無人機全稱“無人駕駛飛行器”，（UnmannedAerialVehicle）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(chǎn)物。無人機價值在于形成空中平臺，結(jié)合其他部件擴展應用，替代人類完成空中作業(yè)。隨著無人機研發(fā)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(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、警用執(zhí)法、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)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(jù)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。詳見下圖：
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。
進入21世紀，隨著輕型復合材料的廣泛應用，衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(jié)構的出現(xiàn)，整個無人機行業(yè)進入快速發(fā)展階段。
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(yōu)勢、劣勢、特點如下：
一、多旋翼無人機系統(tǒng)
多旋翼無人機系統(tǒng)主要由機架機身、動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助設備系統(tǒng)五部分組成。
圖：多旋翼無人機
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(zhì)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(shù)量也決定了該無人機為幾旋翼無人機。優(yōu)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(wěn)定，拆裝方便。
B.動力系統(tǒng)
無人機動力系統(tǒng)，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(tǒng)由電機、電調(diào)、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(tǒng)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(xiàn)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(yè)，對電機、電調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，需要定期進行檢查、保養(yǎng)、防水、防潮。
C.飛控系統(tǒng)
飛控系統(tǒng)就是無人機的飛行控制系統(tǒng)，不管是無人機自動保持飛行狀態(tài)（如懸停）還是對無人機的人為操作，都需要通過飛控系統(tǒng)對無人機動力系統(tǒng)進行實時調(diào)節(jié)。一些高階的飛控系統(tǒng)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(shù)據(jù)記錄、飛行參數(shù)調(diào)整和自動飛行優(yōu)化等功能。飛控系統(tǒng)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(tǒng)
無人機遙控系統(tǒng)，主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)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(tǒng)，伺服系統(tǒng)則根據(jù)信號做出相應的動作。
E.輔助設備系統(tǒng)
輔助設備系統(tǒng)，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(tǒng)。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(zhuǎn)，每個軸心內(nèi)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(wěn)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(tǒng)，在無人機航拍時候，將天空中處于飛行狀態(tài)下無人機拍攝的畫面，實時穩(wěn)定的發(fā)射給地面無線圖傳遙控接收設備，優(yōu)秀的無線圖像傳輸系統(tǒng)具備傳輸距離遠、傳輸穩(wěn)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(tǒng)
固定翼無人機系統(tǒng)由五部分組成：機體結(jié)構、航電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、起降系統(tǒng)和地面控制站系統(tǒng)。
機體結(jié)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(nèi)完成組裝、起飛。
航電系統(tǒng)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(tǒng)的需要。
動力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。
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(guī)劃任務和飛行過程的監(jiān)控。
圖：固定翼無人機
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(yè)級應用、軍事級應用。
無人機應用領域匯總?cè)缦拢?/p>
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(jīng)進入快速成長期，根據(jù)公開數(shù)據(jù)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(chǎn)品種類與服務日益豐富，行業(yè)出現(xiàn)領軍企業(yè)大疆，占據(jù)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(chǎn)品，已經(jīng)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(yōu)勢在于飛控系統(tǒng)和云臺系統(tǒng)，通過技術積累使其自身產(chǎn)品比競爭對手更穩(wěn)定、故障率更低。
在美國、德國的相關航空展上，已經(jīng)出現(xiàn)了許多不遜色于大疆的無人機技術系統(tǒng)。一些有能力將成本做到極致的國內(nèi)巨頭企業(yè)，也紛紛進入消費級無人機產(chǎn)業(yè)掘金。
新型輕質(zhì)材料的廣泛應用，飛控核心技術成熟讓消費級無人機行業(yè)門檻進一步降低，加劇行業(yè)競爭。行業(yè)競爭的加劇又導致無人機產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品；針對安防市場推出續(xù)航時間長，能在惡劣環(huán)境工作、圖傳效果好的無人機產(chǎn)品。
預計2018年民用消費級無人機市場規(guī)模約180億元人民幣，到2025年將達到約300億元人民幣。
工業(yè)級無人機應用
工業(yè)級無人機和消費級無人機是完全兩個不同的概念，產(chǎn)品也有天壤之別。刨去電磁散逸、保密通訊等專業(yè)技術問題，工業(yè)級無人機在大規(guī)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(yè)級無人機很難在產(chǎn)業(yè)中大規(guī)模應用。另外成本問題，也是不得不去考慮的現(xiàn)實問題，數(shù)萬元的工業(yè)級無人機，需要充分考慮投入產(chǎn)出比。
以現(xiàn)在的電池技術、無人機結(jié)構，在有效載荷和續(xù)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(fā)，投資疊疊加，但電池產(chǎn)品的突破并沒有出現(xiàn)。
當前工業(yè)級無人機有效續(xù)航時間約20分鐘左右，按作業(yè)最大水平飛行速度5米/秒計算，工業(yè)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(yè)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(yè)半徑的無人機高空巡檢，是遠遠無法滿足工業(yè)級實際生產(chǎn)需要的。
工業(yè)級無人機單價一般在2萬-8萬元，甚至也有數(shù)十萬元一架。無人機創(chuàng)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(xiàn)實的財務問題。
工業(yè)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(nèi)各大無人機廠商相繼進入這個領域。
預計到2025年，工業(yè)級無人機市場規(guī)模約400億，其中農(nóng)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(jīng)成為另一個獨立產(chǎn)業(yè)。無論國內(nèi)、國外都有很多非常成功的產(chǎn)品應用于實戰(zhàn)，例如：諾斯羅普·格魯曼公司生產(chǎn)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(yè)，開發(fā)滿足不同需求的專業(yè)無人機。
圖：全球鷹無人機
四、無人機技術現(xiàn)狀
續(xù)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(xù)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(xù)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(shù)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(yè)的快速良性發(fā)展，解決無人機電池續(xù)航能力迫在眉睫。
通信系統(tǒng)
無人機通信系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(jīng)制定無線電相關使用準則，規(guī)范無人機行業(yè)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(shù)量指數(shù)級增長，無人機通信系統(tǒng)干擾的問題，將日漸突出。
定位導航
無人機系統(tǒng)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(tǒng)定位精度在10-20米?；趯Ш叫l(wèi)星的無人機定位系統(tǒng)，各大無人機廠商優(yōu)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(wèi)星信號易干擾，精度穩(wěn)定性不足的問題有待解決。民用無人機依靠衛(wèi)星定位，在不用差分定位技術輔助的情況下，米級精度已經(jīng)是極限。這樣精度，在工業(yè)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(wèi)星信號與已知真實基準站坐標對比，實現(xiàn)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(xiàn)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(guī)定與法律法規(guī)
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(guī)定》，民用無人機登記注冊系統(tǒng)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(shù)據(jù)共享和查詢制度，實現(xiàn)與無人機運行云平臺的實時交聯(lián)。
2016年9月，《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)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(guī)范其空中交通管理的辦法。
2016年，《關于促進通用航空業(yè)發(fā)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(guī)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(qū)使用無人機，無人機駕駛員需要持有操作執(zhí)照。
2014年，《低空空域使用管理規(guī)定（試行）》征求意見稿，將低空空域分為管制空域、監(jiān)視空域和報告空域，其中涉及監(jiān)視、報告空域的飛行計劃，企業(yè)需向空軍和民航局報備。
2013年，《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，由中國AOPA協(xié)會負責民用無人機的相關管理。
劃定禁飛區(qū)、無人機摸底統(tǒng)計、操作員實名制，國內(nèi)無人機相關法律法規(guī)監(jiān)管政策，整體趨嚴，彰顯政府推進行業(yè)規(guī)范化發(fā)展的決心。
六、無人機行業(yè)未來發(fā)展趨勢
民用消費級無人機，持續(xù)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(zhì)復合材料、通信系統(tǒng)的發(fā)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(chǎn)業(yè)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(jié)合在民用航拍、影視航拍等場景得到了廣泛應用，實現(xiàn)銷售級市場的突破。
民用工業(yè)級無人機，技術突破前較難實現(xiàn)大規(guī)模應用
民用工業(yè)級無人機續(xù)航時間有待提升，目前有效續(xù)航時間普遍未超過30分鐘；工業(yè)級無人機飛行穩(wěn)定性有待提升，在風、雨、雪等復雜環(huán)境下無人機飛行穩(wěn)定性較差，還需改進；工業(yè)級無人機負載能力有待提升，小型工業(yè)無人機載重較差，制約在農(nóng)藥噴灑、物流等場景的應用。農(nóng)林、安防、電力三個領域的，受限于續(xù)航、載重、穩(wěn)定性因素制約，在技術突破前，較難實現(xiàn)民用工業(yè)級無人機的大規(guī)模應用。另外工業(yè)級無人機的價格昂貴，在追求投資收益的生產(chǎn)應用領域，也是需要考慮的現(xiàn)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(xù)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(jié)合起來實現(xiàn)的無人機系統(tǒng)。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(jié)構大小、制作材料可以根據(jù)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(huán)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(yè)。在不需要無人機大范圍機動的定位觀察、基地安全、景區(qū)監(jiān)測、地質(zhì)勘測、野外作業(yè)、森林防火、應急通信、公安反恐、交通監(jiān)管、新聞采訪、工程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)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(yè)模式
數(shù)千架無人機編隊飛行表演，在廣州、成都、西安等多地上演，數(shù)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(fā)生碰撞。強烈的視覺震撼，已經(jīng)獲得市場的廣泛認可。無人機千機編隊表演，無數(shù)“螢火蟲”點亮夜空，已經(jīng)成為獨立商業(yè)模式，將持續(xù)擴大影響。
無人機相關行業(yè)監(jiān)管政策，將逐步趨嚴
無人機在推廣和使用過程中，出現(xiàn)了一系列的安全隱患和監(jiān)管漏洞，比如誤闖禁飛區(qū)、小區(qū)飛行干擾休息等，這類現(xiàn)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(nèi)對公共安全領域的高度關注，無人機監(jiān)管政策總體趨嚴。
七、小結(jié)
無人機是未來航空發(fā)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(wěn)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(zhì)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(zhì)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(wǎng)絡控制皆存在可靠性低，抗干擾能力弱，穩(wěn)定性不足的制約。航空普遍使用的GPS/北斗定位系統(tǒng)、氣壓計測高系統(tǒng)、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(yè)級無人機大規(guī)模、高精度、穩(wěn)定應用還有待時日。個人認為，在無人駕駛汽車大規(guī)模商業(yè)應用前，無人機不具備無人應用條件。
近年隨著無人機行業(yè)的快速發(fā)展，消費級無人機市場已經(jīng)進入成長期，國內(nèi)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(yè)級無人機市場，還在前期探索期，快速成長還有待全行業(yè)的共同努力。
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