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无人机的发展缘起

关键字:无人机,发展

2015-03-18

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。

早期的航空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) 环境下执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 年雅马哈公司采用摩托车发动机,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 公司及发明一款 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公司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”无人机非军事任务执行证书,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 To B 端各行各业无人机领域快速发展相比,近两年 To C 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。

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iPhone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,成本仅在几美元。另外GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。

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 公司是多旋翼无人机系统开源的鼻祖,其后 2011 年美国 APM 公司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、自动驾驶软件,同时覆盖地面设备的全套成熟解决方案,既可以驱动固定翼飞机、也可以驱动旋翼机,并且可以通过地面控制软件实时监控飞机飞行的卫星地图。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公司 Linux 推出了名为“Dronecode”的无人机开源系统合作项目,将 3D Robotics、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、工具和技术支持,加快无人机和机器人领域的发展。根据 Teal 航空市场调研公司的报告,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 亿美元。 Dronecode 开发界面囊括了无人越野车、无人固定翼飞机、无人直升机和各种多轴旋翼无人机等,吸收了 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

中国无人机相关政策: 走出了规范化的第一步

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执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

经历了长时间的等待,数次延期,2015 年 2 月 15 日,美国联邦航空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:无人机都必须避开飞机飞行路线和飞行限制区,必须严格遵守相关临时限飞令。无人飞机应避开人驾驶的飞机机场至少八公里。无人飞机飞行时,应始终维持于无线电操作者视界以内。

(3)驾驶员资格要求:无人机操作人员至少满 17 岁,需考取美国联邦航空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

CAP 722 是英国民航局在英国领空内对无人机使用的指导准则, 第四版的 CAP 722 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,CAP 722 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 cap 722 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飞机一样遵循相关的认证规范 (该规范由 EuroUSC 公司主导,该公司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飞机场附近飞行,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。

当前英国航空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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