周 帥

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

民用領域所廣泛使用的無人機主要包括固定翼和旋翼2類機型。固定翼無人機由于其在飛行載荷、飛行距離以及航速方面具備一定的優(yōu)勢，因此在執(zhí)行快速、大面積圖像采集任務中應用較多。和固定翼無人機相比，無人直升機可以做到無需跑道、起降便利，同時在執(zhí)行任務過程中具備定點懸停、飛行姿態(tài)操縱靈活、實時動態(tài)影像清晰穩(wěn)定的特點，在對勘查影像結果要求較高、注重任務細節(jié)和質量的行業(yè)，得到越來越多的用戶青睞。本文對無人直升機的發(fā)展現(xiàn)狀、其在國內關鍵民用行業(yè)的應用以及發(fā)展趨勢做了深入的研究和探討。

1 國內無人直升機發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，國內已發(fā)展了多種無人直升機，根據(jù)其結構不同大致可以分為3類（如圖1～圖3所示）：一是常規(guī)單旋翼式；二是共軸雙旋翼式；三是非常規(guī)雙旋翼式或其他多旋翼式［1］。

圖1 常規(guī)單旋翼式

圖2 共軸雙旋翼式

在民用領域，根據(jù)各行業(yè)應用的不同需求，無人直升機在設計參數(shù)（如機身尺寸、載荷大小、續(xù)航時間、飛行高度、航速等）上都有嚴格要求。目前單旋翼式無人直升機用途最廣，其機身長度在2～3 m之間，載荷范圍5～10 kg，巡航時間在60～120 min內，多用在長航時、大載荷并且對使用環(huán)境要求苛刻的行業(yè)；雙旋翼式機身長度在1～2 m之間，載荷小于5 kg，續(xù)航時間約1 h，多用于中短距離巡視任務；多旋翼式無人機結構緊湊輕便，旋翼直徑在80 cm左右，載荷小于2 kg，續(xù)航時間在30 min左右，在追求高性價比、運輸便攜的行業(yè)用得較多。

圖3 多旋翼式

2 重點行業(yè)應用分析

2.1 電力巡檢和長輸油管道巡檢

無人直升機在電力行業(yè)主要用于電力巡線和電力放線。

傳統(tǒng)的電力巡線是采用人工巡檢電力設施的方法，需要對桿塔、電閘、變壓器以及故障線路等進行檢查，巡線過程中數(shù)據(jù)的采集和錄入也是使用人工記錄的方式。整個過程效率較低、采集的數(shù)據(jù)結果準確性和完整度不高，特別是在某些惡劣環(huán)境下，檢修工作難以開展，并且可能會威脅到巡線人員的人身安全。而在電力放線方面，這幾年來國家很多電力工程項目都集中在新疆、貴州、云南等省份，多數(shù)線路會穿越地形復雜、氣候惡劣的環(huán)境，如冰雪、崇山峻嶺、湖泊等地域，而在城區(qū)內常常需要跨企業(yè)、居民區(qū)、高樓。這些情況下如果采用傳統(tǒng)人工方式來建線、巡線將會遇到人員不足、施工困難以及安全保障不夠等多重問題。

采用無人直升機不僅可以提高項目施工的進度和效率，同時也保障了電力工作人員的安全性，在惡劣環(huán)境下執(zhí)行任務也保證了較好的適應性和靈活性。針對該行業(yè)應用，其主要有以下優(yōu)點：

（1）可定點對線路故障監(jiān)測，并且實時將動態(tài)影像、圖片及相關數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆?/p>

（2）起降靈活，可對同一線路往返多次監(jiān)測；

（3）靈活應對復雜地形環(huán)境，對大風、冰雪、沙塵等天氣有較強適應能力；

（4）設備集成化、模塊化，安裝運輸便利。

除上述優(yōu)點外，無人直升機取代人工方式巡檢線路還大幅提高了工作效率。2011年12月在貴州省鎮(zhèn)遠縣境內采用無人直升機對110 k V鎮(zhèn)七雙回線路進行巡檢拍攝。面對黔東南苗鄉(xiāng)侗寨惡劣的自然環(huán)境，只用了3個多小時就完成了該條220 k V四基塔距離線路的巡檢工作。2012年8月6日由江蘇省送變電公司自主研制的無人直升機在揚州市八里鎮(zhèn)境內的500 k V新建線路2、3、4號鐵塔間成功進行跨越放線施工作業(yè)，完成整個任務用時約2.5 h。

類似于電力行業(yè)，無人直升機還可用于長輸油氣管道巡檢，如山區(qū)管道巡檢、近海油氣管道監(jiān)視、災后次生災害評價，漏油和盜油點現(xiàn)場定位等，能及時對管道突發(fā)事件定位、定性，縮短事故處理時間，減少能源浪費、環(huán)境污染甚至可避免災害的發(fā)生［2］。

2.2 影視航拍和新聞媒體

和固定翼無人機相比，無人直升機在空中拍攝的影像穩(wěn)定性和圖片質量都相對較高，所以很多影視廣告制作公司都會采用無人直升機來執(zhí)行航拍任務，這類行業(yè)側重于飛機的便攜性和易操作性，并且追求較低的購買和使用成本，而對續(xù)航時間、載荷要求不高，所以一般都采用多旋翼無人直升機，這種無人機由于其每個旋翼上都有獨立的電機控制，保證了其自身飛行的穩(wěn)定性，再結合搭載的穩(wěn)定云臺，加上一部高分辨率相機，可以獲得質量很高的影片和圖像。目前國內生產多旋翼的無人機廠家很多，飛機和地面控制設備等配套設施也比較完善，這類飛機載荷一般在2 kg以內，續(xù)航能力可以達到0.5 h，搭載的相機分辨率一般都在2 300萬像素左右。

另外由于其配置的螺旋槳尺寸很小，多旋翼無人直升機在安全性和噪音方面也控制得很好，除了廣告和影視航拍外，該機型還可以用于警務應用、交通管理、搶險救災、地質勘探、環(huán)境保護及野生動物攝影等多個行業(yè)。

2.3 邊境巡邏與海事執(zhí)法

我國地域遼闊，很多邊境地區(qū)地勢陡峭、路途坎坷，常年氣候惡劣。邊防部隊雖然配備了如水上摩托艇、雪域摩托、無線通訊系統(tǒng)等很多現(xiàn)代化裝備，但很多特殊地域如高海拔地區(qū)、峽谷、雪山、偏遠海島、無人區(qū)等仍然需要巡邏戰(zhàn)士徒步或騎馬才能到達，這給戰(zhàn)士的生命安全造成了極大的威脅。曾嘗試采用另一種方案，即在這些地區(qū)設置無線監(jiān)控網絡，但該方法耗資成本高并且維護困難。

采用無人直升機執(zhí)行巡視任務，不僅可以克服地理環(huán)境的多變性，相比有人直升機以及安裝遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以大大降低任務成本和提高效率，并且對敵方能產生監(jiān)視、震懾和取證的作用。其優(yōu)點總結如下：對起降場地和環(huán)境要求不高，可靈活起飛執(zhí)行任務；裝備超視距控制系統(tǒng)，大范圍飛行，且可執(zhí)行夜航任務；影像實時傳輸，在大風、雨雪等惡劣氣候下得到的圖像效果穩(wěn)定，分辨率和清晰度高；配備地面控制系統(tǒng)，可多架飛機多批次同時起飛，執(zhí)行地毯式巡邏；執(zhí)行任務效率高，可降低成本及人員風險。

由于邊海防執(zhí)行任務的特殊性，對無人直升機的性能及可靠性要求很高，載荷一般要求達到10 kg以上，航時要求大于1 h，抗風性能達到6級。今年1月6日，由華南理工大學自主研發(fā)的無人直升機已交付我國海監(jiān)使用。該機最大飛行速度90 km，巡航速度50 km，載荷10 kg時飛行1 h，可通過增加油箱進一步拓展航程，飛行高度可達1 000 m，每巡航4 h僅耗油10 L。實際海上測試時，可在5～6級風中安全平穩(wěn)飛。另一款揚州德可達公司研制的無人直升機，載荷達10 kg，航時1.5 h以上，其特色是采用雙引擎技術，一個引擎壞了，另一個引擎仍可以飛行，保證飛機安全。

2.4 農業(yè)應用

無人直升機在農業(yè)方面的應用也較為廣泛，除了一般的農作物災情勘查外，特別是在農藥噴灑方面優(yōu)勢明顯。由于在農藥噴灑的過程中藥物的劑量需控制均勻穩(wěn)定，防止出現(xiàn)過噴、漏噴的地方；因此，利用無人直升機向下的強烈旋轉氣流在噴灑農藥時可以在翻動和搖晃農作物的同時，使下方的農作物形成一個紊流區(qū)，可以非常均勻地噴灑農藥，能將部分農藥噴灑到莖葉背面和根部，這是目前人工和其他噴灑設備無法做到的噴灑質量。由于直升飛機下旋風力集中而有力，采用超細霧狀噴灑比較容易透過植物絨毛的表面形成一層農藥膜，可均勻而有效地殺滅害蟲。結合農藥噴灑的專業(yè)軟件，其具備以下特點：

（1）配置全球定位系統(tǒng)（GPS），可以設定噴灑軌跡，實現(xiàn)自動噴灑作業(yè)。

（2）速度快，效率高，一次起降可噴灑1.333 2×104m2，需20 min左右，是傳統(tǒng)人工的60～80倍。

（3）成本低廉，目前國內已有公司實現(xiàn)批量生產。

（4）環(huán)保，通過采用先進的超低容量噴霧技術，平均每畝農田可節(jié)約50%的農藥及90%的水，有利于減少農產品農藥殘留和環(huán)境污染。

（5）對噴灑農業(yè)的種類、劑量、效果及作業(yè)的時間、地理位置等數(shù)據(jù)信息能直觀顯示、記錄和管理，并且系統(tǒng)能自動計算噴灑的總面積、噴灑量。

（6）操作簡單并且安全，使用小型平板電腦，攜帶方便。安裝在飛機上的設備集成了超小型嵌入式計算機、GPS模塊和微型數(shù)傳，舵機電源可以直接供電，安裝方便。

目前國內生產的農藥噴灑無人直升機一般載荷在5～10 kg，飛行時間在30～60 min，噴灑寬度3～4 m，噴灑能力每分鐘666.6～1 333.2 m2，這將呈現(xiàn)農場化運作，統(tǒng)防統(tǒng)治是未來的大趨勢，據(jù)了解，農業(yè)部計劃在2015年統(tǒng)防統(tǒng)治面積要達到50%的比例，這是非常高的。農場化運作帶來的問題是找人打藥困難，并且打藥是季節(jié)性很強的一種工作。要解決好這些問題，無人機打藥的方式應用潛力巨大。

3 無人直升機民用行業(yè)應用管理方案

針對不同的民用行業(yè)，需采用性能及功能相匹配的無人直升機，任務過程中還要配套使用該行業(yè)的專業(yè)軟硬件。目前民用行業(yè)所采用的無人機應用管理系統(tǒng)方案如圖4所示。

4 關鍵技術及發(fā)展趨勢分析

近年來無人直升機技術進步飛速，但飛行控制系統(tǒng)的設計仍然是無人直升機技術的關鍵，其主要性能包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠性、飛行可監(jiān)控性、系統(tǒng)可操縱性和可維護性及人機界面易交互性［3］。目前無人直升機飛行控制系統(tǒng)出現(xiàn)了許多廣為人知的新技術，如自主貼地和自主起降飛行控制、神經網絡姿態(tài)控制、模糊飛行控制、航空電子綜合控制和多功能綜合顯示、群飛與協(xié)同作戰(zhàn)等技術［4］。目前無人直升機的自主飛行性能已經顯著提高，但在技術的可靠性、成熟度及應對突發(fā)事件能力方面不足。未來還需完善以下問題：

（1）完善遙測遙控系統(tǒng)，提高視距外飛行的安全性和任務質量；

（2）一站多機、一機多站，提高應用、通訊的靈活性；

（3）自主飛行、起降安全性技術有待完善，加大對輔助回收設備和回收方法的研究；

（4）在保證飛行安全的基礎上，提高并完善飛機的材料技術、結構設計，并引入新技術、新功能，降低使用成本；

（5）提高飛機的智能化控制程度，減少操作程序和操作人員。

圖4 民用行業(yè)無人機應用管理方案

隨著技術和功能的不斷革新，未來無人直升機的發(fā)展趨勢是：整機綜合性能要求長航時、高航程、大載荷；功能多，用途廣，高度智能化；新材料、新技術、新結構的拓展應用；微型化、模塊化、多功能一體化，方便運輸、維護［5］；具備全天候飛行能力，能夠在雨、雪、強對流天氣飛行；實現(xiàn)飛機編隊，執(zhí)行多批次、大范圍飛行任務。

5 結束語

加速推廣無人直升機在民用行業(yè)中的應用不僅可解決民用行業(yè)發(fā)展中遇到的問題和困難，也能為我國軍用無人直升機積累技術和飛行上的經驗。隨著各種無人機關鍵技術的突破，以及計算機技術、網絡技術、光電技術在無人直升機上的不斷開發(fā)和應用，相信我國民用無人（直升）機的適航規(guī)范和空中交通管制規(guī)范也會加快制定和完善，無人直升機將以其優(yōu)越的性能在更多更廣的領域中發(fā)揮重要作用。

［1］彭延輝，徐國華.無人駕駛直升機的技術發(fā)展及其關鍵技術［J］.飛行力學，2004，22（1）：1－5.

［2］朱清華，張呈林.無人直升機設計關鍵技術［J］.航空制造技術，2011（11）：26－30.

［3］鄧寅喆，黃圣財.超小型無人駕駛直升機研究現(xiàn)狀［J］.機電一體化，2004（1）：18－21.

［4］賀天鵬，曾洪江.無人直升機研制新進展［J］.情報交流，2009（11）：42－45.

［5］劉波，張洪濤，管明森.無人直升機技術的發(fā)展［J］.船舶電子工程，2011（3）：18－21.