无人直升机在民用行业的应用与发展

周 帅

（船舶重工集团公司723所，扬州 225001）

0 引 言

民用领域所广泛使用的无人机主要包括固定翼和旋翼2类机型。固定翼无人机由于其在飞行载荷、飞行距离以及航速方面具备一定的优势，因此在执行快速、大面积图像采集任务中应用较多。和固定翼无人机相比，无人直升机可以做到无需跑道、起降便利，同时在执行任务过程中具备定点悬停、飞行姿态操纵灵活、实时动态影像清晰稳定的特点，在对勘查影像结果要求较高、注重任务细节和质量的行业，得到越来越多的用户青睐。本文对无人直升机的发展现状、其在国内关键民用行业的应用以及发展趋势做了深入的研究和探讨。

1 国内无人直升机发展现状

到目前为止，国内已发展了多种无人直升机，根据其结构不同大致可以分为3类（如图1～图3所示）：一是常规单旋翼式；二是共轴双旋翼式；三是非常规双旋翼式或其他多旋翼式［1］。

图1 常规单旋翼式

图2 共轴双旋翼式

在民用领域，根据各行业应用的不同需求，无人直升机在设计参数（如机身尺寸、载荷大小、续航时间、飞行高度、航速等）上都有严格要求。目前单旋翼式无人直升机用途最广，其机身长度在2～3 m之间，载荷范围5～10 kg，巡航时间在60～120 min内，多用在长航时、大载荷并且对使用环境要求苛刻的行业；双旋翼式机身长度在1～2 m之间，载荷小于5 kg，续航时间约1 h，多用于中短距离巡视任务；多旋翼式无人机结构紧凑轻便，旋翼直径在80 cm左右，载荷小于2 kg，续航时间在30 min左右，在追求高性价比、运输便携的行业用得较多。

图3 多旋翼式

2 重点行业应用分析

2.1 电力巡检和长输油管道巡检

无人直升机在电力行业主要用于电力巡线和电力放线。

传统的电力巡线是采用人工巡检电力设施的方法，需要对杆塔、电闸、变压器以及故障线路等进行检查，巡线过程中数据的采集和录入也是使用人工记录的方式。整个过程效率较低、采集的数据结果准确性和完整度不高，特别是在某些恶劣环境下，检修工作难以开展，并且可能会威胁到巡线人员的人身安全。而在电力放线方面，这几年来国家很多电力工程项目都集中在新疆、贵州、云南等省份，多数线路会穿越地形复杂、气候恶劣的环境，如冰雪、崇山峻岭、湖泊等地域，而在城区内常常需要跨企业、居民区、高楼。这些情况下如果采用传统人工方式来建线、巡线将会遇到人员不足、施工困难以及安全保障不够等多重问题。

采用无人直升机不仅可以提高项目施工的进度和效率，同时也保障了电力工作人员的安全性，在恶劣环境下执行任务也保证了较好的适应性和灵活性。针对该行业应用，其主要有以下优点：

（1）可定点对线路故障监测，并且实时将动态影像、图片及相关数据传输到地面站；

（2）起降灵活，可对同一线路往返多次监测；

（3）灵活应对复杂地形环境，对大风、冰雪、沙尘等天气有较强适应能力；

（4）设备集成化、模块化，安装运输便利。

除上述优点外，无人直升机取代人工方式巡检线路还大幅提高了工作效率。2011年12月在贵州省镇远县境内采用无人直升机对110 k V镇七双回线路进行巡检拍摄。面对黔东南苗乡侗寨恶劣的自然环境，只用了3个多小时就完成了该条220 k V四基塔距离线路的巡检工作。2012年8月6日由江苏省送变电公司自主研制的无人直升机在扬州市八里镇境内的500 k V新建线路2、3、4号铁塔间成功进行跨越放线施工作业，完成整个任务用时约2.5 h。

类似于电力行业，无人直升机还可用于长输油气管道巡检，如山区管道巡检、近海油气管道监视、灾后次生灾害评价，漏油和盗油点现场定位等，能及时对管道突发事件定位、定性，缩短事故处理时间，减少能源浪费、环境污染甚至可避免灾害的发生［2］。

2.2 影视航拍和新闻媒体

和固定翼无人机相比，无人直升机在空中拍摄的影像稳定性和图片质量都相对较高，所以很多影视广告制作公司都会采用无人直升机来执行航拍任务，这类行业侧重于飞机的便携性和易操作性，并且追求较低的购买和使用成本，而对续航时间、载荷要求不高，所以一般都采用多旋翼无人直升机，这种无人机由于其每个旋翼上都有独立的电机控制，保证了其自身飞行的稳定性，再结合搭载的稳定云台，加上一部高分辨率相机，可以获得质量很高的影片和图像。目前国内生产多旋翼的无人机厂家很多，飞机和地面控制设备等配套设施也比较完善，这类飞机载荷一般在2 kg以内，续航能力可以达到0.5 h，搭载的相机分辨率一般都在2 300万像素左右。

另外由于其配置的螺旋桨尺寸很小，多旋翼无人直升机在安全性和噪音方面也控制得很好，除了广告和影视航拍外，该机型还可以用于警务应用、交通管理、抢险救灾、地质勘探、环境保护及野生动物摄影等多个行业。

2.3 边境巡逻与海事执法

我国地域辽阔，很多边境地区地势陡峭、路途坎坷，常年气候恶劣。边防部队虽然配备了如水上摩托艇、雪域摩托、无线通讯系统等很多现代化装备，但很多特殊地域如高海拔地区、峡谷、雪山、偏远海岛、无人区等仍然需要巡逻战士徒步或骑马才能到达，这给战士的生命安全造成了极大的威胁。曾尝试采用另一种方案，即在这些地区设置无线监控网络，但该方法耗资成本高并且维护困难。

采用无人直升机执行巡视任务，不仅可以克服地理环境的多变性，相比有人直升机以及安装远程监控系统，可以大大降低任务成本和提高效率，并且对敌方能产生监视、震慑和取证的作用。其优点总结如下：对起降场地和环境要求不高，可灵活起飞执行任务；装备超视距控制系统，大范围飞行，且可执行夜航任务；影像实时传输，在大风、雨雪等恶劣气候下得到的图像效果稳定，分辨率和清晰度高；配备地面控制系统，可多架飞机多批次同时起飞，执行地毯式巡逻；执行任务效率高，可降低成本及人员风险。

由于边海防执行任务的特殊性，对无人直升机的性能及可靠性要求很高，载荷一般要求达到10 kg以上，航时要求大于1 h，抗风性能达到6级。今年1月6日，由华南理工大学自主研发的无人直升机已交付我国海监使用。该机最大飞行速度90 km，巡航速度50 km，载荷10 kg时飞行1 h，可通过增加油箱进一步拓展航程，飞行高度可达1 000 m，每巡航4 h仅耗油10 L。实际海上测试时，可在5～6级风中安全平稳飞。另一款扬州德可达公司研制的无人直升机，载荷达10 kg，航时1.5 h以上，其特色是采用双引擎技术，一个引擎坏了，另一个引擎仍可以飞行，保证飞机安全。

2.4 农业应用

无人直升机在农业方面的应用也较为广泛，除了一般的农作物灾情勘查外，特别是在农药喷洒方面优势明显。由于在农药喷洒的过程中药物的剂量需控制均匀稳定，防止出现过喷、漏喷的地方；因此，利用无人直升机向下的强烈旋转气流在喷洒农药时可以在翻动和摇晃农作物的同时，使下方的农作物形成一个紊流区，可以非常均匀地喷洒农药，能将部分农药喷洒到茎叶背面和根部，这是目前人工和其他喷洒设备无法做到的喷洒质量。由于直升飞机下旋风力集中而有力，采用超细雾状喷洒比较容易透过植物绒毛的表面形成一层农药膜，可均匀而有效地杀灭害虫。结合农药喷洒的专业软件，其具备以下特点：

（1）配置全球定位系统（GPS），可以设定喷洒轨迹，实现自动喷洒作业。

（2）速度快，效率高，一次起降可喷洒1.333 2×104m2，需20 min左右，是传统人工的60～80倍。

（3）成本低廉，目前国内已有公司实现批量生产。

（4）环保，通过采用先进的超低容量喷雾技术，平均每亩农田可节约50%的农药及90%的水，有利于减少农产品农药残留和环境污染。

（5）对喷洒农业的种类、剂量、效果及作业的时间、地理位置等数据信息能直观显示、记录和管理，并且系统能自动计算喷洒的总面积、喷洒量。

（6）操作简单并且安全，使用小型平板电脑，携带方便。安装在飞机上的设备集成了超小型嵌入式计算机、GPS模块和微型数传，舵机电源可以直接供电，安装方便。

目前国内生产的农药喷洒无人直升机一般载荷在5～10 kg，飞行时间在30～60 min，喷洒宽度3～4 m，喷洒能力每分钟666.6～1 333.2 m2，这将呈现农场化运作，统防统治是未来的大趋势，据了解，农业部计划在2015年统防统治面积要达到50%的比例，这是非常高的。农场化运作带来的问题是找人打药困难，并且打药是季节性很强的一种工作。要解决好这些问题，无人机打药的方式应用潜力巨大。

3 无人直升机民用行业应用管理方案

针对不同的民用行业，需采用性能及功能相匹配的无人直升机，任务过程中还要配套使用该行业的专业软硬件。目前民用行业所采用的无人机应用管理系统方案如图4所示。

4 关键技术及发展趋势分析

近年来无人直升机技术进步飞速，但飞行控制系统的设计仍然是无人直升机技术的关键，其主要性能包括起飞着陆性能、作业飞行性能、飞行安全可靠性、飞行可监控性、系统可操纵性和可维护性及人机界面易交互性［3］。目前无人直升机飞行控制系统出现了许多广为人知的新技术，如自主贴地和自主起降飞行控制、神经网络姿态控制、模糊飞行控制、航空电子综合控制和多功能综合显示、群飞与协同作战等技术［4］。目前无人直升机的自主飞行性能已经显著提高，但在技术的可靠性、成熟度及应对突发事件能力方面不足。未来还需完善以下问题：

（1）完善遥测遥控系统，提高视距外飞行的安全性和任务质量；

（2）一站多机、一机多站，提高应用、通讯的灵活性；

（3）自主飞行、起降安全性技术有待完善，加大对辅助回收设备和回收方法的研究；

（4）在保证飞行安全的基础上，提高并完善飞机的材料技术、结构设计，并引入新技术、新功能，降低使用成本；

（5）提高飞机的智能化控制程度，减少操作程序和操作人员。

图4 民用行业无人机应用管理方案

随着技术和功能的不断革新，未来无人直升机的发展趋势是：整机综合性能要求长航时、高航程、大载荷；功能多，用途广，高度智能化；新材料、新技术、新结构的拓展应用；微型化、模块化、多功能一体化，方便运输、维护［5］；具备全天候飞行能力，能够在雨、雪、强对流天气飞行；实现飞机编队，执行多批次、大范围飞行任务。

5 结束语

加速推广无人直升机在民用行业中的应用不仅可解决民用行业发展中遇到的问题和困难，也能为我国军用无人直升机积累技术和飞行上的经验。随着各种无人机关键技术的突破，以及计算机技术、网络技术、光电技术在无人直升机上的不断开发和应用，相信我国民用无人（直升）机的适航规范和空中交通管制规范也会加快制定和完善，无人直升机将以其优越的性能在更多更广的领域中发挥重要作用。

［1］彭延辉，徐国华.无人驾驶直升机的技术发展及其关键技术［J］.飞行力学，2004，22（1）：1－5.

［2］朱清华，张呈林.无人直升机设计关键技术［J］.航空制造技术，2011（11）：26－30.

［3］邓寅喆，黄圣财.超小型无人驾驶直升机研究现状［J］.机电一体化，2004（1）：18－21.

［4］贺天鹏，曾洪江.无人直升机研制新进展［J］.情报交流，2009（11）：42－45.

［5］刘波，张洪涛，管明森.无人直升机技术的发展［J］.船舶电子工程，2011（3）：18－21.