民用無人機應(yīng)用發(fā)展概述

黃澤滿，劉 勇，周 星，陳天偉，梁毅東

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510640）

民用無人機應(yīng)用發(fā)展概述

黃澤滿，劉 勇*，周 星，陳天偉，梁毅東

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510640）

無人機是一種有動力、可控制、可執(zhí)行多種任務(wù)的無人駕駛航空器.除軍事領(lǐng)域外，近年來無人機越來越多的應(yīng)用于民用方面.本文主要介紹了民用無人機的結(jié)構(gòu)、特點，以及其在遙感航拍、抗震救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、通信中繼和快遞服務(wù)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出其存在的問題及發(fā)展趨勢.

民用無人機；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

前言

無人機是一種有動力、可控制、可執(zhí)行多種任務(wù)的無人駕駛航空器，自誕生以來，主要應(yīng)用于軍事方面，作為智能化和信息化的武器，無人機在偵察、監(jiān)視、通信、遠距離攻擊等方面發(fā)揮了重要的作用.近年來，無人機在民用方面的應(yīng)用也越來越多，各國在無人機的民用方面逐漸開放.無人機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個領(lǐng)域.在過去幾年，英國已經(jīng)向130多家企業(yè)和政府機構(gòu)頒發(fā)許可，美國簽發(fā)了1400多份許可.毫無疑問，隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，民用無人機將迎來井噴式的發(fā)展，應(yīng)用前景十分廣闊.

1 民用無人機系統(tǒng)的構(gòu)成及其特點

1.1 民用無人機系統(tǒng)的構(gòu)成

民用無人機系統(tǒng)主要包括無人機機身、飛行管理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射/回收系統(tǒng)和電源等，其中，飛行管理與控制系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的核心，其對無人機的飛行性能起決定性作用.飛行管理與控制系統(tǒng)一般分為機上和地面兩個部分，機上部分包括姿態(tài)穩(wěn)定與控制、飛行軌跡和導(dǎo)航控制、自主飛行控制、飛行安全控制及起飛與著落飛行控制等；地面部分包括飛行監(jiān)控與顯示、飛行定位及飛行操作和指令系統(tǒng)等.數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要保證無人機與地面飛控之間的的遙控指令傳輸和信息反饋，發(fā)射/回收系統(tǒng)則主要保證無人機起飛與著落的順利.

1.2 無人機的特點

與載人飛機相比，無人機因為具有體積小、造價低、使用方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點而備受世界各國軍隊的青睞.如今，無人機不僅僅被應(yīng)用于軍事方面，其在民用方面的應(yīng)用也越來越廣泛.無人機體積小，造價和使用成本低、使用靈活、作業(yè)效率高，在執(zhí)行枯燥、長時間的任務(wù)時，具有有人機所不可比擬的優(yōu)勢，因此除了應(yīng)用于軍事以外，還常常用于遙感航拍、抗震救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、通信中繼和快遞服務(wù)等方面.以農(nóng)業(yè)噴藥滅蟲為例，南京農(nóng)機化研究所的無人機，在上海崇明島進行水稻病蟲害航空藥物噴灑作業(yè)時，單臺飛機作業(yè)效率可以達到1500hm2/h，每天作業(yè)面積7500～12000hm2，是地面機械的數(shù)倍，人工噴灑的30～60倍，并且可以有效避免漏施誤施[1].無人機的使用，能大大提高作業(yè)效率.

2 民用無人機的應(yīng)用現(xiàn)狀

無人機以其優(yōu)越的性能，以及一些有人機所不可比擬的優(yōu)勢，在遙感航拍、抗震救災(zāi)、農(nóng)林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、通信中繼和快遞服務(wù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用.

2.1 無人機在遙感航拍方面的應(yīng)用

無人機遙感系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是利用先進的無人機智能控制技術(shù)、定位技術(shù)、通訊技術(shù)和遙感遙測技術(shù)，自動化、智能化地獲取地理、環(huán)境等空間遙感信息.它具有靈活機動、高效快速、精細準確、作業(yè)成本低等特點，已經(jīng)在氣象監(jiān)測、資源開發(fā)、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、攝影測量等方面取得了一定的成果.利用無人機遙感系統(tǒng)航拍檢測區(qū)域來實時獲取影像數(shù)據(jù)，通過與前時相數(shù)據(jù)（衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)）對比分析，可以從中發(fā)現(xiàn)疑似違法用地區(qū)域，從而實現(xiàn)對土地動態(tài)監(jiān)測和違法用地行為的實施監(jiān)督檢查，及時掌握土地變化信息，可為集約、節(jié)約用地提供科學(xué)依據(jù)[2].利用無人機搭載非量測數(shù)碼像機獲取低空影像，正以其低廉的價格和極大的便利性吸引了越來越多的關(guān)注，成為攝影測量領(lǐng)域的研究熱點.例如：在利用無人機防雷方面，通過掛載高分辨率攝像、照相機可以對樓頂?shù)母鞣N接閃器的銹蝕、虛接、倒伏等狀況進行檢查，從最直觀的角度排查防雷裝置存在的問題[3].

2.2 在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用

無人機在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用十分廣泛，幾乎涵蓋整個地球生態(tài)系統(tǒng)[4]，其中包括：土壤侵蝕情況的監(jiān)控、植被變化的監(jiān)測、生物棲息地評價、海洋及海岸帶生態(tài)環(huán)境變遷分析、城市的規(guī)劃與環(huán)評分析、大氣污染的定量評價等.例如：王洋等[5]基于TM S320F2812設(shè)計了精度較高的小型無人機大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；閆軍等[6]根據(jù)無人機航拍的圖片，統(tǒng)計了鹽池縣城綠地面積.

2.3 無人機在抗震救災(zāi)方面的應(yīng)用

無人機不怕疲勞不怕危險，使用便捷，即使在極限氣象條件下，也能進入災(zāi)區(qū)進行災(zāi)情圖像信息的獲取，為災(zāi)害范圍和受災(zāi)面積的計算，以及災(zāi)害損失的評估提供科學(xué)依據(jù)，是抗震救災(zāi)的有力武器.2008年5月，四川汶川里氏8.0級大地震發(fā)生后，民政部國家減災(zāi)中心等單位立即攜帶兩架“千里眼”無人機航空遙感系統(tǒng)趕赴災(zāi)區(qū)，投入到抗震救災(zāi)的第一線.該“千里眼”無人機航空遙感系統(tǒng)采用低空偵察拍攝的方式，對北川縣震后的景象進行拍攝，并通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)將圖像傳回，為災(zāi)情的評估和救災(zāi)的決策提供強有力的科學(xué)依據(jù)，

2.4 在農(nóng)林業(yè)方面的應(yīng)用

世界上第一臺農(nóng)用無人機出現(xiàn)在1987年，Yamaha公司受日本農(nóng)業(yè)部委托，生產(chǎn)出20kg級噴藥無人機“R-50”，經(jīng)過將近20多年的發(fā)展，目前日本擁有2346架已注冊農(nóng)用無人直升機，操作人員14163人，成為世界上農(nóng)用無人機噴藥第一大國.我國系統(tǒng)研究微小型無人機航空施藥噴霧技術(shù)開始于2008年，由國家863計劃項目資助，針對單旋翼無人機低空低量施藥技術(shù)進行研究.截至2012年末，生產(chǎn)航空施藥無人機整機與配套設(shè)備的企業(yè)達80余家.在林業(yè)應(yīng)用方面，2013年6月3日，我國自主研發(fā)的Z5型無人直升機在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空護林站首航成功，這也是中型無人機首次應(yīng)用于林業(yè)系統(tǒng).該機搭載防火智能遙感監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的實時回傳，為森林火災(zāi)的快速探測定位與綜合指揮調(diào)度提供依據(jù).

2.5 在通信中繼方面的應(yīng)用

無人機的一個重要應(yīng)用是實現(xiàn)空中的通信中繼.當?shù)卣稹⑴_風(fēng)、泥石流或海嘯等自然災(zāi)害發(fā)生的時候，其破壞力往往會造成一定范圍內(nèi)原有通信系統(tǒng)（包括有線和無線）的損壞，此時災(zāi)情需要及時了解，救災(zāi)信息需要快速傳遞，如何快速構(gòu)建一個便捷、低成本的應(yīng)急無線局域通信網(wǎng)，及時在災(zāi)區(qū)和救災(zāi)指揮中心之間形成有效的通信聯(lián)系，就成為一個迫切需要解決的問題.無人機成本較低，使用便捷，可作為空中的通信中繼機，能迅速構(gòu)建一個應(yīng)急無線局域通信網(wǎng)，從而為救災(zāi)的順利開展贏得寶貴的時間.

08年5月12日發(fā)生在四川汶川的里氏8.0級大地震，其巨大的破壞力摧毀了震中區(qū)域所有的通信設(shè)施，同時，由于地震后的氣象條件十分惡劣，載人的飛機和直升機無法在其空域作長時間的停留，致使外界與災(zāi)區(qū)的聯(lián)系在相當長的一段時間內(nèi)被迫中斷.此時此地，由于無人機使用成本低，不存在人員疲勞和安全問題，因此，以無人機作為通信中繼機，可徹底改變這種局面.通信中繼無人機可長期盤旋在災(zāi)區(qū)上方相對寧靜的平流層進行不間斷的高空巡航，避開中低空天氣多變的對流層空域，從而可在外界與災(zāi)區(qū)之間搭建起一條無形的溝通“橋梁”.

最近，清華大學(xué)的徐贊新等[7]提出了一種支持移動自組網(wǎng)通信的多無人機中繼網(wǎng)絡(luò)，該多無人機中繼網(wǎng)絡(luò)，可解決移動自組網(wǎng)中移動和活動范圍擴大等因素所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)連通性的變化問題，以多無人機中繼網(wǎng)絡(luò)支持移動自組網(wǎng)通信的研究正受到越來越多的關(guān)注.

2.6 無人機在快遞業(yè)中的應(yīng)用

無人機在快遞領(lǐng)域中的應(yīng)用，無疑是民用無人機發(fā)展和研究的另一個熱門領(lǐng)域，已經(jīng)取得了不少成果.在國內(nèi)，胡家祺和孫澤波組成名為linkall的團隊[8]，設(shè)計出一種4旋翼環(huán)繞中央機身布局，蛋殼外形的名為“智能蜂”的快遞無人機系統(tǒng).該系統(tǒng)氣動性能優(yōu)良，能接收由“北斗”或GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信息計算出來的最佳路徑進行飛行.通過機上傳感器進行感知避障，可順利完成快遞任務(wù).目前，該團隊已應(yīng)北京一家第三方餐飲快遞公司之邀，進行無人機送快餐的規(guī)劃嘗試.此外，國內(nèi)快遞業(yè)巨頭順豐速運公司也聲稱，該公司正在深圳和東莞等城市進行無人機配送服務(wù)的測試.

在國外，美國總統(tǒng)奧巴馬于2012年簽署新法案，要求美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）修改規(guī)定，允許地方政府、私營公司和普通人使用小型無人機.受此影響，美國速運公司UPS和電商巨頭亞馬遜等紛紛宣布，已正在進行無人機送貨項目的試驗.無人機的這項服務(wù)，可以為人類提供非常大的便利，極大的提高了運送效率.

3 民用無人機的發(fā)展趨勢

3.1 智能化

隨著無人機應(yīng)用的不斷推廣，人工智能和群體智能等技術(shù)在無人機上得到廣泛應(yīng)用，無人機的自主飛行及自動尋找與識別目標的能力將會大大提高，屆時，無人機將可根據(jù)不同環(huán)境做出相應(yīng)決策，從而使得對無人機的操控從直接控制逐步轉(zhuǎn)向監(jiān)督控制.此外，不同型號的無人機將可共享獲得的信息，可實現(xiàn)通用的控制.

3.2 低成本、模塊化

現(xiàn)今的民用無人機，受限于續(xù)航能力、載重能力和智能控制等因素，使用成本還相對較高，只能小范圍使用.隨著科技的不斷發(fā)展及新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，無人機在續(xù)航、載重和智能控制等方面將會有較大的提高，無人機系統(tǒng)的系列化、模塊化和通用化也將成為可能.根據(jù)任務(wù)的不同，通過模塊化的組合及搭載設(shè)備的變換，可使無人機實現(xiàn)“一機多用”；通過無人機平臺和地面站的通用化，可使無人機實現(xiàn)“一機多能”，因此，無人機的使用成本定將不斷降低.

3.3 從單無人機向多無人機協(xié)作發(fā)展

在執(zhí)行高危或復(fù)雜任務(wù)的時候，由于無人機有一定的故障率和毀傷率，單靠一架無人機執(zhí)行任務(wù)，有可能導(dǎo)致任務(wù)的失敗.多無人機協(xié)作執(zhí)行任務(wù)，則在無人機一旦出現(xiàn)損毀時，可通過無人機任務(wù)的重新分配，提高完成任務(wù)的成功概率.此外，多無人機協(xié)作執(zhí)行任務(wù)，一方面可通過將復(fù)雜任務(wù)拆分給不同的無人機執(zhí)行，降低無人機運作的難度；另一方面多無人機可通過信息共享和相互配合，提高執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量和擴展執(zhí)行任務(wù)的能力.同時，多無人機協(xié)作還可并行執(zhí)行任務(wù)，縮短完成任務(wù)的時間，提高執(zhí)行任務(wù)的效率.

4 結(jié)論和展望

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的強力支持下，無人機以其優(yōu)越的性能、較強的環(huán)境適應(yīng)能力，無論是戰(zhàn)場還是在民用市場上，都將發(fā)揮著重要的作用.需要指出的是，無人機還存在一些問題制約其發(fā)展，例如：小型無人機由于機身重量較輕，易受大風(fēng)等惡劣天氣的影響；在實際使用過程中容易受到信道和其他因素的干擾；仍不能有效區(qū)分目標的真假，出現(xiàn)危機時無法根據(jù)情況選擇最佳方案等.然而，隨著智能無人機技術(shù)的不斷提高，無人機的安全性和自主控制性將會得到較大的改善，運營成本和風(fēng)險將會進一步降低，運營效率得到極大提高，屆時，無人機將會在不適合人直接操作的或需要高效低成本應(yīng)用的民用領(lǐng)域，獲得更為廣闊的發(fā)展空間.

〔1〕凌云.無人飛機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中前景無限[J].農(nóng)業(yè)機械,2013（7）：157-158.

〔2〕楊曉紅.無人機遙感系統(tǒng)在國土資源執(zhí)法監(jiān)察中的應(yīng)用研究[J].安徽地質(zhì),2013（9）：37-39.

〔3〕逯曦,李謖,李如箭.無人機航拍技術(shù)在防雷的應(yīng)用[R].S11第十一屆防雷減災(zāi)論壇,2013.

〔4〕朱京海,梁婷,徐光,等.無人機遙感技術(shù)在環(huán)境保護領(lǐng)域中的應(yīng)用進展[J].國防科技工業(yè),2011(9): 44-45.

〔5〕王洋.小型無人機大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].航空電子技術(shù),2010,41(1):7-11.

〔6〕閆軍,張允.無人機遙感在寧夏鹽池縣城區(qū)綠地調(diào)查中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2011,32(3):53-55.

〔7〕徐贊新,袁堅,等.一種支持移動自組網(wǎng)通信的多無人機中繼網(wǎng)絡(luò)[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011,50(9):150-155.

〔8〕陳全中.無人機送快遞幾時實現(xiàn)[J].大學(xué)生,2014 (6)：58-60.

V27

A

1673-260X（2014）12-0030-03

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目編號1056412064

*通訊作者：劉勇，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，高級工程師