毛秋紅

(貴州省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，貴州 貴陽 550004)

1 研究背景

近年來，隨著我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)在物流、城市公共服務(wù)、應(yīng)急救援等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了拓展應(yīng)用。最大起飛重量超過150 kg的大型民用無人機(jī)憑借其大載荷、長航時和遠(yuǎn)航程的優(yōu)勢逐漸進(jìn)入人們視野，預(yù)計(jì)未來將成為無人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一，有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

“十三五”“十四五”期間，我國陸續(xù)出臺相關(guān)政策支持民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“大力引導(dǎo)無人機(jī)創(chuàng)新發(fā)展”。專利情報(bào)分析是獲取技術(shù)信息、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的重要手段。因此，本文從專利情報(bào)分析的角度，對大型民用無人機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)、飛控系統(tǒng)、通信鏈路、動力系統(tǒng)、仿真模擬以及地面控制等關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行研究，為我國大型民用無人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

2 研究方法及專利數(shù)據(jù)檢索

本文主要采用專利情報(bào)分析方法，通過對大型民用無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)專利信息的定量和定性分析，了解該技術(shù)發(fā)展的狀況及趨勢。本文專利信息的數(shù)據(jù)來源于智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫和大為專利檢索系統(tǒng)。根據(jù)大型民用無人機(jī)技術(shù)分解及遴選出的關(guān)鍵技術(shù)，確定技術(shù)關(guān)鍵詞，建立不同的檢索策略進(jìn)行國內(nèi)外專利檢索，最后經(jīng)過合并同族、人工去噪等處理，截至2021年1月31日，共檢索到相關(guān)全球?qū)＠暾? 750項(xiàng)，其中機(jī)體設(shè)計(jì)、飛控系統(tǒng)、通信鏈路、動力系統(tǒng)、仿真模擬以及地面控制的專利申請數(shù)量分別為614項(xiàng)、1184項(xiàng)、255項(xiàng)、132項(xiàng)、119項(xiàng)、125項(xiàng)[1]。

3 大型民用無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)體設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)體設(shè)計(jì)專利發(fā)展趨勢

從機(jī)體設(shè)計(jì)的分支技術(shù)分布來看(見圖2)，大型民用無人機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)技術(shù)集中在傾轉(zhuǎn)旋翼、復(fù)合翼和其他機(jī)翼結(jié)構(gòu)(含固定翼)。另外，還涉及到有人機(jī)改無人機(jī)的技術(shù)，如起落機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)等。這三種機(jī)翼結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，傳統(tǒng)的大型機(jī)通常采用固定翼，但固定翼飛機(jī)需要較為嚴(yán)格的起降設(shè)施。傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)能實(shí)現(xiàn)垂直起降，對場地要求低，適用于更多場合，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。復(fù)合翼無人機(jī)可行性高、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)成本低，研發(fā)難度低于傾轉(zhuǎn)旋翼。目前，傾轉(zhuǎn)旋翼成品無人機(jī)有京東的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)VT1。雖然相比固定翼大型無人機(jī)的產(chǎn)品，傾轉(zhuǎn)旋翼和復(fù)合翼無人機(jī)顯得較為單薄，但這兩種機(jī)翼結(jié)構(gòu)無疑會是未來的發(fā)展熱點(diǎn)。

圖2 機(jī)體設(shè)計(jì)分支技術(shù)分布

從主要專利申請人(見圖3)可見，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)魚鷹運(yùn)輸機(jī)的制造商Bell Textron的專利申請量遙遙領(lǐng)先，雖然目前該企業(yè)尚未開發(fā)無人機(jī)產(chǎn)品，但考慮到其技術(shù)可移植到無人機(jī)，尤其是對于搶險救災(zāi)物資運(yùn)輸功能的大型無人機(jī)十分重要，所以也將其專利納入研究范疇。其他申請人專利數(shù)量有限，均在30項(xiàng)以下，如中國企業(yè)深圳智航、順豐、京東和美國波音公司(Boeing)和西科斯基飛機(jī)公司(Sikorsky)。

圖3 機(jī)體設(shè)計(jì)專利申請人

3.2 飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)飛控系統(tǒng)是穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，控制無人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制、高度控制和航路控制等飛行模態(tài)[4]。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)包括硬件和控制方法兩部分，其中飛控硬件又包括自動駕駛儀、余度管理細(xì)分為計(jì)算機(jī)余度管理、傳感器余度管理和作動系統(tǒng)余度管理、軟件架構(gòu)和電路等；而飛行控制方法包括航跡規(guī)劃&控制、起落控制、飛行姿態(tài)控制、避障、飛行參數(shù)測控、故障檢測&處理、飛行編隊(duì)、應(yīng)急處理等10個分支技術(shù)。

從圖4看出，飛行控制系統(tǒng)的專利申請態(tài)勢是逐年增長的，以控制方法為主，其2001年后、2015年后實(shí)現(xiàn)了2次較大的數(shù)量跳躍；而控制硬件的進(jìn)展不顯著。值得注意的是，大型無人機(jī)前期主要是應(yīng)用于軍事，考慮到軍工領(lǐng)域的特點(diǎn)，許多技術(shù)不以專利的形式進(jìn)行保護(hù)，而是以商業(yè)秘密等不公開的形式來保密其技術(shù)方案。

圖4 飛行控制系統(tǒng)專利發(fā)展趨勢

通過飛控系統(tǒng)分支技術(shù)的分布圖(見圖5)可見，飛行控制方法以航跡規(guī)劃&控制、起落控制、飛行姿態(tài)控制、避障、飛行參數(shù)測控、故障檢測&處理、飛行編隊(duì)、應(yīng)急處理為主，其中廣義的航跡規(guī)劃可包括避障；而飛行控制硬件專利以自動駕駛儀、計(jì)算機(jī)余度、傳感器余度、作動系統(tǒng)余度為主。

圖5 飛行控制系統(tǒng)分支技術(shù)分布

航跡規(guī)劃&控制技術(shù)[5]即“導(dǎo)航”是將航行載體從起始點(diǎn)引導(dǎo)至目的地的技術(shù)或是方法。無人飛行器航跡規(guī)劃是為了找到一條能夠保證飛行器順利完成飛行任務(wù)的最優(yōu)或滿意的航跡。在航跡規(guī)劃過程中需要考慮許多因素，這些因素之間往往存在相互耦合的關(guān)系，因此在航跡規(guī)劃過程中需要對多種因素進(jìn)行相互協(xié)調(diào)[6]。在航跡規(guī)劃&控制技術(shù)方向，基于衛(wèi)星定位和慣性導(dǎo)航的組合導(dǎo)航系統(tǒng)已成為當(dāng)前重要的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢并取長補(bǔ)短，利用衛(wèi)星信號的長期穩(wěn)定性與適中精度來彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航部件的誤差隨時間傳播而增大的缺點(diǎn)，利用慣性導(dǎo)航部件的短期高精度來彌補(bǔ)衛(wèi)星接收機(jī)在受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等的缺點(diǎn)。

無人機(jī)避障技術(shù)是無人機(jī)自主躲避障礙物的智能技術(shù)[7]。目前，無人機(jī)的避障技術(shù)中最為常見的是紅外線傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器以及視覺傳感器。避障技術(shù)發(fā)展方向以強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Reinforcement Learning，RL)和深度學(xué)習(xí)(Deep Learning，DL)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)方法快速發(fā)展，在無人機(jī)自主飛行控制與決策領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。未來避障技術(shù)將與航跡規(guī)劃合二為一，實(shí)現(xiàn)自動避障，中斷航跡后重新規(guī)劃。

行家看門道，兩位專家發(fā)現(xiàn)、分析、判斷問題的專業(yè)能力可謂老而彌堅(jiān)，令遲恒信服，他點(diǎn)滴不漏地錄音、拍照。這一趟的收獲交上去，魏昌龍恐怕連在主任面前還價的余地都沒有。

起落控制技術(shù)方面，激光引導(dǎo)著陸技術(shù)是未來發(fā)展的方向，仍可為無人機(jī)安全著陸提供可靠保障，具有低成本、可靠性高等特點(diǎn)。

飛行控制硬件方面，主要是自動駕駛儀和余度管理。自動駕駛儀綜合要求高，技術(shù)難度較大，目前霍尼韋爾Honeywell等巨頭飛行控制方面的專利排在首位，擁有核心技術(shù)。余度管理技術(shù)，也叫容錯技術(shù)，是提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性與安全可靠性的一種重要手段。飛控計(jì)算機(jī)的余度模式方案采用同構(gòu)型余度的模式比較多，大多數(shù)無人機(jī)都采用并聯(lián)熱備份方式，出現(xiàn)故障時響應(yīng)快、實(shí)時性好。

從圖6飛行控制系統(tǒng)主要申請人可見，飛行控制方法的專利申請人中老牌航空巨頭美國波音公司(BOEING)和空客(AIRBUS)、知名部件供應(yīng)商霍尼韋爾(HONEYWELL)、法國泰雷茲集團(tuán)(THALES)、西科斯基飛機(jī)公司(SIKORSKY)等國外企業(yè)，及國內(nèi)以北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等三大航空院校均是專利量較多的申請人。國內(nèi)上榜的企業(yè)有深圳大疆，雖然是消費(fèi)級無人機(jī)的絕對領(lǐng)頭羊，但只有部分專利適用于大型無人機(jī)，相關(guān)專利數(shù)量并不多。

圖6 飛行控制系統(tǒng)主要申請人

從飛行控制硬件來看，以自動駕駛儀為主的飛控硬件，可看作是飛控方法的硬件載體，硬件本身技術(shù)點(diǎn)較少?；裟犴f爾(HONEYWELL)作為零部件供應(yīng)商，自然少不了軟硬件的專利布局。其他申請人的飛控硬件，大多數(shù)以硬件冗余管理為主，具有自動駕駛儀技術(shù)及產(chǎn)品的申請人較少。

3.3 通信鏈路技術(shù)

無人機(jī)通信鏈路是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，是無人機(jī)與地面系統(tǒng)聯(lián)系的渠道。從通信鏈路的專利發(fā)展趨勢(見圖7)來看，大型民用無人機(jī)通信鏈路技術(shù)的研究相對較少，從2011年以后才逐漸波動上升，主要是當(dāng)前仍采用傳統(tǒng)大型有人機(jī)的通信系統(tǒng)，并無太多創(chuàng)新。

圖7 大型民用無人機(jī)通信鏈路專利發(fā)展趨勢

從分支技術(shù)分布(見圖8)來看，視距通信和衛(wèi)星通信占比較大。當(dāng)無人機(jī)位于低空域時，可以用視距通信和5G，高空時通常采用衛(wèi)星通信。相比于中小型無人機(jī)，大多數(shù)都處于視線范圍內(nèi)，大型無人機(jī)飛行距離和飛行高度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，因此，更多的研究集中在衛(wèi)星通信。衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈利用地球同步軌道的通信衛(wèi)星進(jìn)行中繼傳輸，不受視距范圍限制，可以滿足大型民用無人機(jī)在任務(wù)飛行時大范圍機(jī)動、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，?yōu)勢明顯。

圖8 大型民用無人機(jī)通信鏈路分支技術(shù)

另外，從專利申請人分析，大型民用無人機(jī)的通信鏈路技術(shù)各專利申請人申請的專利均不多，都在15項(xiàng)以下，申請人中羅克韋爾(ROCKWELL)和韓國電子通信研究院是專注于做通信領(lǐng)域的，其專利申請分別為9項(xiàng)、6項(xiàng)，其他北航、彩虹無人機(jī)等申請人都是無人機(jī)綜合技術(shù)的研究者。

3.4 動力系統(tǒng)

大型無人機(jī)的動力系統(tǒng)，通常和有人機(jī)的動力系統(tǒng)通用，因此早期無人機(jī)的動力系統(tǒng)研究多數(shù)是直接將成熟的有人機(jī)動力系統(tǒng)移植而來。在2008年之后，隨著無人機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，研究人員開始關(guān)注專門用于無人機(jī)的動力系統(tǒng)，專利申請數(shù)量才有所上升，但數(shù)量也不多，每年的專利申請數(shù)量多數(shù)在10項(xiàng)左右。

從動力系統(tǒng)分支技術(shù)分布來看(見圖9)，燃油發(fā)動機(jī)專利最多，其次是混合動力，螺旋槳和電機(jī)。混合動力方面，專利主要集中在油電動力的耦合和集成控制技術(shù)上；Elroy航空公司的Chaparral無人機(jī)及斯洛文尼亞Pipistrel公司的Nuuva系列貨運(yùn)無人機(jī)均采用了混合動力，但相關(guān)公開專利不多。螺旋槳技術(shù)主要集中在螺旋槳的變距和鎖緊技術(shù)。大型民用無人機(jī)，尤其是國內(nèi)外對大型貨運(yùn)無人機(jī)研究較多，其特點(diǎn)是載重大、航程遠(yuǎn)，因此燃油發(fā)動機(jī)是主要的技術(shù)方向，尤其是對于常規(guī)發(fā)動機(jī)在無人機(jī)應(yīng)用時的改裝、空中自動起動等。

圖9 大型民用無人機(jī)動力系統(tǒng)分支技術(shù)

從大型民用無人機(jī)的動力系統(tǒng)專利申請人分布(見圖10)來看，國內(nèi)外企業(yè)相差不多。但國外主要申請人的專利數(shù)量多于國內(nèi)申請人，其中貝爾特事隆公司(Bell Textron)有16項(xiàng)專利申請，主要是發(fā)動機(jī)與傾轉(zhuǎn)翼的隨動樞轉(zhuǎn)裝置。而貴州企業(yè)貴航無人機(jī)在2008年就有了無人機(jī)發(fā)動機(jī)的專利申請，起步很早。其他國內(nèi)外涉及無人機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)和研究院所，如順豐(包括朗星無人機(jī)和豐鳥無人機(jī))、西北工業(yè)大學(xué)(包括與西安愛生的合作開發(fā))、成都縱橫大鵬無人機(jī)、中國科學(xué)院工程熱物理研究所和天域航通等，也都展開了對有人機(jī)發(fā)動機(jī)在無人機(jī)應(yīng)用的改造研究。

圖10 動力系統(tǒng)專利申請人

3.5 仿真模擬

無人機(jī)的仿真模擬包括飛行模擬、仿真測試及通信模擬等。無人機(jī)的仿真效果、訓(xùn)練效果、作用發(fā)揮已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了輔助訓(xùn)練的作用，已成為飛機(jī)研發(fā)的重要組成部分[8]。無人機(jī)的仿真模擬，大體和有人機(jī)的仿真模擬類似，區(qū)別在于主要是培訓(xùn)無人機(jī)操作手對飛行的遠(yuǎn)程控制。從無人機(jī)仿真模擬專利分支技術(shù)的主要分布來看(見圖11)，仿真模擬主要包括飛行模擬、通信模擬和仿真測試。飛行模擬是仿真模擬技術(shù)最重要的技術(shù)方向，例如模擬飛行中的電磁環(huán)境、載荷分析模型、多模式訓(xùn)練模擬器等。仿真測試主要是在一定程度上替代實(shí)驗(yàn)測試飛機(jī)性能，從而縮短測試周期并降低費(fèi)用支出。在仿真模擬中，還重點(diǎn)考慮了無人機(jī)飛行中與其他飛機(jī)的空域管理，避免影響到現(xiàn)有的航空秩序。從專利申請人來看，進(jìn)行大型民用無人機(jī)仿真模擬的主要是國內(nèi)申請人，主要有北京航天航空大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、成飛、沈飛等，其專利申請分別為12項(xiàng)、10項(xiàng)、7項(xiàng)和6項(xiàng)。其實(shí)相比國外，國內(nèi)在有人機(jī)飛行模擬方面落后于國外，但在無人機(jī)仿真模擬的專利布局，國內(nèi)更快。

圖11 仿真模擬專利分支技術(shù)

3.6 地面控制

無人機(jī)在飛行執(zhí)行任務(wù)過程中，并不是純粹的“無人”操控，其實(shí)是在地面控制人員的監(jiān)測和引導(dǎo)下，對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對其上傳控制指令，調(diào)整其飛行狀態(tài)，來完成預(yù)定任務(wù)。任何時刻無人機(jī)都離不開地面監(jiān)控系統(tǒng)的保障和支持，地面監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣程度對操作人員控制無人機(jī)的判斷起著至關(guān)重要的作用。此外，地面監(jiān)控系統(tǒng)被應(yīng)用到各個方面，如航空管制、氣象監(jiān)測等[9]。

從地面控制站專利分支技術(shù)分布(圖12)來看，地面控制站技術(shù)專利涉及面很廣，其中以遠(yuǎn)程控制、人機(jī)界面、通用化平臺、出入站管理、多機(jī)管理、數(shù)據(jù)處理、軟件架構(gòu)等為主。人機(jī)界面友好能夠準(zhǔn)確地顯示關(guān)鍵信息，方便操作人員準(zhǔn)確操作，減少操作失誤概率，減輕操作人員的壓力。通用化平臺發(fā)展，可通過軟件重組的方式使地面站控制不同類型的無人機(jī)，減少不必要的重復(fù)工作。大型民用無人機(jī)需要日常檢測和維護(hù)，也是地面站的操作任務(wù)。大型無人機(jī)尤其執(zhí)行任務(wù)時，傳送數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)大于其他無人機(jī)，因此需要優(yōu)化軟件架構(gòu)，提升數(shù)據(jù)處理能力。另外，對于大型無人機(jī)而言，需要協(xié)調(diào)出入站管理；減少跑道占用時間，降低機(jī)務(wù)人員的牽引負(fù)擔(dān)。

圖12 地面控制站專利分支技術(shù)分布

4 結(jié)論

本文通過對大型民用無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢、分支技術(shù)分布以及專利申請人等進(jìn)行分析，得出了以下研究結(jié)論。

1)在機(jī)體設(shè)計(jì)方面，目前已試飛的大型無人機(jī)大多數(shù)是由有人機(jī)改裝而來，因此產(chǎn)生的專利不多。傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)憑借各自的優(yōu)勢將會是未來無人機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)。

2)飛行控制技術(shù)是無人機(jī)的核心技術(shù)。飛行控制方法方面航跡規(guī)劃&控制、起落控制、飛行姿態(tài)控制、避障技術(shù)的專利較多，而飛行控制硬件的專利集中在自動駕駛儀、計(jì)算機(jī)余度、傳感器余度等領(lǐng)域。從專利申請人來看，國外飛行控制方法擁有的專利多于國內(nèi)。

3)無人機(jī)通信鏈路是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。視距通信、衛(wèi)星通信和5G都是技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。

4)大型無人機(jī)的動力系統(tǒng)通常和有人機(jī)的動力系統(tǒng)通用，從動力系統(tǒng)分支技術(shù)分布來看，燃油發(fā)動機(jī)專利最多，其次是混合動力，螺旋槳和電機(jī)。從申請人分布來看，國內(nèi)外企業(yè)相差不多。

5)無人機(jī)仿真模擬專利分支技術(shù)主要分布在飛行模擬、通訊模擬和仿真測試等領(lǐng)域，該技術(shù)方向的專利主要是國內(nèi)申請人申請的。

6)無人機(jī)在飛行中執(zhí)行任務(wù)的過程需要地面控制人員的監(jiān)測和引導(dǎo)，專利分布在遠(yuǎn)程控制、人機(jī)界面、通用化平臺、出入站管理、多機(jī)管理、數(shù)據(jù)處理、軟件架構(gòu)等領(lǐng)域。

綜上，對大型民用無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，將有助于推動大型民用無人機(jī)技術(shù)的完善和創(chuàng)新，為大型民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展提供了專利情報(bào)支撐。