无人机技术现状及无人机行业未来发展趋势
导读
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。
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。详见下图：
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。
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。
无人机的飞行平台主要分为固定翼无人机、多旋翼无人机、直升无人机、其它无人机等，各飞行平台的优势、劣势、特点如下：
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。
多旋翼无人机
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。
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。
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。
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。
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。
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。
固定翼无人机
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。
无人机应用领域汇总如下：
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。
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。
工业级无人机单价一般在2万-8万元，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。
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。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。
全球鹰无人机
无人机技术现状
续航
市面上的无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，续航能力一般在20分钟至30分钟之间。因无人机技术方案不同，续航时间有所差别，无人机需要尽可能减轻起飞重量，所以无法携带较重的大容量电池，大多数无人机维持二十分钟有效飞行之后，就必须更换电池或者插上充电线。无人机电池充电时间，一般每次一个小时以上。这是无人机一个致命的短板，大大限制了行业的快速良性发展，解决无人机电池续航能力迫在眉睫。
通信系统
无人机通信系统，目前主要使用900MHz、1.4GHz、2.4GHz无线电频段，其中1.4GHz主要作为数据通讯频段，2.4GHz主要作为图像传输频段，900MHz不建议使用。工信部已经制定无线电相关使用准则，规范无人机行业的无线电频段使用。公共无线电通信链路，抗干扰能力弱，尤其是同频干扰无法避免。只需采用几种特殊干扰方法，就可以实施对无人机指定无线电频段的定向干扰，今年五一西安无人机编队表演异常就是通信信号干扰造成的。随着无人机的数量指数级增长，无人机通信系统干扰的问题，将日渐突出。
定位导航
无人机系统的定位导航，普遍采用GPS和北斗双模模式。GPS定位分为码定位和载波定位，码定位速度快，一般民用精度为3-10米，军用精度为0.3米；载波定位速度慢，不分民用和军用。北斗系统定位精度在10-20米。基于导航卫星的无人机定位系统，各大无人机厂商优化自己的算法，使精度勉强达到米级。但受地形、天气等客观条件影响，导航卫星信号易干扰，精度稳定性不足的问题有待解决。民用无人机依靠卫星定位，在不用差分定位技术辅助的情况下，米级精度已经是极限。这样精度，在工业应用领域远远不够。米级的定位精度，不足以支撑无人机自动控制。
差分辅助定位技术，其原理是通过GPS或北斗卫星信号与已知真实基准站坐标对比，实现快速厘米级精度定位。无人机千机编队表演基本都采取这种技术，但在自由空间中，不具备这样条件。
避障
避障技术，对于主流的无人机飞行至关重要，但现有的解决方案仍处于探索阶段。为确保公共安全，需要不断改进传感器、传感算法和无人机设计。无人机避障技术主要有四套解决方案：红外线传感器方案、超声波传感器方案、激光传感器方案以及视觉传感器方案。在地面行驶的无人汽车避障问题彻底解决之前，无人机避障技术还有漫长路要走。
无人机相关规定与法律法规
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。
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，整体趋严，彰显政府推进行业规范化发展的决心。
无人机行业未来发展趋势
民用消费级无人机，持续高速增长
民用消费级无人机市场的高速增长不可避免。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，使得多旋翼无人机操作更灵活、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，消费级无人机价格大幅降低，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，实现销售级市场的突破。
民用工业级无人机，技术突破前较难实现大规模应用
民用工业级无人机续航时间有待提升，目前有效续航时间普遍未超过30分钟；工业级无人机飞行稳定性有待提升，在风、雨、雪等复杂环境下无人机飞行稳定性较差，还需改进；工业级无人机负载能力有待提升，小型工业无人机载重较差，制约在农药喷洒、物流等场景的应用。农林、安防、电力三个领域的，受限于续航、载重、稳定性因素制约，在技术突破前，较难实现民用工业级无人机的大规模应用。另外工业级无人机的价格昂贵，在追求投资收益的生产应用领域，也是需要考虑的现实问题。
系留无人机，应用场景广阔
在电池技术未突破，无人机续航问题未解决前，一种通过外接电线的系留无人机值得关注。系留无人机是将无人机和系留综合缆绳结合起来实现的无人机系统。系留无人机通过光电综合缆绳给无人机传输电能，使无人机可以不受电能限制而长时间停留在空中，其结构大小、制作材料可以根据应用需求来灵活设计，机动性较强，很好的满足了部分工作环境对无人机长时间滞空需求。
系留无人机减轻了电池负荷，通过一根电线为无人机提供电能，同时利用电线对无人机进行有线控制、图像传输具有极高的抗干扰能力。由于是地面电源有线输入，理论上系留无人机可以无限滞空作业。在不需要无人机大范围机动的定位观察、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻采访、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等领域，有广泛应用前景。
无人机千机编队文艺演出，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。
无人机相关行业监管政策，将逐步趋严
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。
小结
无人机是未来航空发展趋势之一，当前在航空机体材料、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，以多旋翼无人机为主小型民用无人机将成为市场热点。由于航程短、航速慢等特点，多旋翼无人机在安全级别低、稳定性要求低、在无滞空时间特殊要求的领域，有较大的应用空间，特别是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。
由于目前电池技术未实质性突破，多旋翼无人机滞空时间普遍在20-30分钟左右，无线电或4G/5G无线网络控制皆存在可靠性低，抗干扰能力弱，稳定性不足的制约。航空普遍使用的GPS/北斗定位系统、气压计测高系统、加速计、陀螺仪、地磁仪等设备精度远远未达到无人控制的精度要求，因此真正工业级无人机大规模、高精度、稳定应用还有待时日。个人认为，在无人驾驶汽车大规模商业应用前，无人机不具备无人应用条件。
近年随着无人机行业的快速发展，消费级无人机市场已经进入成长期，国内无人机研制领域原有的竞争格局渐被打破，市场格局正处于巨变和重塑的过程中。工业级无人机市场，还在前期探索期，快速成长还有待全行业的共同努力。
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