工業無人機的現狀分析和市場契機

（常州大學 懷德學院，江蘇 泰州 211700）

1 工業無人機國內外市場

隨著無人機逐漸由軍用向民用溢出，國外出現了像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，國外無人機發展受到約束，不能大規模普及開來。目前,全球大多數國家都在大力發展無人機技術和產業。近年來，美國和歐洲等國家研發無人機并且運用于農業和工業領域。2020年全球無人機的市場規模持續增長,無人機市場規模高達200多億美元。

近年來，隨著我國集成制造的普及,無人機基礎零部件生產開始邁向小型化、低成本、低能耗方向發展,無人機制造成本不斷走低,同時伴隨著人工智能、5G通信等新技術的逐步完善應用,無人機行業迎來新的發展機遇,行業在良好的發展環境中迅速增長,行業規模不斷擴大。2019年底,我國工業無人機專利申請量為6320項。2009年之前,我國工業無人機專利申請量較少，2011年開始,我國工業無人機專利申請量迅速增加。2017年，我國工業無人機專利申請量為1702項，是近年來我國工業無人機專利申請量最高的年份。2019年我國工業無人機專利申請量為783項。

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

2 工業無人機存在的問題

近年來,工業無人機產業蓬勃發展,應用領域遍及公安、林業、鐵路、城建、消防等多個行業,應用方式以無人機作為載具掛載功能載荷進行空中作業為主。雖然工業無人機行業內的產品種類繁多,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

工業無人機的應用形式一般是,以無人機為承載工具,將功能載荷運送到空中完成任務。執行不同的任務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,直接影響產品的使用效率。雖然市面產品一般都是將載具無人機和功能載荷分開設計,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。這限制了載具和載荷的充分有效使用。

2.2 可定制性差

目前市售工業無人機產品大多采用與消費級無人機相同的系統架構,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,產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,不同的產品具有不同的底層代碼和配置參數,這都嚴重限制了定制的靈活度與快捷性。

2.3 缺乏自主集群協同作業能力

市售工業無人機產品一般只能單機作業,如果要求多機配合作業,則需要在產品設計和設置上避免干擾與串控,執行作業前還必須反復細致規劃操作方案,作業時也需要多位有經驗的飛手共同操作以保證安全,這使得集群協同作業難以進行。

2.4 控制方式單一

目前無人機的姿態和動作控制均采用傳統的推桿、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 續航時間短

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

3 相應對策

針對上述關于工業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,可采取將工業無人機改造成具有模組化的載具與載荷架構,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據鏈和空地數據鏈作為“一戰多機”和“多機協同”的基礎,基于自行設計定義的智能數據鏈協議將其移植到航測平臺(無人機)飛行控制核心和地面數據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,實現多種數據傳輸路徑與需求的高效整合。另外,由于協議架構在網絡傳輸模型的應用層上,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”、“多機協同”三個層次的技術理念,可實現不同無人機和不同應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)搭載不同任務設備從多維度開展作業,快速擴展行業深度應用。

四是，自研跨平臺的“五遙一體”,將各種數據整合在一條完備的數據鏈路中,實現“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；將應用層等多參量、異構傳感數據融合及ns 級的全局時間同步,實現精準的航測數據生產。

五是，高能效比與智能動力匹配是續航時間長、載重能力強的基礎。航時與載重是無人機空中作業的軟肋,對用戶需求進行統計發現,大部分的應用中,航測平臺(無人機)續航時間超過60分鐘才能良好完成任務,而業內產品大多達不到這一指標。改善該問題的方向主要有系統架構、軟件設計、結構設計三個方面綜合影響。通過動力算法技術使得無人機能效高,而且能夠根據具體需求與配置情況,自動調整動力特性,因而使得續航時間與載重能力達到同類產品的2-3倍。

4 行業對無人機的需求

4.1 電力產業

電力行業是工程量巨大、作業危險性高的行業,輸電、發電等各個環節,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同作業,由地面站統一調配。借助工業無人機,可以輕松完成電力行業的大部分故障監測和檢修工作。

4.2 能源行業

能源行業大多地處偏僻,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,航測AI平臺為快速的作業和精準監測帶來新思路,實用性高,為企業提供高性價比的解決方案。在能源行業中,依靠工業無人機可以實現煤礦的地形勘探和測繪,風力發電機的葉片巡檢和風電場的巡視、光伏產業中太陽能電池的故障提取等。

4.3 環境監測

環保行業中涉及大部分地形復雜,環境惡劣的區域,可能存在一定安全隱患,測繪、監測、清掃等工作不適宜人工完成。而使用工業無人機,可以輕松穿越各種地形,從容進入各種危險地區,比如核污染或者生化污染區域。通過攜帶不同的載荷,實現氣象監測,核輻射污染監測,水質檢測等各種應用,完美覆蓋整個環保行業。[2]

5 市場契機

利用PEST分析法,對當前無人機行業進行宏觀環境分析工業無人機面臨的市場契機。

5.1 政策環境

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

5.2 經濟環境

“互聯網+工業”是時代發展的必然結果，隨著我國互聯網信息技術的高速發展,使得無人機行業不再停留于飛行控制的研究,繼而轉向利用通信技術完成各種任務。工業領域應用無人機替代人力進行作業,如電力巡檢、搶險救災、環境監測等業務領域,這些領域的作業往往具有工作耗時長、人力成本高、人工作業危險的特點。而采用無人機作業,則可以針對這些問題起到提高工作效率、降低人力成本、降低作業危險的效果。這對企業提高質量起到了關鍵性的作用。

5.3 社會環境

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

機器人協同作業的需求無法得到很好滿足，除了無人機外還有其他的工業機器人也在為企業的生產助力。不同廠家采用不一樣的技術架構,指定不同的技術標準,當客戶需要整合其工業機器人進行協同作業時就遇到了麻煩。企業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往往比較困難,反而降低了工作效率。

5.4 技術環境

大部分工業無人機都是消費無人機的復刻版,面對工作環境存在諸多缺陷。近年工業無人機產業蓬勃發展,相關產品不斷涌現,但從技術架構和產品原理上看,大都是消費無人機的復刻版,這樣的出發點導致市面現有產品存在著諸多缺陷。例如:可靠性不佳,遠距離通訊不穩定、易丟失、效率低,容易出現動力丟失導致墜機的情況；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、難維護、容易留藏隱患,這個問題在產品系列變多的時候將尤其明顯；難以多機協同作業,如果需要多機共同執行任務,飛行前需要提前規劃作業方案,飛行時需要多位飛手共同操作,執行過程風險高；續航時間短,載重能力差,嚴重限制了應用場景和作業范圍；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。

工業無人機的重復開發現象嚴重,缺乏平臺化、模組化開發。由于工業無人機的開發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發展的需要,在開發時會從無人機的飛行控制系統開始,一直到到掛載系統進行從頭設計。但是,隨著企業的技術逐步積累,無人機的飛行控制系統等基礎性、平臺性功能其實是重復開發的,這樣的開發非常耗時,也不能對不同客戶的需求進行快速響應。如果能仿照個人計算機、或者通用機械的發展歷程,采用平臺化、模組化開發,將一些重復模塊進行標準化處理,那么在面對紛繁復雜的客戶需求時，只需要進行模組化拼裝,將極大地提升無人機行業的效率。[3]