告,Dronecode项目使未来十年世界无人机研发、测试和评估等活动的总值达到910亿美金。Dronecode开发界面囊括了无人越野车、无人固定翼奥门威尼斯人平台、无人直升机和各种多轴旋翼无人机等,吸取了APM、PX4等多个平台,进一步推动了系统开发的可视化和友好化。

5、无人机相关政策:各国政策都处于持续完善中

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  中国无人机相关政策:走出了规范化的第一步


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  图:2009年至今中国无人机相关主要政策汇总

  总的来说,2009年前,无人机处于无监管的空白状态。2009年以后至今,开始进入持证飞行阶段,但是法律法规和监管实行尚未完善和正规化,实际申请操作上模糊不清。

  美国无人机相关政策:商业无人机草案终出


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  图:2014-2015美国联邦奥门威尼斯网址管理局无人机管理动态汇总。

  经历了长时间的等待,数次延期,2015年2月15日,美国联邦奥门威尼斯网址管理局终于公布了期盼已久的无人机商转管理办法草案。这项新规打破了之前全面禁飞的局面,但是还有待最终定案。

  这份规则主要适用于重量25千克以下的无人机,主要限定包括:

  (1)飞行时间,高速,速度,搭载限制:它限定无人机只能在白天飞行,且全程都必须保持在操作人员的视线范围内,飞行高度不得超过150米,时速不得超过160公里。不得从人头顶上飞过,不得从无人机上扔东西,机体外侧不得搭挂包裹。

  (2)飞行路线地点限制:无人机都必须避开奥门威尼斯人平台飞行路线和飞行限制区,必须严格遵守相关临时限飞令。无人奥门威尼斯人平台应避开人驾驶的奥门威尼斯人平台机场至少八公里。无人奥门威尼斯人平台飞行时,应始终维持于无线电操编辑视界以内。

  (3)驾驶员资格要求:无人机操作人员至少满17岁,需考取美国联邦奥门威尼斯网址局无人机操作人员资格证书,并且通过TSA(美国运输安全管理局)的审查要求。

  (4)另外,关于爱好者的模型无人机,则仍然跟之前一样不受限制,只要不妨碍空中交通。

  英国无人机政策:世界无人机法规领航者


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  图:最新欧洲无人机相关主要政策汇总。

  CAP722是英国民航局在英国领空内对无人机使用的引导准则,第四版的CAP722发布于2010年4月已适应空中导航法2009的推出。所有关于无人机的法规现在都收在空中导航法2009中.在那之前,CAP722是行业的参考标准,并被全世界所模仿学习与实施。这份文件强调了在英国操作无人机前需要注意的适航性和操作标准方面的安全要求。最新版的cap722发布于2012年8月,并且对民用无人机实施相当程度的开放政策。英国民航局是无人机法规领域的领航者。

  欧洲法规2008第216号监管着所有整机重量超过150公斤的无人机.无人机的设计和生产也必须和常规奥门威尼斯人平台一样遵循相关的认证规范(该规范由EuroUSC企业主导,该企业获得民航局的授权实施轻型无人机计划),并且必须获得适航认证或准飞许可.在英国,整机重量在20公斤到150公斤的无人机需要具有英国法律下的适航性资质.如果飞行器在半径500米和低于400英尺的范围或者在隔离的飞行区域内,并且无人机和该飞行有一定的适航性保证,英国民航局可以豁免适航性认证的需求.英国民航局也会在自己调查和被推荐的基础上颁发豁免权,当前仅有一家组织获得了此项许可.整机重量20公斤以下的无人机并不需要遵从很多主要政策要求,但是领航法第98号文中设立了一些条件。这些条件包括禁止在管制区域或者奥门威尼斯人平台场附近飞行,除非获得空管局的许可,最大高度400英尺和禁止在没有英国民航局特别许可的情况下高空作业。

  当前英国奥门威尼斯网址法中操控无人机并不需要认证飞行员执照.但是英国民航局要求所有潜在无人机操控者都掌握飞行资质。飞行资质可以通过完成指定课程获得,并有四家认证机构运营着培训与考试。



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