系留無人機：創變催生行業新藍海
——來自天樞—100的實踐報告

系留無人機：創變催生行業新藍海
——來自天樞—100的實踐報告

輕型的多旋翼無人機已經越來越為人們所熟悉，然而一些固有的缺陷限制了其廣泛應用。運用創新思路提出新的解決方案，將為無人機應用行業帶來全新的藍海市場，也將帶動整個行業的自主創新和技術進步。

作為創新的一個案例，北京卓翼智能公司創造性地提出了系留無人機的概念。不但解決了傳統制約無人機應用的一些關鍵問題，也開創了一個全新的無人機門類，為廣泛的用戶行業帶來了突破性的解決方案。

傳統無人機的電力短板

近年來，輕型多旋翼無人機越來越廣泛地運用于軍事、安防、媒體、娛樂、通信、環保監測等領域。多旋翼無人機飛行穩定、操縱簡單，受到了用戶普遍歡迎。特別是起飛重量在100千克以下的多旋翼無人機，因為價格較低而得到廣泛應用。

然而，現有的輕型多旋翼無人機普遍存在嚴重的缺陷。主要問題在于動力系統，它的能量來源一般是自身攜帶的鋰電池。要靠這種有限的能量來供無人機飛行，還要給穩定平臺、相機、無線數傳等電子設備供電，對總體設計提出了嚴峻挑戰，也造成了嚴重的性能限制——多數輕型多旋翼無人機只能飛行一兩個小時，而且不能攜帶較大功率的有效載荷。

此外，因為能源不足帶來的動力不足，也迫使輕型多旋翼無人機只能在風力較小的環境里飛行，風稍大一點，就會把動力孱弱的無人機吹得無法控制，甚至墜毀。

能源不足，也嚴重限制了無人機的無線傳輸功率，由此導致抗干擾性能和通信能力嚴重不足。很多時候，民用輕型多旋翼無人機的飛行事故，都是控制鏈路受到干擾造成的。低發射功率也限制了實時傳輸的圖像質量。如果犧牲滯空時間來提升發射功率，又會對其他無線設備造成干擾。

無限電力的系留無人機

既然電力供應限制了輕型多旋翼無人機的性能，那么能不能換個思路來擺脫局限呢？電力機車靠外置電纜供電，兩套車頭就可以牽動萬噸級的列車；高速鐵路靠同樣靠外置電纜供電，可以實現350千米的時速。如果從外部用電纜給無人機供電，就可以讓它用上更大功率的電動機、更強健的結構系統，可以攜帶更大、更重的有效載荷。

當然，拖上一根電纜，會讓無人機像風箏一樣，只能在有限的高度和范圍里低速運動。但很多用戶并不需要無人機做大范圍高速機動，他們只需要用無人機把載荷吊上低空就可以了，但他們對無人機滯空時間的要求卻相當高——至少需要飛好幾個小時，這是電池驅動的電動無人機無論如何也做不到的。在一定程度上，我們可以認為，這些用戶需要的是一個可以移動的高塔。

也許有人會問，難道不能用氣球或者氣艇來解決問題嗎？這兩種飛行器固然可以長時間滯空，但它們的充氣卻需要幾個小時才能完成，在許多需要應急布設的場景下并不適合。當任務完成撤收的時候，還要消耗幾個小時。所以，對于那些時間安排緊湊的任務來說，氣球和氣艇并不合適。此外，當今的氣球和氣艇有三種填充氣體：氫氣、氦氣和熱空氣。氫氣本身易燃，熱氣球需要攜帶一個液化氣爐飛行，存在安全隱患。而氦氣成本高昂，除了少數軍用型號外，很少會有人采用氦氣飛艇。依靠外置電纜供電、能長時間留空的無人機，是絕大多數場景下的最優選擇。

引入電纜能夠為無人機帶來另外的好處。只要沿著電纜布設一根頭發絲粗細的光纖，就可以不受干擾地實現飛行控制和數據傳輸。沿著這根光纖，有效載荷設計師可以盡情傳輸高分辨率的圖像和大流量的數據，再也不用擔心發射功率、干擾之類的問題。操作員同樣可以放心地操控無人機平臺，不會干擾別人也不會受別人干擾。

當然，任何一種設想都不會輕易變成現實，要想用一根電纜加上光纖來驅動和操控無人機，還需要解決相當多的關鍵技術。更重要的，是需要一批有行動力的創業者。畢業于北京航空航天大學導航、制導與控制專業的任雪峰碩士帶領一批志同道合的年輕人，開始了系留無人機的研究。

研究伊始，雖然已經積累了豐富的無人機飛控和整機系統研發經驗，但團隊還是面臨著諸多系留無人機特有的關鍵技術問題有待解決：線纜自動控制技術、運動平臺自動跟隨技術、一鍵起飛和精準降落技術、抗風穩定性技術、精確定位技術、飛行精確控制技術、超輕光電復合電纜技術、有線控制技術、小重量大功率機載電源技術、備電無縫切換技術、異常情況下的飛行安全處理技術....這些問題一個個橫亙在任雪峰和他的團隊面前。

創業者總是攻堅克難，系留無人機研發團隊選擇了迎難而上。在接下來的一千多個日夜里，任雪峰和他的團隊忘我地投入了關鍵技術的攻關中，一遍遍地重復著研討、設計、開發、測試、改進的過程，這期間既經歷了失敗、失落，更享受了成功、喜悅，既有飛機突然自行降落后才發現忘開地面電源的低級失誤，也有一陣大風吹來飛機如釘子般穩穩釘在空中的高光時刻。就在失敗與成功交織伴隨的過程中，系留無人機團隊越來越成熟。

關鍵技術的解決，為系留無人機設想的實現鋪平了道路。經過不懈的努力，任雪峰團隊和他們的卓翼智能公司研制出了自主知識產權的系留無人機，這種被稱為天樞-100型號的系留無人機一經上市，就被諸多行業定制并投入到了商業運用。為了方便入門級用戶充分發揮無人機性能，天樞-100采用了簡易化操縱系統和操縱方式。根據系統設計，天樞-100可以一鍵起飛、一鍵回收，操作員不需要經過復雜的操作訓練就可以掌握。即使在風力較大的天氣情況下，無人機不能直接降落到起飛平臺，操作員也只需要回收電纜，再把無人機從地面抬回起飛平臺，收納起來。有些不熟練的操作人員很可能因為誤操作而切斷了無人機的電力供應。這時，天樞-100上的備用電池就可以發揮作用，在幾分鐘的時間內安全迫降到地面，避免無人機墜毀帶來的人身傷害和財產損失。

天樞-1 0 0使用模式分析

根據天樞-100的特點，可以設想這樣幾個應用場景。

（1）應急通信

大型體育比賽、文藝演出舉辦時，會有數萬甚至十多萬觀眾來到現場。高潮之處，人們往往會拿出手機，把精彩的畫面以及視頻拍攝下來，共享給親朋好友。但對于移動運營商來說，意味著在某個很小的區域內，出現了通信需求的井噴。同樣的情況也會發生在繁華商業區、春運車站和突發事件現場。一般來說，運營商會出動應急通信車來到現場，用升降桿部署天線，滿足突發性的通信需求。但是升降桿的高度是有限的，一般來說12米就是極限。這就導致天線必須面臨地物遮擋和反射的復雜問題。天樞-100系留無人機有能力攜帶重達8千克的有效載荷升空，而移動通信服務提供商常用的應急基站天線重量只有不到1千克。當無人機攜帶著天線上升到100米的空中，可以服務30千米半徑內的廣大用戶，而且不會被遮擋。

（2）要地監控與應急指揮

在這個復雜多變的世界上，反恐和安保已經成為日常生活的一部分。為了支撐社會的日常運行，電廠、燃氣站、油庫、車站、港口、自來水廠等民生設施的安保壓力與日俱增。自古以來，人們就用瞭望塔來滿足這樣的安保需求。但是高塔本身的造價和工期都讓人望而卻步。天樞-100可以攜帶一組多頻段的高分辨率監控設備，只用幾分鐘的時間就可以升到100米甚至200米高空，自由指向機下的任何一個方向，可以概覽也可以特寫，可以用可見光也可以用熱成像，為監控員提供無遮擋的監視手段。在一些大型固定設施的監控場景下，天樞-100還可以用市電直接提供能源，全壽命成本只有高塔的一個零頭。而且，高塔很少能達到上百米的高度。

當重要設施發生緊急情況，政府、公安、武警、消防、搶修、醫療、民政等所有部門都需要一種能持續監視現場的手段，支持現場指揮員的決策和指揮。在這個時候，天樞-100可以在幾分鐘內升空，開通可見光或者熱成像視頻，讓指揮員看個清楚。如果需要變換視角，可以發動汽車，天樞-100就會自動跟上。

（3）大氣監測

霧霾天氣越來越頻繁，環保部門的大氣成分監測工作，日夜不休。根據一些無人機愛好者的實際觀測，霧霾的高度一般在400米以下，這就給傳統的氣象觀測手段帶來了難題：地表儀器太低、氣象氣球太高。至于氣象火箭，它留空的時間實在太短。天樞-100雖然飛不到400米，但可以帶著儀器，在霧霾最為濃厚的200米以下高度精密監測。更重要的是，作為動力強勁的系攬飛行器，系留無人機可以精確控制高度。理論上，它可以一米一米地升降，精確地測定霧霾隨高度如何變化，甚至可以精確監測一街之隔的兩個小區的霧霾程度有什么不同。

（4）新聞采集

當突發社會事件的時候，新聞現場總是需要盡可能多的鏡頭角度捕捉到事件發展和處理的場景。但是常用的無人機只能飛幾十分鐘，留空時間有限，抗風能力差，工作不穩定。至于直升機，最普通的直-9采購單價是4000萬元，機組和乘員有4人之多，飛行費用十分高昂，中小欄目組是根本負擔不起的。天樞-100給這樣的需求提供了一種現實解決方案，節目組可以對新聞現場保持24小時不間斷的俯視跟蹤。

（5）線路巡查

跑著放風箏，想必大家都做過。開車放風箏，有人試過嗎？天樞-100就可以讓我們嘗試一下開車放風箏的感覺。但這不是玩耍，為了支撐現代生活，各類運營商們使用不同類型的長途線路，運送著乘客、貨物、天然氣、石油、自來水、污水、電力和比特。任何線路發生故障，就會影響人們的正常生活，但巡線是個艱苦的工作，傳統的人工巡線效率很低，驅車巡線又很難覆蓋一些復雜地形上的設施。那么，如果把車輛和無人機結合起來呢？無人機可以跟隨載車，用不超過每小時36千米的速度飛行，在百米高度俯視漫長的線路。至于載車上的工作人員，司機只要認真開車、監控員只要認真看視頻就可以了。

說到這里，廣大潛在用戶可能會對天樞-100的使用迸發出更多靈感。實際上，已經有很多用戶創造了大量成功的案例，我們會在后續的文章中分類介紹。