认识无人机
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1.5 民用无人机逐渐兴起

军用无人机小型化

21世纪之初,军用无人机在战场上纵横披靡之时,也促进了民用无人机的诞生。

由于驻伊拉克、驻阿富汗美军对无人机的需求大幅增长,诸多美国公司看到了其中的商机。专用型无人机性能较好,但军方当时使用的诸如“全球鹰”“捕食者”等无人机造价高昂,制造周期较长,并不利于迅速装备。美国著名的防务技术公司SAIC集团另辟蹊径,将民用“超级运动”496型运动直升机改造成无人机。这种超轻型无人机重约272千克,空中逗留时间2.5小时,巡航速度111千米/小时,最大时速166千米。

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“超级运动”无人机,由于无需飞行员驾驶,因此座舱为封闭型

这种直接利用小型民用飞机改装而成的无人机最大的特点是造价便宜,单价仅5万美元,其设计初衷是面向业余航空爱好者,因此操作极为简单。SAIC公司认为这些特点对军方同样极具吸引力。该机改进后可携带68千克负载(包括射线探测器、化学战剂探测仪和旋转式摄像机等常用侦测设备),滞空时间还可以通过改进延长至9小时。美国陆军正式采购该机后将其改名为“治安官”502型,专用于寻找伊拉克境内的生化武器踪迹。

即使经过改造,这类无人机对很多民用用途来说仍显得太大了。怎样才能进一步缩小无人机的体积呢?集成电路、微电子等技术的发展已经为更小型的无人机做好了准备。

各国民用无人机起步

早期航空技术解决的是无人机能够飞行的问题,20世纪80年代以来现代技术的发展为无人机实现更优良的飞行性能、更高的可靠性提供了条件。一是不断发展的自主飞控技术、急剧提升的计算机处理能力推动无人机向智能化发展,真正成为“会思考”的空中机器人;二是高速宽带网络数据链实现无人机组网和互相联通,使无人机编组、空地装备联合成为可能;三是材料科学和微机电技术促进无人机使用更轻的材料和传感器,进一步减轻无人机平台重量、提高精确度;四是电池续航能力的大幅提升以及新能源技术赋予无人机更长的飞行时间。

由于军用无人机在执行任务时表现出了显著优势,民用各行各业对无人机的应用也翘首以盼。但相比军用无人机近百年的发展历史,民用无人机在20世纪80年代军用无人机的现代系统得到大发展的基础上才开始尝试应用,到如今在各领域全面开花只有二三十年的时间。

日本的民用无人机开发较早。1983年雅马哈公司采用摩托车发动机,开发了一种用于喷洒农药的无人直升机,1989年该无人机成为首架成功用于试飞的无人直升机。2002年CERP公司开发了一款JAXA多用途民用无人机。2003年开始,耗时3年,岐阜工业协会先后开发了4代无人机产品,主要应用于森林防火、地震灾害评估等领域。

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雅马哈公司研制的用于喷洒农药的无人直升机

2003年,美国宇航局牵头成立世界级无人机应用中心,专门研究装有高分辨率相机、传感器无人机的商业应用。2007年森林大火肆虐时,美国宇航局使用“伊哈纳”无人机来评估大火的严重程度,以及进行灾害的损失估算工作。2011年墨西哥湾钻井平台爆炸后,艾伦实验室公司的无人机协助溢油监测和溢油处理等。近年来,美国国家海洋和大气管理局用无人机追踪热带风暴的有关数据,借此完善飓风预警模型。

以色列也专门组建了一个民用无人机及其工作模式的试验委员会,2008年为“苍鹭”无人机颁发非军事任务执行证书,并与有关部门合作开展多种民用任务的试验飞行。

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“伊哈纳”无人机是从MQ-1“全球鹰”无人机改造而来的民用型号,NASA主要用其进行环境监测

欧洲在2006年制定并即刻实施了“民用无人机发展路线图”,之后欧盟拟筹建一个泛欧民用无人机协调组织,为解决最关键的无人机空中安全和适航问题提供帮助。

我国在民用无人机方面起步也很早,尤其是近年来发展较快。20世纪80年代,我国就将自行开发的无人机(脱胎于军用机型)在地图测绘和地质勘探中做了尝试。近些年,专为民用研制的“黔中”1号无人机于2010年顺利首飞;2011年问世的“蜜蜂”28号无人机,可全自主起飞、着陆、悬停和航路规划,能用于农业喷洒、电力巡检、防灾应急、航拍测绘、中继通信等作业。

对于民用领域,无人机仅仅是一个飞行平台,其功能归根到底要通过机载系统中的任务载荷设备来完成。

消费级无人机越来越流行

对整个民用无人机产业来说,无人机的爆发式发展也就是近10年的事情。受益于无人机各方面技术的成熟和成本的大幅下降,在世界各地出现了越来越多的无人机厂商,不断推出越来越具有性价比的民用无人机。

民用和消费级无人机市场的兴起,和硬件产业链的成熟、成本不断下降密不可分。随着移动终端的兴起,芯片、电池、惯性传感器、通信芯片等产业链迅速成熟,成本随之下降,使智能化进程得以迅速向更加小型化、低功耗的方向迈进,这也给无人机整体硬件的迅速创新和成本下降创造了良好条件。

● 芯片—— 目前一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能,以满足导航传感器的信息融合,实现无人飞行器的最优控制。

● 惯性传感器—— 随着苹果公司在iPhone上大量应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等,MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器,成本和功耗进一步降低,成本仅为几美元。对无人机来说十分重要的GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。

● Wi-Fi等无线通信—— Wi-Fi等通信芯片用于控制和传输图像信息,通信传输速度和质量已经可以充分满足几百米的传输需求。

● 电池—— 电池能量密度不断增加,使得无人机在保持较轻重量的前提下,续航时间能有25~30分钟,达到可以满足一些基本应用的程度。此外,太阳能电池技术使得高海拔无人机可持续飞行一周甚至更长时间。

● 相机—— 移动终端的应用同样促进了锂电池、高像素摄像头性能的急剧提升和成本的下降。

正是这些技术直接催发了小型民用无人机的诞生、发展,并让其在短短几年中成为“爆款”。