系留無人機(jī)：創(chuàng)變催生行業(yè)新藍(lán)海
——來自天樞—100的實踐報告

輕型的多旋翼無人機(jī)已經(jīng)越來越為人們所熟悉，然而一些固有的缺陷限制了其廣泛應(yīng)用。運用創(chuàng)新思路提出新的解決方案，將為無人機(jī)應(yīng)用行業(yè)帶來全新的藍(lán)海市場，也將帶動整個行業(yè)的自主創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。

作為創(chuàng)新的一個案例，北京卓翼智能公司創(chuàng)造性地提出了系留無人機(jī)的概念。不但解決了傳統(tǒng)制約無人機(jī)應(yīng)用的一些關(guān)鍵問題，也開創(chuàng)了一個全新的無人機(jī)門類，為廣泛的用戶行業(yè)帶來了突破性的解決方案。

傳統(tǒng)無人機(jī)的電力短板

近年來，輕型多旋翼無人機(jī)越來越廣泛地運用于軍事、安防、媒體、娛樂、通信、環(huán)保監(jiān)測等領(lǐng)域。多旋翼無人機(jī)飛行穩(wěn)定、操縱簡單，受到了用戶普遍歡迎。特別是起飛重量在100千克以下的多旋翼無人機(jī)，因為價格較低而得到廣泛應(yīng)用。

然而，現(xiàn)有的輕型多旋翼無人機(jī)普遍存在嚴(yán)重的缺陷。主要問題在于動力系統(tǒng)，它的能量來源一般是自身攜帶的鋰電池。要靠這種有限的能量來供無人機(jī)飛行，還要給穩(wěn)定平臺、相機(jī)、無線數(shù)傳等電子設(shè)備供電，對總體設(shè)計提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也造成了嚴(yán)重的性能限制——多數(shù)輕型多旋翼無人機(jī)只能飛行一兩個小時，而且不能攜帶較大功率的有效載荷。

此外，因為能源不足帶來的動力不足，也迫使輕型多旋翼無人機(jī)只能在風(fēng)力較小的環(huán)境里飛行，風(fēng)稍大一點，就會把動力孱弱的無人機(jī)吹得無法控制，甚至墜毀。

能源不足，也嚴(yán)重限制了無人機(jī)的無線傳輸功率，由此導(dǎo)致抗干擾性能和通信能力嚴(yán)重不足。很多時候，民用輕型多旋翼無人機(jī)的飛行事故，都是控制鏈路受到干擾造成的。低發(fā)射功率也限制了實時傳輸?shù)膱D像質(zhì)量。如果犧牲滯空時間來提升發(fā)射功率，又會對其他無線設(shè)備造成干擾。

無限電力的系留無人機(jī)

既然電力供應(yīng)限制了輕型多旋翼無人機(jī)的性能，那么能不能換個思路來擺脫局限呢？電力機(jī)車靠外置電纜供電，兩套車頭就可以牽動萬噸級的列車；高速鐵路靠同樣靠外置電纜供電，可以實現(xiàn)350千米的時速。如果從外部用電纜給無人機(jī)供電，就可以讓它用上更大功率的電動機(jī)、更強(qiáng)健的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以攜帶更大、更重的有效載荷。

當(dāng)然，拖上一根電纜，會讓無人機(jī)像風(fēng)箏一樣，只能在有限的高度和范圍里低速運動。但很多用戶并不需要無人機(jī)做大范圍高速機(jī)動，他們只需要用無人機(jī)把載荷吊上低空就可以了，但他們對無人機(jī)滯空時間的要求卻相當(dāng)高——至少需要飛好幾個小時，這是電池驅(qū)動的電動無人機(jī)無論如何也做不到的。在一定程度上，我們可以認(rèn)為，這些用戶需要的是一個可以移動的高塔。

也許有人會問，難道不能用氣球或者氣艇來解決問題嗎？這兩種飛行器固然可以長時間滯空，但它們的充氣卻需要幾個小時才能完成，在許多需要應(yīng)急布設(shè)的場景下并不適合。當(dāng)任務(wù)完成撤收的時候，還要消耗幾個小時。所以，對于那些時間安排緊湊的任務(wù)來說，氣球和氣艇并不合適。此外，當(dāng)今的氣球和氣艇有三種填充氣體：氫氣、氦氣和熱空氣。氫氣本身易燃，熱氣球需要攜帶一個液化氣爐飛行，存在安全隱患。而氦氣成本高昂，除了少數(shù)軍用型號外，很少會有人采用氦氣飛艇。依靠外置電纜供電、能長時間留空的無人機(jī)，是絕大多數(shù)場景下的最優(yōu)選擇。

引入電纜能夠為無人機(jī)帶來另外的好處。只要沿著電纜布設(shè)一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖，就可以不受干擾地實現(xiàn)飛行控制和數(shù)據(jù)傳輸。沿著這根光纖，有效載荷設(shè)計師可以盡情傳輸高分辨率的圖像和大流量的數(shù)據(jù)，再也不用擔(dān)心發(fā)射功率、干擾之類的問題。操作員同樣可以放心地操控?zé)o人機(jī)平臺，不會干擾別人也不會受別人干擾。

當(dāng)然，任何一種設(shè)想都不會輕易變成現(xiàn)實，要想用一根電纜加上光纖來驅(qū)動和操控?zé)o人機(jī)，還需要解決相當(dāng)多的關(guān)鍵技術(shù)。更重要的，是需要一批有行動力的創(chuàng)業(yè)者。畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)的任雪峰碩士帶領(lǐng)一批志同道合的年輕人，開始了系留無人機(jī)的研究。

研究伊始，雖然已經(jīng)積累了豐富的無人機(jī)飛控和整機(jī)系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗，但團(tuán)隊還是面臨著諸多系留無人機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決：線纜自動控制技術(shù)、運動平臺自動跟隨技術(shù)、一鍵起飛和精準(zhǔn)降落技術(shù)、抗風(fēng)穩(wěn)定性技術(shù)、精確定位技術(shù)、飛行精確控制技術(shù)、超輕光電復(fù)合電纜技術(shù)、有線控制技術(shù)、小重量大功率機(jī)載電源技術(shù)、備電無縫切換技術(shù)、異常情況下的飛行安全處理技術(shù)....這些問題一個個橫亙在任雪峰和他的團(tuán)隊面前。

創(chuàng)業(yè)者總是攻堅克難，系留無人機(jī)研發(fā)團(tuán)隊選擇了迎難而上。在接下來的一千多個日夜里，任雪峰和他的團(tuán)隊忘我地投入了關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)中，一遍遍地重復(fù)著研討、設(shè)計、開發(fā)、測試、改進(jìn)的過程，這期間既經(jīng)歷了失敗、失落，更享受了成功、喜悅，既有飛機(jī)突然自行降落后才發(fā)現(xiàn)忘開地面電源的低級失誤，也有一陣大風(fēng)吹來飛機(jī)如釘子般穩(wěn)穩(wěn)釘在空中的高光時刻。就在失敗與成功交織伴隨的過程中，系留無人機(jī)團(tuán)隊越來越成熟。

關(guān)鍵技術(shù)的解決，為系留無人機(jī)設(shè)想的實現(xiàn)鋪平了道路。經(jīng)過不懈的努力，任雪峰團(tuán)隊和他們的卓翼智能公司研制出了自主知識產(chǎn)權(quán)的系留無人機(jī)，這種被稱為天樞-100型號的系留無人機(jī)一經(jīng)上市，就被諸多行業(yè)定制并投入到了商業(yè)運用。為了方便入門級用戶充分發(fā)揮無人機(jī)性能，天樞-100采用了簡易化操縱系統(tǒng)和操縱方式。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，天樞-100可以一鍵起飛、一鍵回收，操作員不需要經(jīng)過復(fù)雜的操作訓(xùn)練就可以掌握。即使在風(fēng)力較大的天氣情況下，無人機(jī)不能直接降落到起飛平臺，操作員也只需要回收電纜，再把無人機(jī)從地面抬回起飛平臺，收納起來。有些不熟練的操作人員很可能因為誤操作而切斷了無人機(jī)的電力供應(yīng)。這時，天樞-100上的備用電池就可以發(fā)揮作用，在幾分鐘的時間內(nèi)安全迫降到地面，避免無人機(jī)墜毀帶來的人身傷害和財產(chǎn)損失。

天樞-1 0 0使用模式分析

根據(jù)天樞-100的特點，可以設(shè)想這樣幾個應(yīng)用場景。

（1）應(yīng)急通信

大型體育比賽、文藝演出舉辦時，會有數(shù)萬甚至十多萬觀眾來到現(xiàn)場。高潮之處，人們往往會拿出手機(jī)，把精彩的畫面以及視頻拍攝下來，共享給親朋好友。但對于移動運營商來說，意味著在某個很小的區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)了通信需求的井噴。同樣的情況也會發(fā)生在繁華商業(yè)區(qū)、春運車站和突發(fā)事件現(xiàn)場。一般來說，運營商會出動應(yīng)急通信車來到現(xiàn)場，用升降桿部署天線，滿足突發(fā)性的通信需求。但是升降桿的高度是有限的，一般來說12米就是極限。這就導(dǎo)致天線必須面臨地物遮擋和反射的復(fù)雜問題。天樞-100系留無人機(jī)有能力攜帶重達(dá)8千克的有效載荷升空，而移動通信服務(wù)提供商常用的應(yīng)急基站天線重量只有不到1千克。當(dāng)無人機(jī)攜帶著天線上升到100米的空中，可以服務(wù)30千米半徑內(nèi)的廣大用戶，而且不會被遮擋。

（2）要地監(jiān)控與應(yīng)急指揮

在這個復(fù)雜多變的世界上，反恐和安保已經(jīng)成為日常生活的一部分。為了支撐社會的日常運行，電廠、燃?xì)庹?、油庫、車站、港口、自來水廠等民生設(shè)施的安保壓力與日俱增。自古以來，人們就用瞭望塔來滿足這樣的安保需求。但是高塔本身的造價和工期都讓人望而卻步。天樞-100可以攜帶一組多頻段的高分辨率監(jiān)控設(shè)備，只用幾分鐘的時間就可以升到100米甚至200米高空，自由指向機(jī)下的任何一個方向，可以概覽也可以特寫，可以用可見光也可以用熱成像，為監(jiān)控員提供無遮擋的監(jiān)視手段。在一些大型固定設(shè)施的監(jiān)控場景下，天樞-100還可以用市電直接提供能源，全壽命成本只有高塔的一個零頭。而且，高塔很少能達(dá)到上百米的高度。

當(dāng)重要設(shè)施發(fā)生緊急情況，政府、公安、武警、消防、搶修、醫(yī)療、民政等所有部門都需要一種能持續(xù)監(jiān)視現(xiàn)場的手段，支持現(xiàn)場指揮員的決策和指揮。在這個時候，天樞-100可以在幾分鐘內(nèi)升空，開通可見光或者熱成像視頻，讓指揮員看個清楚。如果需要變換視角，可以發(fā)動汽車，天樞-100就會自動跟上。

（3）大氣監(jiān)測

霧霾天氣越來越頻繁，環(huán)保部門的大氣成分監(jiān)測工作，日夜不休。根據(jù)一些無人機(jī)愛好者的實際觀測，霧霾的高度一般在400米以下，這就給傳統(tǒng)的氣象觀測手段帶來了難題：地表儀器太低、氣象氣球太高。至于氣象火箭，它留空的時間實在太短。天樞-100雖然飛不到400米，但可以帶著儀器，在霧霾最為濃厚的200米以下高度精密監(jiān)測。更重要的是，作為動力強(qiáng)勁的系攬飛行器，系留無人機(jī)可以精確控制高度。理論上，它可以一米一米地升降，精確地測定霧霾隨高度如何變化，甚至可以精確監(jiān)測一街之隔的兩個小區(qū)的霧霾程度有什么不同。

（4）新聞采集

當(dāng)突發(fā)社會事件的時候，新聞現(xiàn)場總是需要盡可能多的鏡頭角度捕捉到事件發(fā)展和處理的場景。但是常用的無人機(jī)只能飛幾十分鐘，留空時間有限，抗風(fēng)能力差，工作不穩(wěn)定。至于直升機(jī)，最普通的直-9采購單價是4000萬元，機(jī)組和乘員有4人之多，飛行費用十分高昂，中小欄目組是根本負(fù)擔(dān)不起的。天樞-100給這樣的需求提供了一種現(xiàn)實解決方案，節(jié)目組可以對新聞現(xiàn)場保持24小時不間斷的俯視跟蹤。

（5）線路巡查

跑著放風(fēng)箏，想必大家都做過。開車放風(fēng)箏，有人試過嗎？天樞-100就可以讓我們嘗試一下開車放風(fēng)箏的感覺。但這不是玩耍，為了支撐現(xiàn)代生活，各類運營商們使用不同類型的長途線路，運送著乘客、貨物、天然氣、石油、自來水、污水、電力和比特。任何線路發(fā)生故障，就會影響人們的正常生活，但巡線是個艱苦的工作，傳統(tǒng)的人工巡線效率很低，驅(qū)車巡線又很難覆蓋一些復(fù)雜地形上的設(shè)施。那么，如果把車輛和無人機(jī)結(jié)合起來呢？無人機(jī)可以跟隨載車，用不超過每小時36千米的速度飛行，在百米高度俯視漫長的線路。至于載車上的工作人員，司機(jī)只要認(rèn)真開車、監(jiān)控員只要認(rèn)真看視頻就可以了。

說到這里，廣大潛在用戶可能會對天樞-100的使用迸發(fā)出更多靈感。實際上，已經(jīng)有很多用戶創(chuàng)造了大量成功的案例，我們會在后續(xù)的文章中分類介紹。