無人機控制技術發展的專利分析

許慶婷 周 香

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

本研究對無人機控制技術相關的國內外的專利申請數量和重要申請人、專利申請趨勢、專利分布情況等進行了分析。通過分析無人機專利技術的重要技術分支：飛行中的規劃與重規劃、算法控制及自主導航控制［1-2］，提出了無人機領域目前值得注意的問題及未來發展趨勢［3］。

1 無人機控制專利申請趨勢

1.1 中國專利申請情況

本節以中文專利庫CNABS的檢索結果為分析樣本，對中國專利申請狀況的趨勢及專利重要申請人進行分析，了解國內該技術的發展趨勢和技術重點。

1.1.1 專利申請趨勢。中國專利申請勢圖1所示。由圖1 可知，專利申請主要分為以下三個階段。

圖1 專利申請趨勢

萌芽期（2009 年以前）。我國對于無人機控制技術的研發相比于外國起步比較晚，2002年之前沒有專利申請。直到2009 年，相關專利也很少，處于萌芽期。

平穩發展期（2009—2013 年）。在此階段，技術發展得到了一定提升，整體技術處于平穩發展期。該階段無人機控制技術逐漸被人們所重視，相關研究也在逐漸增多，無人機的應用需求正在增加。

快速增長期（2014 年至今）。2014 年各大企業開始了無人機控制技術的專利布局，使得其專利申請量在2014—2017 年完成了“爆炸性”的翻番，而在2017 年增長趨勢稍有減緩。截至目前，無人機的專利技術申請仍在穩步增長（2023年的專利申請由于公開時間滯后，數據不完整）。

1.1.2 專利申請人分析。本節從國內專利申請的申請人角度對該領域的專利申請做進一步分析，主要考慮申請人的地域分布、根據申請數量對國內重要申請人分析。

①申請人地域分布。我國專利申請人地域分布如圖2 所示，廣東、北京、江蘇位列前三，四川、湖北、浙江緊隨其后，其他省市、地區的申請量較少，仍有較大發展空間。從主申請人的地域分布情況看，廣東的專利申請企業多數是深圳的科技創新型企業。位于江蘇和北京的專利申請量分別位列第二和第三，主要是江蘇和北京的科研院所、高校較多，科研力量較為集中。

圖2 專利申請人地域分布

圖3 專利申請主要申請人

②主要申請人分析。國內專利主要申請人如圖2 所示，包括國家電網、深圳大疆公司和北京航空航天大學，還有新興企業，例如湖北易瓦特科技股份有限公司。高等院校是無人機技術發展專利申請的重要來源，申請量進入前10 的高校有：華南農業大學、西北工業大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學。其中，北京航空航天大學是申請量最多的高等院校，該校長期從事無人機技術研究，申請內容涵蓋多個技術分支，包括無人機自主控制、駕駛航空器設計、智能信息處理、導航制導、太陽能電池等，顯示出在無人機領域較強的專利布局意識。南京航空航天大學的專利申請數量在高等院校中位列第二，且專業領域較為全面，主要有無人機避障、空中加油、著陸引導等，從申請領域來看，該校更為偏重研發無人機的應用技術。

1.2 國外專利申請情況

本節以外文專利庫DWPI 中的檢索結果為分析樣本，主要對國外的專利申請狀況的趨勢和重要申請人進行分析，從中得到國外的專利申請的技術發展趨勢，以及各階段專利申請人所屬的國家分布和主要申請人等情況。

1.2.1 專利申請趨勢。 國外專利申請趨勢如圖4所示，由圖4可知，專利申請主要分為以下三個階段。

圖4 專利申請趨勢

萌芽期（2003 年以前）。國外對于無人機控制技術的研發比較早，早在1986 年就已經有關于無人機控制技術的專利，但是此階段發展速度持續維持在較低水平，且無來華申請。

平穩發展期（2003—2010 年）。技術發展呈穩步上升，整體技術處于平穩發展期，且各年申請量呈現波動狀態，未形成規模效應。這是由于美國等國家早期對無人機技術的研發主要基于軍事需求，成果往往會進行國防保密處理，而不以專利形式公開。

快速增長期（2013 年至今）。2013 年至今，全球專利申請量開始激增，進入快速增長期，尤其是在2015—2017 年，專利申請量呈現新的高峰，這表明在科技發展的需要下，無人機的研制投入和采購需求呈現爆發性增長。同時，隨著知識產權對外合作，來華申請數量增加，國外企業對在我國的知識產權保護越發重視。隨著無人機技術的不斷發展和市場需求的不斷擴大，無人機領域的專利申請會持續性增長（2023 年的專利申請，由于公開時間滯后，收據不完整）。

1.2.2 專利申請區域分布情況。國外專利申請國別分布如圖5 所示。從專利技術的國家/地區來源來看，美國申請的專利數量最多，占比約為56%；其次是日本和歐洲，專利申請的份額分別為16%和14%，位列第二和第三。美國在無人機領域的研發起步較早，在無人機控制方面的研究穩步發展，位于世界領先水平。因更注重底層技術的研發和應用，美國的專利被引率與其他國家的專利被引率相比，具有明顯優勢。

圖5 國外專利申請國別分布

1.2.3 重要申請人分析。本節對國外專利申請的重要申請人作分析，這里將中國的深圳大疆創新科技公司也一并分析，以更直觀顯示中國企業在全球范圍內的競爭力。雖然申請量并非衡量申請人重要性的唯一尺度，但申請量的多少基本反映了該申請人在這一技術領域的研發投入，因此，從申請量來分析重要申請人是比較客觀的。全球專利申請量排名前8名的申請人如圖6所示。排名第一的是深圳大疆創新科技有限公司，深圳大疆創新科技有限公司自2006 年成立以來，在創新及專利技術的開發方面迅速發展。根據市場調查數據顯示，大疆產品占據了全球民用小型無人機約70%的市場份額，銷售市場主要集中在歐美國家，并占據其過去總銷售額的80%。大疆的主力產品據多是在2013 年以后推出的，但在此之前已有專利申請，可謂是產品未動，專利先行。

圖6 全球專利申請量排名前8名的申請人

其他主要申請人大部分為美國企業，包括排名第二的波音公司，該公司較為注重無人機控制系統的研究。霍尼韋爾和IBM 公司的申請量也較大，研究主要集中在導航系統的開發。

2 國內外技術發展路線

無人機自主控制系統能模仿人類智能感覺、思維、行動的規律，主動處理無人機對象所面臨的高度復雜的狀況。下文主要分析飛行中的規劃與重規劃、算法控制及自主導航控制的技術改進等技術路線。

2.1 飛行中規劃與重規劃的改進

飛行態勢是實時變化的，系統根據監測到的態勢變化，經過信號處理、計算、分析形成調度指令，下發給無人機控制器，從而實時規劃或調整飛行軌跡，控制飛機精確跟蹤所生成的軌跡，完成規定的任務。2000 年的專利申請DE19849857A1 公開了一種在無線電信號丟失時，無人機自動計算路徑的方法；2003 年的專利申請EP1462898A2 公開了一種在緊急狀態下路徑的路徑重規劃方法；2008年的專利申請CN101251385A 公開了一種應用在無人機上的航點實時裝訂與處理方法；2011年的專利申請CN102122173A 公開了一種基于SAR 雷達成像的無人機航線規劃方法；2017 年的專利申請CN107077143 A 公開了一種根據虛擬圍墻調整飛行線路避障的方法。

2.2 控制算法的改進

常規的無人機控制方法和早期的對無人機控制都是建立在線性飛行控制理論上的，后又出現遺傳算法、神經網絡等控制方法。2010年的專利申請US2011/0196540A1公開了一種PID 控制算法；2012年的專利申請CN102945046A 自主控制模式中的內環控制采用自適應魯棒控制算法，外環控制采用模糊PID 控制算法；2013 年的專利申請CN1033835 71A 設計了一種模糊控制規則，運用模糊推理，實現對PID 參數在不同飛行工況下的最佳調整；2014年的專利申請CN103412488A 公開了一種基于自適應神經網絡的小型無人旋翼機高精度控制方法；2016 年的專利申請CN106200662A 公開了一種利用自適應遺傳算法實現自主飛行控制。

2.3 導航技術的改進

無人機無法進行人工駕駛，因此自主導航功能是無人機飛行控制系統的主要功能。對于導航系統而言，諸多的導航技術諸如無線電導航、天文導航、慣性導航等都已廣泛應用。1997年的專利申請US6056237A 公開了一種通過GPS 導航的方法；2008 年的專利申請CN101332872A 公開了一種空中無人機通過無線電接收機進行導航的方法，慣性組件能夠不依靠外部設備而獨立地提供無人機的空間坐標，因此實現了真正意義上的自主導航。慣性導航最早于1954 年在飛機上試驗成功，但是應用于無人機自主控制的慣性導航在2006 年才有專利申請了優先權為2006 年的專利申請US2008114544 A1 公開了一種通過慣性導航的方法。中國于2007 年申請了慣性導航的方法，專利申請CN101270993A 公開了一種以捷聯慣性導航系統為主導航系統的定位方法；2009年的專利申請CN101598556A 公開了一種未知環境下無人機視覺/慣性組合導航方法。

3 結論與展望

我國對無人機系統自主控制技術的研究起步較晚，以下問題值得注意。

①加強自主控制的研究。該研究處于起步階段，有些概念、結構還有待進一步系統化、準確化，尤其多平臺的自主控制能力并不強。應緊跟國際無人機的發展趨勢，充分吸取新技術、新概念，在此基礎上結合我國特點進行創新，不斷縮小差距。

②注重系統應用研究。2000 年之前無人機主要用于軍事，2000年之后無人機在民用領域不斷擴大。未來，無人機將更好的方便人們生活，如用于緊急救援、復雜環境的勘探、投送快遞等，應注重不同應用領域的系統的適應性，提高無人機系統適用性。

③提高飛行的可靠性。在飛行的過程中可能會遇到突發狀況，通過系統仿真試驗，對無人機系統飛行控制情況檢驗，為控制參數的調整和優化提供準確的數據。需進一步提高仿真試驗的技術水平以提高無人機的飛行安全性能。

④增加無人機的續航能力。電池的續航能力是影響無人機工作的重要因素，如何提高續航里程、提高電池的工作效能、減少耗能值得研究。同時，無人機在空中無線充電可以減少返程充電次數，提高工作效率，也是值得研究的方向。