工業(yè)無人機的現狀分析和市場契機

楊洪 帥康 胡婉婷

摘 要 隨著社會生產水平的進步，目前工業(yè)無人機在全球范圍內的市場都在不斷擴大，涉及到各個領域，但無人機的發(fā)展還存在很多問題，本文通過分析國內外無人機市場，并提出了無人機目前存在的一系列問題，針對問題提出了一系列解決方案，并對相關行業(yè)以及市場契機做出了相關分析。

關鍵詞 工業(yè)無人機 市場契機 民用

中圖分類號：F426 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0030-03

1 工業(yè)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(fā)展受到約束，不能大規(guī)模普及開來。目前，全球大多數國家都在大力發(fā)展無人機技術和產業(yè)。近年來，美國和歐洲等國家研發(fā)無人機并且運用于農業(yè)和工業(yè)領域。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，無人機基礎零部件生產開始邁向小型化、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通信等新技術的逐步完善應用，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。國內陸續(xù)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(fā)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(yè)經歷了一個迅猛的發(fā)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(yè)無人機的重復開發(fā)現象嚴重，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)無人機產業(yè)蓬勃發(fā)展，應用領域遍及公安、林業(yè)、鐵路、城建、消防等多個行業(yè)，應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(yè)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(zhí)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(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)無人機產品大多采用與消費級無人機相同的系統(tǒng)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(xié)同作業(yè)能力

市售工業(yè)無人機產品一般只能單機作業(yè)，如果要求多機配合作業(yè)，則需要在產品設計和設置上避免干擾與串控，執(zhí)行作業(yè)前還必須反復細致規(guī)劃操作方案，作業(yè)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(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。

3 相應對策

針對上述關于工業(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，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(zhàn)多機”和“多機協(xié)同”的基礎，基于自行設計定義的智能數據鏈協(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(xié)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(xié)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(yè)，快速擴展行業(yè)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(xù)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(yè)的軟肋，對用戶需求進行統(tǒng)計發(fā)現，大部分的應用中，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，而業(yè)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(tǒng)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(xù)航時間與載重能力達到同類產品的2-3倍。

4 行業(yè)對無人機的需求

4.1 電力產業(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，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)無人機可以實現煤礦的地形勘探和測繪，風力發(fā)電機的葉片巡檢和風電場的巡視、光伏產業(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，實現氣象監(jiān)測，核輻射污染監(jiān)測，水質檢測等各種應用，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。國內陸續(xù)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(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 經濟環(huán)境

“互聯(lián)網+工業(yè)”是時代發(fā)展的必然結果，隨著我國互聯(lián)網信息技術的高速發(fā)展，使得無人機行業(yè)不再停留于飛行控制的研究，繼而轉向利用通信技術完成各種任務。工業(yè)領域應用無人機替代人力進行作業(yè)，如電力巡檢、搶險救災、環(huán)境監(jiān)測等業(yè)務領域，這些領域的作業(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)提高質量起到了關鍵性的作用。

5.3 社會環(huán)境

無人機發(fā)展迅速，不同廠家不同產品的不兼容給新產品的推廣帶來阻力。我國無人機行業(yè)經歷了一個迅猛的發(fā)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(fā)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(huán)境就為新產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(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 技術環(huán)境

大部分工業(yè)無人機都是消費無人機的復刻版，面對工作環(huán)境存在諸多缺陷。近年工業(yè)無人機產業(yè)蓬勃發(fā)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(fā)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(wěn)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(fā)、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(xié)同作業(yè)，如果需要多機共同執(zhí)行任務，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)行過程風險高；續(xù)航時間短，載重能力差，嚴重限制了應用場景和作業(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)無人機的重復開發(fā)現象嚴重，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)進行從頭設計。但是，隨著企業(yè)的技術逐步積累，無人機的飛行控制系統(tǒng)等基礎性、平臺性功能其實是重復開發(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。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(yè)的效率。[3]

參考文獻：

[1] 高峰.無人機市場應用前景廣闊[J].國防科技工業(yè)，2011（09）：44-45.

[2] 燕麗紅，林志雄，王灝.基于嵌入式ARMv7的監(jiān)測飛行器系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2014（23）：70-73.

[3] 胡中華，趙敏.無人機任務規(guī)劃系統(tǒng)研究及發(fā)展[J].航天電子對抗，2009（04）：49-51.