无人机的概念和起源

第一部分 无人机的概念和起源:

无人机（uav）通俗来说是没有人操纵飞行器的统称。从专业角度来说，是指无人在机上操纵、利用无线电遥控设备或者飞机上自备飞行控制系统来执行飞行，自主或者遥控的飞行器。通过这些技术，无人机可以执行各种不同种类的任务。具有飞行体可以回收、重复使用的特点。根据飞行控制方式可以分为无线电遥控、飞行控制器自主飞行和混合控制飞行三种模式。按照飞行原理和气动布局可以分为旋翼机和固定翼两大种类，包括无人固定翼、无人直升机、人多旋翼飞行器、无人伞翼机、 无人飞艇等。若是按照飞行器执行任务的种类来分的话可以分为无人侦察机、无人攻击机、舰载无人机、靶机、反辐射无人机 。而民用范围内有植保无人机、航拍无人机、消防无人机、航测无人机。

1903年莱特兄弟成功试飞第一架载人飞机之后，1917美国的斯佩里和寇缔斯对一架双翼机进行了改造，在美国的某军事基地进行了第一次试飞，由于飞机没有自动驾驶仪，仅仅是将飞机处于自由滑行状态，飞机最终坠毁。通过不断的研究，斯佩里和寇缔又发明了第一台陀螺平衡仪。平衡陀螺仪通过旋转中的物体具有稳定性的原理，通过拉杆来控制飞行器的各个舵面，从而实现了飞机直线飞行的的效果。通过不断的尝试，这项技术成果将美国海军的N-9教练机改造成了首家无线电控制的无人飞行器-----空中鱼雷号，它可以带300磅的炸药飞行120公里左右。但是由于受风向影响比较大，它从未参加过实战。早期的无人机，仅仅是保持直线飞行，不具备自动返回起飞点附近的功能。1935年DH.82B蜂王号无人机的出现，飞行器能够自动飞回起飞点，才使无人机的重复使用成为可能。蜂王号最高飞行高度17000英尺（约合5182米），最高航速每小时100英里，在英国皇家空军一直服役到1947年。这也是第一架具有实战意义的无人机。第二次世界大战中，德国纳粹领袖希特勒希望拥有具有攻击目标功能的飞行炸弹，因此在1944年诞生了一架速度可以达到每小时470英里的无人飞机---著名的复仇者一号（v-1）。这架无人攻击机当时为了攻击英伦而诞生的。由于当时没有导航系统，德国人设计了一个巧妙地计算距离的装置在该飞机上。该装置通过计算螺旋桨的螺距来确定空速，将发动机的动力轴连接到一个计数器上 ，飞行器在飞行过程中，螺旋桨不断地旋转带动轴转动传到到计数器上，计算好想要飞行的距离所需要在计数器记录的圈数，当达到设定的圈数时，飞行器自动执行俯冲，炸药摧毁地面目标。复仇者一号飞机可以搭载2000磅的炸药，可以飞行150英里，降落可定点在10英里范围内，德国纳粹适用该飞行器对英国伦敦进行了轰炸，英国有900多人死于该无人机之下。复仇者一号也被认为是当代巡航导弹的先驱。正真意义上的自动驾驶无人机是在美国部署了全球定位卫星系统（GPS）之后，借助GPS的定位，通过微型化的无人机飞控平台。无人机可以实现真正意义上的规划航线飞行。1986年，美国研制出先锋（The Pioneer）RQ-2A。据美国军方的介绍，先锋系列无人机可以在打击军事目标时为指挥官提供战场的实时数据。这套无人定位系统实际花费并不大，满足了20世纪80年代美国在格林纳达以及利比亚的军事活动中以低投入来获得情报的要求，并首次投入实战。先锋号现在仍在服役，通过火箭助力起飞，起飞重量

416磅（约合189千克——译者注），航速每小时109英里（约合174公里——译者注）。飞机能够漂浮在水面，并且通过海面降落进行回收。

甲醇内燃机所采用的燃料为甲醇与蓖麻油（润滑剂）的混合，有时为了增强发动机的动力，一般会加入15%的硝基甲烷。甲醇内燃机一般为两冲程循环，没有内置火花塞第二个循环的活塞运动所需要的引燃系统由第一个循环所产生的余热提供。由于没有每个冲程循环的强制引爆功能，甲醇内燃机的稳定性并不如汽油内燃机，并且对燃油与空气的混合比用要求比较严格，所以在初期的无人机系统中，甲醇机一般应用于小型无人机或者无线电航模。

随着民用无线电的发展以及无线电频段对民众的开放，越来越多的人开始接触到了无线电航空模型，无线电航空模型刚开始一般为固定翼，该种模型在初期一般采用质量较轻的桐木制成，木匠工人将桐木片成较薄的木片，晾晒干后在桐木片上裁出机翼的翼肋和翼梁等部件，拼接成飞机轮廓后，在木材缝隙处加入白乳胶，待白乳胶自然固化后，一架航空模型的骨架算是完成了。接下的工序是蒙上蒙皮，起初的蒙皮一般是质地较紧实的绵纸，将绵纸均与铺在模型骨架上，然后用桐油刷平，由于绵纸与桐油接触后会紧缩，因此绵纸会紧紧地贴在木制的骨架上。在机体制作完成之后，便可安装发动机、舵机、遥控电子设备等。一架无线电遥控模型也就可以进行试飞了。在无线电遥控固定翼兴起的初期，操纵者可以操纵飞机进行简单的飞行，随着飞行器制造工艺的不断提升，越来越大的无线电模型出现，越来越多的无线电模型爱好者不仅仅满足于仅仅是飞行的功能。于是有人将摄像机装在了飞机上，这也便成了人类第一架具有航拍功能的无人飞机。20世纪80年代初，旋翼无人机技术逐渐成熟，日本yamaha公司推出一款250cc汽油水冷发动机的无人遥控直升机，起初这架无人机是为了在日本针对水稻喷洒农药而设计的。随着飞行器的不断实验，人们将更多的任务功能加载在这架无人直升机上，比如作为电力线路空中巡检，地震灾情评估、城市巡逻等等。

许多新的的科技研究成果都是由军事研究往民用发展而来的，无人机技术也不例外。当无人机在军事战场上取得优异成绩的同时，民用市场也出现了各种无人机的雏形。在20世纪初的美国，已经有人尝试将氢气球上放入了一个照相机，氢气球带着相机升入了5000米的高空，相机的快门由一个定时器控制， 达到一定时间时快门打开，相机记录了人类第一张航拍照片。这也许是人类第一次对无人机实际民用领域的尝试。

20年代30年代初，航空模型出现在人们的视野当中。航空模型由电动机或者内燃机提供动力，而电动机早期时候采用的是有刷电机，能耗高电流大，而电池的放电速率不能提供足够的电流。所以电动机的无人机在初期的时候在动力续航方面并没有优势，因此马力强劲、续航能力时间长的内燃机发动机备受青睐。用作无人机动力系统的内燃机大致分为内燃汽油机、内燃甲醇机、内燃乙醚热机、脉冲式发动机、喷气式发动机。其中汽油内燃机使用范围最广，由于飞行器重量的限制，飞行器对发动机的重量的要求相当苛刻。汽油发动机一半采用结构简单的二冲程工作方式，发动机降温采用螺旋桨产生的风力进行强制风冷，燃料内加入一定比例的两冲程专用润滑油，润滑油不参与发动机内的燃烧仅提供润滑作用，经过在缸体内的

燃烧后直接排出发动机。由于两冲程汽油发动机性能稳定可靠，并且体积小结构简单，因此在初期的航空模型中被大量采用，

第二部分 无人机发展现状和未来市场预测

无人机在军事任务中经过长时间的投入使用，技术不断成熟并且制造研究成本等降低到一个比较容易民用化的水平后，民用无人机如雨后春笋般出现，并且快速增长。尽管在国际各行各业的巨头瞄准民用无人机的市场时，中国的无人机市场发展最为迅速。国内企业无论是在技术还是销售数量上都占有绝对优势。在国内的电子制造业普遍落后于发达国家的情况下，为什么国内的无人机企业能够快速崛起并主导全球的这一市场呢？根据与行业内专家的交流，我们认为，硬件上的成本优势和技术上的先发优势是国内无人机企业成功的关键。 就无人机所需要的硬件构造来说，生产一架无人机所需的技术要求并不高，其主要核心技术是一些精密零件的组装和外壳的空气动力学的工业设计。由于我国近些年来的电子计算辅助设计和微电子技术的快速发展，实现消费及无人机的低成本化并不是一件难事。例如，之前的专业摄影无人机制造成本往往需要十几万人民币和专业技师进行组装与调试，这是国内一般玩家消费不起的。而国内无人机生产领导企业大疆创新能够将这一价格压缩到不到1万人民币，并且可以基本达到影视制作要求，具生产的产品备极高的性价比。在无人机生产领域，飞行控制技术上的优先发展是国内无人机企业取得先机的重要条件之一。多旋翼无人机的技术屏障在于三个处：稳定飞行控制、图像设备稳定系统和数据传输技术。国内企业如大疆、零度智控等大都发源于高校及军事院所，在技术上具有较多的储备。加上国内企业发展相关软件和算法时间较早，所以占据了先发优势，使得后来行业兴起时国内企业能够“一步早”而“步步早”，在技术上也领先国外企业。成本与价格上具备优势，而技术上又领先国外，国内无人机企业的成功虽是意料之外，但也在情理之中。

目前我国国内的民用无人机主要的应用是在航拍、绘测、交通巡逻、电机巡检、

农林植保等方面。

农林植保无人机：市场技术组建成熟 催生750亿市场

国家相应政策与市场逐渐开放与成熟。植保无人机是指在农林作物在进行培植的过程中进行植保作业的无人机。这种无人机一般分为直升机、固定翼、多旋翼三种布局的飞行器，主体包括机体、喷撒系统、动力系统，通过地面人员无线电遥控或者搭载GPS飞控实现喷洒作业。2013 年农业部出台《关于加快推进现代植物保护体系建设的意见》，提出鼓励有条件地区发展无人机防治病虫害。

近些年来河南省农业厅和省财政厅对无人机植保方面进行了专项拨款，或为地方植保站直接购置农用无人机，或为农用无人机提供购机补贴，这些举动将为无人机市场化、正规化提供了有力的条件。植保无人机具有高效率和规避农业人员中毒的优势，促进植保无人机替代人工作业。作为农业生产大国，我国的耕地面积近18亿亩，而农业生产中农药的即使喷洒是一项重要的程序。而18亿亩耕地的农药喷洒需要劳动力是巨大的，我国每年因喷洒农药而导致农药中毒的人数有10万之众，其中致死率约20%，其中农药在喷洒过后的残留和致病而导致至的死亡人数至今无法统计。所以传统的人工喷洒不仅效率低下而且对植保人员健康有很大的威胁。与之不同的是，植保无人机由于在喷洒农药的国人中没有人员与农药的直接接触，并且螺旋桨产生的巨大气流有利于农药液滴的充分穿透力，作业高度低。由于可以远距离遥控，喷洒时可避免人员与农药接触，喷洒作业安全。在现在的无人机技术发展下，一家再有10公斤左右的植保无人机每分钟可以完成2亩地的喷洒作业，效率是人工的40倍左右，效率极高。现如今，在美国、日本、欧洲等发达国家已经广泛使用农业植保无人机，随着我国的无人机技术不读那领先于发达国家，推广使用高效安全的植保无人机可以降低农业生产成本，提高生产效率。

农业植保无人机一般为分为两种类型，一种是燃油式直升机，另一种是以电力为能源的多旋翼飞行器。两者可以互为替代品，其性价比应基本相同。我国现有可耕地面积约18亿亩，若全部由无人机进行喷洒作业，则需要喷洒时间为3亿小时。我们假设其中1/20的农田需要无人机喷洒，则每年需要1500万小时的作业时间。一架农业植保无人机的工作寿命大约为400小时，假设每台无人机每年工作100小时，无人机每年的需求量将达到15万台。 假设每台无人机的售价50万元人民币，则需求市场市场高达750亿元人民币，市场潜力巨大。

电力巡检无人机： 相关政策+实践探索 2015预计10亿市场

电力巡检无人机一般分为固定翼和多旋翼两种布局，其工作效率明显高于人工效率。一般的电力巡检无人机装载有红摄像传感器、高清摄像机、远传微波模块等。可以通过地面站控制系统提前按照电力线路布置好飞行路线，在GPS的导航下进行航线飞行。在无人机的飞行过程中，飞机上搭载的高清摄像头将电力线路的情况通过微波图像传输设备传给地面人员，同时无人机上的红外线热成像仪可以自动分析线路的温度是否正常。 飞行器只需携带小型仪器设备便可以进行完全代替人工的工作内容，相对于以往的电力巡检方案，无人机的

工作效率高而且安全。

在以往的巡检中，往往需要2个或者2个以上的电力人员对线路进行目测观察，而高压线路架设于地势险峻的秋林地带时，人工巡检不仅效率低而且安全没有保障。例如云南地区的电力检修分公司进行电力巡检时，需要3个员工花一整天的时间巡检20公里线路，整个云南省电网巡检完毕需要500多人为期1个月时间完成。2012年云南昆明国家电网公司采购了3驾电力巡检无人机，20公里的巡检路程30分钟可以高质量完成。极大地提高了工作效率，并且减少了开支。

我国现在共拥有2856个县级行政区，平均一个县有179 公里的高压线路，高压线至少半个月需要仔细巡检一次，即每年25 次，则每个县年巡检长度为4,500 公里。预计无人机一小时巡检10 公里，则每各县每年需450 小时左右的无人机，单机年飞行时间按200小时计算，则每个县需要2.25 架无人机，全国需要6,426 架。按每架15 万人民币计算，则年市场空间约9.6 亿元。

航拍无人机 起步最早 技术最成熟

航拍无人机在早期发展阶段为直升机，但是由于直升机震动大、操作难度高、危险性大因此没有快速推广。而多旋翼无人机技术的飞速发展使得以前昂贵的无人机航拍变得越来越平民化。在影视制作的过程中，往往需要大场面或者全景的摄影，过去拍摄空中镜头一般采用载人直升机进行拍摄，而载人直升机的费用比较高昂，并且机动性不够灵活，在拍摄地点比较狭小的情况时不能进行拍摄，并且具有一定的危险性。而航拍无人机的旋翼直径一般在1200mm以内，小巧灵活。可以搭载专业摄影机进行空中拍摄，满足不同的拍摄需求。三轴云台技术的发展对无人机航拍的影响意义最大，搭载了三轴云台的飞行器，无论飞行器的飞行姿态如何，云台都可以使摄像机相对以水平面保持平行的姿态，从而拍出稳定的画面。 航拍飞行器的造价一般为5万元人民币左右，相对于每小时近2万人民币的直升机使用费用来说性价比有得天独厚的优势。由于无人机航电系统技术的进步，操纵一架航拍无人机并不是一件难事。不仅仅是影视制作的专业市场，民用的消费级市场也又很好的销售前景。Dji公司的推出的精灵系列航拍无人机将航拍飞行的价格进入了万元以内，普通民众也可以拥有一架私人的航拍无人机。