（常州大學(xué) 懷德學(xué)院，江蘇 泰州 211700）

1 工業(yè)無人機國內(nèi)外市場

隨著無人機逐漸由軍用向民用溢出，國外出現(xiàn)了像3DRobotics、Parrot、AscTec 之類的無人機廠商。但是，由于各國對飛行器管制較為嚴格，國外無人機發(fā)展受到約束，不能大規(guī)模普及開來。目前,全球大多數(shù)國家都在大力發(fā)展無人機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。近年來，美國和歐洲等國家研發(fā)無人機并且運用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。2020年全球無人機的市場規(guī)模持續(xù)增長,無人機市場規(guī)模高達200多億美元。

近年來，隨著我國集成制造的普及,無人機基礎(chǔ)零部件生產(chǎn)開始邁向小型化、低成本、低能耗方向發(fā)展,無人機制造成本不斷走低,同時伴隨著人工智能、5G通信等新技術(shù)的逐步完善應(yīng)用,無人機行業(yè)迎來新的發(fā)展機遇,行業(yè)在良好的發(fā)展環(huán)境中迅速增長,行業(yè)規(guī)模不斷擴大。2019年底,我國工業(yè)無人機專利申請量為6320項。2009年之前,我國工業(yè)無人機專利申請量較少，2011年開始,我國工業(yè)無人機專利申請量迅速增加。2017年，我國工業(yè)無人機專利申請量為1702項，是近年來我國工業(yè)無人機專利申請量最高的年份。2019年我國工業(yè)無人機專利申請量為783項。

隨著國內(nèi)對無人機發(fā)展的法律法規(guī)指引也在不斷跟進,使無人機行業(yè)朝著規(guī)范化、標準化方向發(fā)展。國內(nèi)陸續(xù)制定了相關(guān)政策,未來國內(nèi)可能會開放1000m 高度內(nèi)航空管制,同時由于無人機發(fā)展迅速,不同廠家不同產(chǎn)品的不兼容給新產(chǎn)品的推廣帶來阻力。我國無人機行業(yè)經(jīng)歷了一個迅猛的發(fā)展過程,不同廠家生產(chǎn)的無人機有著各自的產(chǎn)品特點,不同廠家的無人機之間、相同廠家的不同產(chǎn)品之間往往不能做到很好兼容。并且工業(yè)無人機的重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象嚴重,缺乏平臺化、模組化開發(fā),因此針對上述市場環(huán)境分析,工業(yè)無人機的前景較為廣闊,并且面臨著相當具有優(yōu)勢的市場契機。[1]

2 工業(yè)無人機存在的問題

近年來,工業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域遍及公安、林業(yè)、鐵路、城建、消防等多個行業(yè),應(yīng)用方式以無人機作為載具掛載功能載荷進行空中作業(yè)為主。雖然工業(yè)無人機行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品種類繁多,但普遍存在諸多不足,主要有以下幾點:

2.1 載具與載荷通用性不足

工業(yè)無人機的應(yīng)用形式一般是,以無人機為承載工具,將功能載荷運送到空中完成任務(wù)。執(zhí)行不同的任務(wù)一般需要不同的載荷。這意味著,載荷更換的靈活和方便程度,直接影響產(chǎn)品的使用效率。雖然市面產(chǎn)品一般都是將載具無人機和功能載荷分開設(shè)計,但客戶需要使用的各種載荷往往并不相互兼容,即使具有兼容性,也不能實現(xiàn)不同載荷的快速替換。并且完成替換后,還需要對載具無人機再次進行配置甚至是重新編寫固件,才能開始新的作業(yè)。這限制了載具和載荷的充分有效使用。

2.2 可定制性差

目前市售工業(yè)無人機產(chǎn)品大多采用與消費級無人機相同的系統(tǒng)架構(gòu),即以飛行控制器(簡稱FC)為中心,慣性測量單元(簡稱IMU)、遙控接收機(簡稱RCR)為周邊電子模塊的星型架構(gòu),產(chǎn)品定制涉及底層軟件的修改,并且周邊模塊不能隨意替換和增減,不同的產(chǎn)品具有不同的底層代碼和配置參數(shù),這都嚴重限制了定制的靈活度與快捷性。

2.3 缺乏自主集群協(xié)同作業(yè)能力

市售工業(yè)無人機產(chǎn)品一般只能單機作業(yè),如果要求多機配合作業(yè),則需要在產(chǎn)品設(shè)計和設(shè)置上避免干擾與串控,執(zhí)行作業(yè)前還必須反復(fù)細致規(guī)劃操作方案,作業(yè)時也需要多位有經(jīng)驗的飛手共同操作以保證安全,這使得集群協(xié)同作業(yè)難以進行。

2.4 控制方式單一

目前無人機的姿態(tài)和動作控制均采用傳統(tǒng)的推桿、旋鈕、按鈕方式控制,信息回傳也基本局限于顯示器上的圖像和文字顯示,在某些回傳信息頻繁的應(yīng)用中,操作者可能需要不斷在飛行器和顯示器間切換視線,這會增加飛手誤操作的可能。

2.5 續(xù)航時間短

市售工業(yè)無人機的續(xù)航時間最多為40分鐘，這對于一般的巡檢和救援應(yīng)用而言都顯得較為緊張,在一些要求較長時間不間斷作業(yè)的場合下無法完成任務(wù)。

3 相應(yīng)對策

針對上述關(guān)于工業(yè)無人機所提出的問題,羅列了以下具體的解決方案:

一是，針對載具的載荷通用性不足的問題,可采取將工業(yè)無人機改造成具有模組化的載具與載荷架構(gòu),因而可以讓用戶自行快拆快裝不同載荷,飛行器對新的載具能夠自動識別、自動匹配動力和通信資源。

二是，采用高度通用的智能裝備數(shù)據(jù)鏈和空地數(shù)據(jù)鏈作為“一戰(zhàn)多機”和“多機協(xié)同”的基礎(chǔ),基于自行設(shè)計定義的智能數(shù)據(jù)鏈協(xié)議將其移植到航測平臺(無人機)飛行控制核心和地面數(shù)據(jù)鏈整合單元的嵌入式平臺上,在最大程度上解決了無人機和工作站的通信問題,實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸路徑與需求的高效整合。另外,由于協(xié)議架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的應(yīng)用層上,建議可以兼容多種物理層傳輸媒介,如常見開放式點對點900MHz/2等等,這將極大地擴展了無人機和地面工作站的通信距離,提供多種通信方式選擇,從近距離2km(WiFi 通信)到中遠距離22-100km(點對點通信),再到遠距離(3G/4G 通信)。

三是，通過“一機多用”、“一站多機”、“多機協(xié)同”三個層次的技術(shù)理念,可實現(xiàn)不同無人機和不同應(yīng)用載荷的快速自由組合和切換,同一地面工作站可以同時控制多架航測平臺(無人機)搭載不同任務(wù)設(shè)備從多維度開展作業(yè),快速擴展行業(yè)深度應(yīng)用。

四是，自研跨平臺的“五遙一體”,將各種數(shù)據(jù)整合在一條完備的數(shù)據(jù)鏈路中,實現(xiàn)“五遙一體”避免多種通信制式、通信模塊的同時存在,相互影響,相互干擾；將應(yīng)用層等多參量、異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)融合及ns 級的全局時間同步,實現(xiàn)精準的航測數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

五是，高能效比與智能動力匹配是續(xù)航時間長、載重能力強的基礎(chǔ)。航時與載重是無人機空中作業(yè)的軟肋,對用戶需求進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),大部分的應(yīng)用中,航測平臺(無人機)續(xù)航時間超過60分鐘才能良好完成任務(wù),而業(yè)內(nèi)產(chǎn)品大多達不到這一指標。改善該問題的方向主要有系統(tǒng)架構(gòu)、軟件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計三個方面綜合影響。通過動力算法技術(shù)使得無人機能效高,而且能夠根據(jù)具體需求與配置情況,自動調(diào)整動力特性,因而使得續(xù)航時間與載重能力達到同類產(chǎn)品的2-3倍。

4 行業(yè)對無人機的需求

4.1 電力產(chǎn)業(yè)

電力行業(yè)是工程量巨大、作業(yè)危險性高的行業(yè),輸電、發(fā)電等各個環(huán)節(jié),都涉及到諸多安全性問題。比如高壓輸電線路的巡檢、高壓鐵塔健康狀況的檢測、清障等,這些工作如果交由人力完成,不僅工作效率低,而且有一定的危險性。工業(yè)無人機通過多臺標準飛行器搭載各類載荷,能夠完成可見光/紅外/紫外波段的輸電線路高空巡檢工作、高空喊話、及噴火清障功能,且各飛行器之間相互協(xié)同作業(yè),由地面站統(tǒng)一調(diào)配。借助工業(yè)無人機,可以輕松完成電力行業(yè)的大部分故障監(jiān)測和檢修工作。

4.2 能源行業(yè)

能源行業(yè)大多地處偏僻,像煤礦、油田等地方,占地面積較大,同時又有巨大工作量,如盤存與測繪工作,依靠人力往往難以精準實現(xiàn),航測AI平臺為快速的作業(yè)和精準監(jiān)測帶來新思路,實用性高,為企業(yè)提供高性價比的解決方案。在能源行業(yè)中,依靠工業(yè)無人機可以實現(xiàn)煤礦的地形勘探和測繪,風(fēng)力發(fā)電機的葉片巡檢和風(fēng)電場的巡視、光伏產(chǎn)業(yè)中太陽能電池的故障提取等。

4.3 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)保行業(yè)中涉及大部分地形復(fù)雜,環(huán)境惡劣的區(qū)域,可能存在一定安全隱患,測繪、監(jiān)測、清掃等工作不適宜人工完成。而使用工業(yè)無人機,可以輕松穿越各種地形,從容進入各種危險地區(qū),比如核污染或者生化污染區(qū)域。通過攜帶不同的載荷,實現(xiàn)氣象監(jiān)測,核輻射污染監(jiān)測,水質(zhì)檢測等各種應(yīng)用,完美覆蓋整個環(huán)保行業(yè)。[2]

5 市場契機

利用PEST分析法,對當前無人機行業(yè)進行宏觀環(huán)境分析工業(yè)無人機面臨的市場契機。

5.1 政策環(huán)境

我國對無人機發(fā)展的法律法規(guī)指引也在不斷跟進,使無人機行業(yè)朝著規(guī)范化、標準化方向發(fā)展。國內(nèi)陸續(xù)制定了關(guān)于無人機的管理相關(guān)政策,未來國內(nèi)可能會開放1000m高度內(nèi)航空管制；2017年5月17號,民航局下發(fā)《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規(guī)定》對250克以上的民用無人機進行登記管理。行業(yè)逐步規(guī)范化、標準化將改善無人機行業(yè)的生態(tài),為團隊的發(fā)展提供更好的環(huán)境。

5.2 經(jīng)濟環(huán)境

“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”是時代發(fā)展的必然結(jié)果，隨著我國互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的高速發(fā)展,使得無人機行業(yè)不再停留于飛行控制的研究,繼而轉(zhuǎn)向利用通信技術(shù)完成各種任務(wù)。工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用無人機替代人力進行作業(yè),如電力巡檢、搶險救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測等業(yè)務(wù)領(lǐng)域,這些領(lǐng)域的作業(yè)往往具有工作耗時長、人力成本高、人工作業(yè)危險的特點。而采用無人機作業(yè),則可以針對這些問題起到提高工作效率、降低人力成本、降低作業(yè)危險的效果。這對企業(yè)提高質(zhì)量起到了關(guān)鍵性的作用。

5.3 社會環(huán)境

無人機發(fā)展迅速,不同廠家不同產(chǎn)品的不兼容給新產(chǎn)品的推廣帶來阻力。我國無人機行業(yè)經(jīng)歷了一個迅猛的發(fā)展過程,不同廠家生產(chǎn)的無人機有著各自的產(chǎn)品特點,但是不同廠家的無人機之間、相同廠家的不同產(chǎn)品之間往往不能做到很好兼容。一是現(xiàn)在的無人機往往是針對客戶特定需求進行開發(fā)設(shè)計交付的,因此當用戶有了新的應(yīng)用需求情景時，就需要重新購買無人機；二是無人機產(chǎn)品的推新速度往往快于其使用壽命,當有了新的技術(shù)產(chǎn)品,客戶如果想采購就需要承擔(dān)較大的更新成本。這樣的環(huán)境就為新產(chǎn)品的推廣帶來了阻力。

機器人協(xié)同作業(yè)的需求無法得到很好滿足，除了無人機外還有其他的工業(yè)機器人也在為企業(yè)的生產(chǎn)助力。不同廠家采用不一樣的技術(shù)架構(gòu),指定不同的技術(shù)標準,當客戶需要整合其工業(yè)機器人進行協(xié)同作業(yè)時就遇到了麻煩。企業(yè)采用各類機器人的本意是提升工作效率,但同時操作不同的機器人進行作業(yè)往往比較困難,反而降低了工作效率。

5.4 技術(shù)環(huán)境

大部分工業(yè)無人機都是消費無人機的復(fù)刻版,面對工作環(huán)境存在諸多缺陷。近年工業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,相關(guān)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),但從技術(shù)架構(gòu)和產(chǎn)品原理上看,大都是消費無人機的復(fù)刻版,這樣的出發(fā)點導(dǎo)致市面現(xiàn)有產(chǎn)品存在著諸多缺陷。例如:可靠性不佳,遠距離通訊不穩(wěn)定、易丟失、效率低,容易出現(xiàn)動力丟失導(dǎo)致墜機的情況；載荷通用性不強,使用者在對無人機進行功能更換的時候,需要涉及繁雜的機械裝配和軟件配置工作,甚至需要返廠改裝,嚴重限制了無人機的適用范圍和運用效率；可定制性差,不同機型、不同載荷需要采用不同的軟件,難開發(fā)、難維護、容易留藏隱患,這個問題在產(chǎn)品系列變多的時候?qū)⒂绕涿黠@；難以多機協(xié)同作業(yè),如果需要多機共同執(zhí)行任務(wù),飛行前需要提前規(guī)劃作業(yè)方案,飛行時需要多位飛手共同操作,執(zhí)行過程風(fēng)險高；續(xù)航時間短,載重能力差,嚴重限制了應(yīng)用場景和作業(yè)范圍；控制方式單一,操作局限于遙控器上的推桿和旋鈕,操作時需要在飛行器和顯示器間頻繁切換視線,操作者易疲勞、易失誤。

工業(yè)無人機的重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象嚴重,缺乏平臺化、模組化開發(fā)。由于工業(yè)無人機的開發(fā)往往是針對客戶的特定需求進行的,為了更好的滿足社會行業(yè)發(fā)展的需要,在開發(fā)時會從無人機的飛行控制系統(tǒng)開始,一直到到掛載系統(tǒng)進行從頭設(shè)計。但是,隨著企業(yè)的技術(shù)逐步積累,無人機的飛行控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)性、平臺性功能其實是重復(fù)開發(fā)的,這樣的開發(fā)非常耗時,也不能對不同客戶的需求進行快速響應(yīng)。如果能仿照個人計算機、或者通用機械的發(fā)展歷程,采用平臺化、模組化開發(fā),將一些重復(fù)模塊進行標準化處理,那么在面對紛繁復(fù)雜的客戶需求時，只需要進行模組化拼裝,將極大地提升無人機行業(yè)的效率。[3]