基于互联网看国内无人直升机发展

张栋 董军堂 雷文礼

（延安大学物理电子信息学院，陕西延安，716000）

2010 年11 月14 日，国务院、中央军委发布《关于深化我国低空空域管理改革的意见》，对深化我国低空空域管理改革作出了部署，为我国通用航空快速增长提供了无限可能。出于对低空开放的不同预期，低空通用航空改变了一潭死水的现状，出现了各个层面的活跃现象。

无人直升机鉴于旋翼机本身存在稳定性差、强耦合、时滞、非线性等问题，使得飞行控制不易实现，但其可以垂直起降、起飞降落场地小、无需火工品、空中悬停，可完成无人定翼机无法执行的一些作业任务，处于快速发展中。[1]与有人驾驶的飞行器相比，无人直升机可以节约驾驶员培训费用和降低使用成本，具有一定的相对优势。

本文基于互联网上公开报道的无人直升机民用事例，去伪存真，力争展现国内无人直升机真实的发展面貌与应用前景。

一、报道案例

1．莱芜电力巡线[2]

中国电力新闻网2010 年4 月报道，500 kV 川泰Ⅰ、Ⅱ线莱芜雪野湖段，一架无人驾驶直升机按照预设的线路对输电线路、铁塔等进行拍照和视频拍摄，并将检测到的数据和图像实时传输到地面测控车的监控后台上。这是山东电力研究院自主研发的电力线路无人飞行巡检系统首次在带电线路上成功试飞。此次试飞全程15min，巡检 1.6km 线路。

图1 莱芜电力巡线（周小铮摄）

2.伊犁农田施肥施药[3]

伊犁新闻网2011年7 月报道，两架旋翼飞行机器人在农四师七十团场的番茄地里成功实施了喷肥作业，这是旋翼飞行机器人研发成功后在国内首次进行农业田间实践作业应用。目前，无人机应用于农田病虫害防控还在实验研究阶段，但技术基本成熟，可以进行推广。

图2 伊犁农田施肥施药（赖宇宁摄）

3．U8 无人直升机通过技术鉴定[4]

中国航空报网2011 年12 月 报 道，中航工业直升机所历经7 年自主研发的U8无人直升机顺利通过技术鉴定审查，这标志着U8 无人直升机可以实现产品化，具备了批量生产和市场投放条件，可满足市场应用需要，也标志着直升机所无人直升机发展进入一个崭新阶段。此前6 月，U8 无人直升机赴青海高原试飞取得圆满成功，这是国产无人直升机首次飞行在海拔3000m 以上高原地区。

图3 U8 通过技术鉴定

4.福建电力巡检[5]

智能电网2011 年12 月报道，由福建福州电业局研发定制的电力巡检无人直升机，从闽侯五虎山山麓的平地起飞，短暂悬停30s 后，按预设航线飞赴高家Ⅰ、Ⅱ回输电线路执行飞行巡检任务。巡视全程历时20min。这一无人直升机巡检系统研究历时3 年，可实现超低空、超视距全程自主飞行。

图4 福建电力巡检（陈蒸摄）

5．福建输电线路巡检[6]

英大网2012 年2 月报道，由福建省电力有限公司牵头实施的国家电网公司总部科技项目“无人飞行器巡检技术研究”在福州完成新系统的研发试飞，按照预设航线飞赴东高I、II 回输电线路执行飞行巡检任务，这标志着该项目取得了阶段性成果。

图5 福建输电线路巡检

6．瑞龙无人直升机交付使用[7]

扬州晚报网2012 年11 月报道，具有自主知识产权的首架“瑞龙”系列无人直升机在空中完成了前进、后退、转弯、爬升、盘旋等一系列精彩动作,为扬州无人直升机产业启动仪式画上圆满句号。由扬州德可达科技有限公司生产的“TC-2130”双引擎无人直升机在现场顺利交付中石油公司, 用于野外石油地质勘探和测量等工作。

图6 TC-2130 瑞龙无人直升机

7．青岛电力巡检[8]

中电新闻网2013 年1 月报道，在青岛即墨市马山镇下泊村，一架无人直升机 沿 着220kV 崂 马I 线飞行并定点悬停，为线路和杆塔进行全方位智能“体检”。这是国家电网公司山东电力科学研究院自主研发的“输电线路无人直升机智能巡检系统”用于科技保电的一个镜头。

8．四川电力巡检[9]

中国电力新闻网2013 年2 月报道，由国家电网四川省电力公司检修公司、总参60 所合作开展的“Z-5 型无人直升机巡检及应急保障适用性研究”项目，在成都顺利通过由四川省电力公司、西北工业大学、南航直升机研究所、北京航空航天大学等单位的专家组成的评审组技术评审。此前，该架无人直升机先后参与 “四川省2012 年‘512’防灾救灾综合实战演练”、四川省电力公司主办的“四川电网‘512’大面积停电应急演练”，并在什邡500kV 变电站、500kV 谭乐一线、500kV 月普线区段和500kV 蜀州变电站进行了飞行试验及实用化飞行巡视工作。

图8 四川电力巡检

9．雅安地震现场救援[10]

沈阳晚报网2013 年4 月报道，沈阳自动化所派出的旋翼无人机系统在芦山县开展现场飞行应用，通过可见光载荷回传视频观测道路受阻情况，并将情况报告给救援队，为疏导由芦山通往宝兴道路上的受阻车辆发挥了作用。在龙门乡政府、龙门乡红星村初试身手后，该无人机独自承担了对芦山县两个乡的搜索任务，帮助救援人员节约了大量的人力和时间。

图9 雅安地震现场救援（孙海摄）

10．航摄系统通过国家级评审[11]

图7 青岛电力巡检

中国航空报2013 年5 月报道， V750-SW 型高精度无人直升机航摄系统日前通过了国家级评审。该系统由潍坊天翔航空工业有限公司、中航工业自控所和中国电子科技集团公司第十研究所共同研发，是当前我国载重量最大的无人直升机系统平台。此前，V750 在山东省潍坊市北部沿海区域首飞，并交付山东国土部门使用。

图10 V750 潍坊首飞（王耀光摄）

11．大兴安岭森林监测[12]

内蒙古新闻网2013年6 月报道，国家首次在林业系统应用的Z-5型中型无人直升机在内蒙古大兴安岭林区根河航空护林站首航成功。首航中，无人直升机演示了自动飞行监测、卫星通信视频图像信息传输、3G 设备视频图像信息传输、火情识别定位、北斗定位显示及短报文通信等飞行科目。

二、 机型介绍

在上述案例中，无人机分别为天鹰Z-3、Z-5、博翔3 号、TC-2130 瑞龙号、V750、U8 无人直升机、汉和无人直升机等。

其中，案例1、4 采用Z-3 无人直升机，是总参谋部第六十研究所研制的一种小型飞行平台，最大起飞重量120kg，最大任务载荷25kg，主旋翼直径3.4m，机长3.6m，高度1.1m，发动机为25kW，最大飞行高度3200m，最大悬停高度800m，最大续航时间1h，最大飞行速度为120km/h。[1,2,5]

案例2 采用博翔3 号无人直升机，是中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制，最大起飞重量120kg，最大任务载荷20kg，主旋翼直径3.29m，机长3.8m，高度1.26m，续航时间1h，最大飞行速度为120km/h，典型巡航速度60 km/h，实用升限3000m，抗风能力5 级，作业半径20km（以地面站为中心），航迹精度误差小于3m，巡航速度误差小于1m/s，可定点悬停，精度误差小于3m。[3]

图11 大兴安岭森林监测（邓宏鹏摄）

案例3 采用的U8 无人直升机为中航工业直升机所研制，无人直升机最大起飞重量230kg，任务载荷40kg，续航时间4h，控制半径100km，最大平飞速度150km/h，巡航速度120km/h，使用升限3000m。[4]

案例5、8、11 采用总参谋部第六十研究所研制的Z-5无人直升机，最大起飞重量为450kg，任务载荷为50-80kg，含旋翼外伸长为7.23m，高为2.37m，宽为1.5m，最大巡航速度160km/h，续航时间为4-6h；使用升限为2500m。[6,9,12]

案例6 采用的TC-2130 瑞龙无人直升机是扬州德可达研制，最大起飞重量90kg，最大任务载荷30kg，主旋翼直径3.3m，机长2.9m，高度0.9m，双8kW 涡轴发动机，最大飞行高度2000m，最大续航时间2.5h，最大飞行速度为20m/s。[7]

案例7、9 采用无锡汉和航空技术有限公司生产的无人直升机。起飞重量40kg，有效载荷15kg，最大巡航速度20m/s，最大续航时间2h，最大飞行高度3000m，抗风能力5 级。[1,8,10]

案例10 采用V750 无人直升机，由潍坊天翔航空公司制造，起飞重量为757kg，任务载荷大于80kg，最大平飞速度为44m/s，最大航程为500km，最高可飞行至3000m 高度，续航时间大于4h。[11]

三、应用分析

目前无人直升机应用领域主要为无人电力巡线（定点航拍）、农田飞行施药、电力放线施工、石油勘查、地震现场救援、森林监测（随机航拍）和航空测绘等。

案例1、4、5、7、8 应用为定点航拍的无人电力巡线。

案例1 中的飞行器可以为110kV-750kV 的输电线路巡检，每次飞行时间可达1h，巡线线路为20km/h。该机飞四个架次相当于出动20 名巡线员一整天的工作量，而且不受地理环境的限制，具有一键式自主起降功能，可以实时拍摄动静态图像及红外热图。

案例4 中，无人机仅用20min 巡检了处于高山峻岭中的7 基铁塔，完成了靠人工步行二三天才能完成的任务，同时拍摄了视频、照片和红外图像。

案例5 中的无人机也具备上述功能，与上述研发的小型巡检系统相比，克服了航程短、载荷小、精度差、抗风能力弱、自动化程度低等缺陷。为提高系统实用化程度，福建电力公司整合公司系统内各单位已有的研发成果，协同安徽、山东、辽宁等地实施，联合研发大型无人机飞行巡检平台，形成能够应用于线路巡视和防灾减灾的无人机巡检技术规范，使无人机具备良好的自动化程度、安全可靠性以及大范围电网巡视能力，能够实现自主起降、程控飞行、超视距测控、高精度检测、预警避障、可见光/红外/紫外巡视等多功能应用，并有效应用于电网设备健康状况诊断。

案例7 中，无人机主要检查线路防舞动相间绝缘子串间隔棒对导线的损伤情况，与案例1、4 类似，强调实用化应用，已经累计巡检完成800km 线路，发现几十种异常和缺陷。

案例8的无人机具备机身大、航程长、载荷大、精度高、抗风能力强、自动化程度高、安全性高等显著优势，成功进行了高海拔、低温地区及平原地区的500kV 输电线路巡检，但对于飞控和任务需要进行适应性改进[13]。

案例2 应用为农田飞行施药，是农四师七十团和沈阳自动化研究所联合向科技部申报的“旋翼飞行机器人变量施药”项目，主要内容是将自主型无人直升机技术与超低空农情遥感监测、信息融合与预测、超低空变量施药等技术相结合，研制具有全部自主知识产权的大载荷无人直升机农田精准变量施药装备系统；七十团场建立了8000 亩高效无人化智能施药装备示范基地，开展大面积农田农艺及作业试验研究，初步建立利用无人直升机提高农药利用率、减少环境污染、降低能耗的创新农业生产模式，促进我国农业装备的跨越式发展。在此之前，汪沛等已经利用Z-3 无人直升机开展了水稻制种辅助授粉的田间风场测量实用研究[14]，邱白晶等利用无锡汉和无人直升机开展了飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响等实用研究[15]。此外，该无人直升机于2010年完成了大连海面溢油监测及处置，2011 年湖北赤壁高压输电线路的自动架设，2012 年在本溪北台220kV 兴北线、大连瓦房店500kV 渤瓦线、营口大石桥220kV 渤桥线进行了高压输电线路的自动巡检及故障排查。[16]

案例3 的U8 无人直升机由中航工业直升机所自主研制，该所完成了U8 全部设计、试制、试验和试飞工作，突破了系统总体设计、飞行控制和飞行试验等多项技术关键，使U8 具有人工、程序和自主飞行控制功能，可实施自动起降、大机动、大速度、预设航线、超视距等飞行，具备发动机安控、测控失效、传感器融合等故障应急处置能力。装载不同任务设备，U8 可用于昼夜侦察、目标指示、生化采样、电力巡查、边防巡检、气象监测、灾情评估等领域。2010 年4 月，该机曾在江西省电力公司和景德镇供电公司合作下进行了无人直升机输电线路巡检。[1]

案例6 未见实际使用报道，其交付与中国石油集团科学技术研究院，计划用于野外石油地质勘探和测量等工作。据悉，中石油看重的是扬州德可达科技有限公司在航空摄影测量和遥感技术方面的能力。

案例9 无人直升机进入余震频发的灾区后，在龙门乡古城村、红星村和清仁乡、隆兴乡等地，克服了地形、气候、气流等大型飞机较难应付的困难，多次起飞执行任务，获取灾区路况、灾后被毁建筑物分布情况，并通过悬停方式对震后危楼进行生命迹象搜索，实时传回高分辨率影像和图片，为救援队进行有针对性的调度和部署提供决策信息，提升了搜救行动效率[17]。

案例11 应用在林区林火监测与侦察、森林资源监测、森林植被调查、森林病虫害预测分析等方面。直升机所使用的森林防火无人机智能遥感监控系统，利用无人机平台搭载红外线探测设备，通过无人机视距通信链路和卫星通信链路或3G 网络实现探测数据实时回传，进行火源智能探测和火源位置实时报告，从而实现森林火灾的快速探测定位与综合指挥调度。该机监测了根河机场周边大兴安岭林区的地形地貌及森林长势情况，成功对模拟火场进行了火源目标实时识别和定位，实现了对火线长度的准确测量和火灾现场照片及火情监测报告的快速生成，完成了各项既定演示飞行任务。

四、发展现状与应用前景

在低空域开放预期的带动下，以及美国无人直升机发展的示范效应下，低成本、易操作的无人直升机已经成为国内通用航空领域的一个新热点，有多家投资主体参与开展了研发工作。但从总体上说，国内相关研发还处于起步阶段，没有实质性的突破发展。

在无人直升机飞行性能方面，目前的具体现状是：

1.起飞总重量有所提高，实用起飞重量从100kg 左右提高到200-700kg，可搭载的任务负载从20kg 提高到40-80kg。

2.从续航时间上说，飞行时间有所提高，目前实用飞行时间从1h 提高到4h。

3.从飞行速度上说，仍处于悬停和低速飞行阶段，巡航速度30-40m/s。

4.从升限上说，多种型号进行了飞行测试，均在3000m 左右，有型号甚至达到4300m 以上。

在无人直升机研发方面，如V750 采用现有的有人直升机—美国B2-B 小型直升机改装，加快了开发的速度，规避了一定的风险，但同时也带来了一些结构冗余和性能损失。具体表现在：起飞重量较高，任务负载相对偏小，且核心器件的生产技术并未完全掌握。

在发动机方面，采用了小型活塞发动机或电动方式。湖南山河科技的飞虎号采用ROTAX582 发动机，扬州德可达的瑞龙号采用双8000W 的涡轮发动机，此外，其它无人直升机发动机相关报道很少，这也表明了国内航空工业发动机发展缓慢的现状。

在飞行控制系统及安全可靠性设计方面，由于无人驾驶，因此，直升机内环自动增稳与控制是无人直升机的必要条件，也是其与航模区分的重要标志。另外，外环按航点飞行的程控驾驶功能也是无人机应该具备的基本功能。再高一层次的应用是飞行管理控制，经过多年飞行的机型相对具有更好的实用性和可靠性。其中重要的是，北斗应用的出现表明国产无人机可以摆脱对GPS 的依赖。

在飞行控制器和数据通信链路与应用设备的开发上，国内多家单位合作，如潍坊天翔航空工业有限公司、中航工业自控所和中国电子科技集团公司第十研究所的合作，航天恒星科技有限公司（503 所）和总参六十研究所的合作，沈阳中科院自动化研究所与无锡汉和公司的合作等，促进了优势互补。

无人直升机实际应用前景广阔，目前主要有以下几方面。

1.航空摄影测量和航拍是无人直升机的主要应用领域，均可以较好地满足实际应用需求。

2.电力巡线及定点飞行，在解决了对飞行控制的控制精度、抗风性和可靠性要求后，无人直升机的应用正在向两个方向发展：一是大型化、长航时、远距离的智能化应用；二是小型化和易操作的实用化应用。

3.农田飞行施药有较好的环保、时效性，可以避免人身伤害等，出于成本考虑，笔者建议轻小型无人直升机优先推广应用。

4.电力放线施工在遇到跨江、沿线有不易搬迁的施工障碍情况下，出于环保和降低拆迁成本等考虑，无人直升机有相当大的实用价值。

总之，无人直升机在电力行业和农业率先得到了快速发展和应用。

[1] 张栋.基于互联网看国内无人直升机发展[J].西安航空高等技术专科学校学报,2011,29(5)∶10-14.

[2] 张劲.为建设坚强智能电网打造飞翔的“智能巡线千里眼”[EB/OL].[2010-4-30].http∶//www.cpnn. com.cn/ aqgl /201004/t20100430_314300.htm.

[3] 许继志.“旋翼飞行机器人”团场农田显身手[EB/OL].[2011-7-27].http∶//www.ylxw.com.cn/news/c ontent /2011-07/27/content_100343.htm.

[4] 陈昱.U8 无人直升机通过鉴定审查[EB/OL].[2011-12-22].http∶//www.cannews.com.cn/z ghkb/html /2011-12 /22/ content_29761.htm.

[5] 陈蒸,陈德钧,林朝辉.福建公司“海西号”电力巡检无人直升机完成实战演练[EB/OL].[2011-12-26]. http∶//www.sgcc.com.cn/xwzx/gsxw/2011/12/ 262980. sht ml.

[6] 陈蒸,陈德钧.国家电网新型无人飞行巡检系统福州首飞 [EB/OL].[2012-2-23].http∶//www.indaa.com.cn/dwx w2011/jcdt/201202/t20120223_932104.html.

[7] 陈高君.扬州无人机“赛飞”[EB/OL].[ 2012-11-29]. http∶//news.yzwb.com/system/2012/11/29/010624369.shtml.

[8] 张劲,宋超.山东电科院用无人机为线路智能“体检”[EB/OL].[2013-1-14].http∶//www.cpnn.com.cn/tpzs/2 01301/t20130111_552092.html.

[9] 王志奇.四川检修无人直升机巡检项目通过技术评审[EB/OL].[2013-3-7].http∶//www.cpnn.com.cn/tpzs/ 201 303 /t20130301_559975.html.

[10] 高寒冰.沈阳造机器人首次参与地震搜救 [EB/OL].[2013-4-25].http∶//news.syd.com.cn/system/2013/04/25/ 010041051.shtml.

[11] 王耀光.V750-SW 型无人直升机航摄系统通过评审[EB/OL].[2013-5-2].http∶//www.cannews.com. cn/2013 / 0502/17806.shtml.

[12] 赵文萃,王宇新.Z5 型中型无人机在内蒙古大兴安岭林区首航成功[EB/OL].[2013-6-3]. http∶// china. nmg news. com.cn/system/到2013/06/03 /010994754.shtml.

[13] 杨蔚.论无人直升机在超特高压线路巡检上的应用[J].广东科技, 2013(12)∶72-73.

[14] 汪沛,胡炼,周志艳，等.无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量[J].农业工程学报, 2013,29(3)∶54-61.

[15] 邱白晶,王立伟,蔡东林，等.无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响[J].农业工程学报, 2013,29(24)∶25-32.

[16] 韩建达,齐俊桐.无人直升机及相关技术研发—中科院沈阳自动化研究所成果展示[EB/OL]. [2012-9-27].http∶//www.mrsta.com/Html/ chengguozhan shi /11622374.html.

[17] 刘亢,尚红.地震救援机器人在芦山7.0 级地震中的应用[J].城市减灾, 2013(5)∶26-28.