民用无人机应用发展概述

黄泽满，刘 勇，周 星，陈天伟，梁毅东

（华南农业大学 理学院，广东 广州 510640）

民用无人机应用发展概述

黄泽满，刘 勇*，周 星，陈天伟，梁毅东

（华南农业大学 理学院，广东 广州 510640）

无人机是一种有动力、可控制、可执行多种任务的无人驾驶航空器.除军事领域外，近年来无人机越来越多的应用于民用方面.本文主要介绍了民用无人机的结构、特点，以及其在遥感航拍、抗震救灾、农林业、环境监测、通信中继和快递服务等方面的应用现状，指出其存在的问题及发展趋势.

民用无人机；现状；发展趋势

前言

无人机是一种有动力、可控制、可执行多种任务的无人驾驶航空器，自诞生以来，主要应用于军事方面，作为智能化和信息化的武器，无人机在侦察、监视、通信、远距离攻击等方面发挥了重要的作用.近年来，无人机在民用方面的应用也越来越多，各国在无人机的民用方面逐渐开放.无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域.在过去几年，英国已经向130多家企业和政府机构颁发许可，美国签发了1400多份许可.毫无疑问，随着技术的更新和发展，民用无人机将迎来井喷式的发展，应用前景十分广阔.

1 民用无人机系统的构成及其特点

1.1 民用无人机系统的构成

民用无人机系统主要包括无人机机身、飞行管理与控制系统、数据链系统、发射/回收系统和电源等，其中，飞行管理与控制系统是无人机系统的核心，其对无人机的飞行性能起决定性作用.飞行管理与控制系统一般分为机上和地面两个部分，机上部分包括姿态稳定与控制、飞行轨迹和导航控制、自主飞行控制、飞行安全控制及起飞与着落飞行控制等；地面部分包括飞行监控与显示、飞行定位及飞行操作和指令系统等.数据链系统主要保证无人机与地面飞控之间的的遥控指令传输和信息反馈，发射/回收系统则主要保证无人机起飞与着落的顺利.

1.2 无人机的特点

与载人飞机相比，无人机因为具有体积小、造价低、使用方便、适应性强等优点而备受世界各国军队的青睐.如今，无人机不仅仅被应用于军事方面，其在民用方面的应用也越来越广泛.无人机体积小，造价和使用成本低、使用灵活、作业效率高，在执行枯燥、长时间的任务时，具有有人机所不可比拟的优势，因此除了应用于军事以外，还常常用于遥感航拍、抗震救灾、农林业、环境监测、通信中继和快递服务等方面.以农业喷药灭虫为例，南京农机化研究所的无人机，在上海崇明岛进行水稻病虫害航空药物喷洒作业时，单台飞机作业效率可以达到1500hm2/h，每天作业面积7500～12000hm2，是地面机械的数倍，人工喷洒的30～60倍，并且可以有效避免漏施误施[1].无人机的使用，能大大提高作业效率.

2 民用无人机的应用现状

无人机以其优越的性能，以及一些有人机所不可比拟的优势，在遥感航拍、抗震救灾、农林业、环境监测、通信中继和快递服务等方面得到了广泛的应用.

2.1 无人机在遥感航拍方面的应用

无人机遥感系统的应用，主要是利用先进的无人机智能控制技术、定位技术、通讯技术和遥感遥测技术，自动化、智能化地获取地理、环境等空间遥感信息.它具有灵活机动、高效快速、精细准确、作业成本低等特点，已经在气象监测、资源开发、自然灾害监测与评估、摄影测量等方面取得了一定的成果.利用无人机遥感系统航拍检测区域来实时获取影像数据，通过与前时相数据（卫星影像数据）对比分析，可以从中发现疑似违法用地区域，从而实现对土地动态监测和违法用地行为的实施监督检查，及时掌握土地变化信息，可为集约、节约用地提供科学依据[2].利用无人机搭载非量测数码像机获取低空影像，正以其低廉的价格和极大的便利性吸引了越来越多的关注，成为摄影测量领域的研究热点.例如：在利用无人机防雷方面，通过挂载高分辨率摄像、照相机可以对楼顶的各种接闪器的锈蚀、虚接、倒伏等状况进行检查，从最直观的角度排查防雷装置存在的问题[3].

2.2 在环境监测方面的应用

无人机在环境监测方面的应用十分广泛，几乎涵盖整个地球生态系统[4]，其中包括：土壤侵蚀情况的监控、植被变化的监测、生物栖息地评价、海洋及海岸带生态环境变迁分析、城市的规划与环评分析、大气污染的定量评价等.例如：王洋等[5]基于TM S320F2812设计了精度较高的小型无人机大气数据采集系统；闫军等[6]根据无人机航拍的图片，统计了盐池县城绿地面积.

2.3 无人机在抗震救灾方面的应用

无人机不怕疲劳不怕危险，使用便捷，即使在极限气象条件下，也能进入灾区进行灾情图像信息的获取，为灾害范围和受灾面积的计算，以及灾害损失的评估提供科学依据，是抗震救灾的有力武器.2008年5月，四川汶川里氏8.0级大地震发生后，民政部国家减灾中心等单位立即携带两架“千里眼”无人机航空遥感系统赶赴灾区，投入到抗震救灾的第一线.该“千里眼”无人机航空遥感系统采用低空侦察拍摄的方式，对北川县震后的景象进行拍摄，并通过卫星通信系统将图像传回，为灾情的评估和救灾的决策提供强有力的科学依据，

2.4 在农林业方面的应用

世界上第一台农用无人机出现在1987年，Yamaha公司受日本农业部委托，生产出20kg级喷药无人机“R-50”，经过将近20多年的发展，目前日本拥有2346架已注册农用无人直升机，操作人员14163人，成为世界上农用无人机喷药第一大国.我国系统研究微小型无人机航空施药喷雾技术开始于2008年，由国家863计划项目资助，针对单旋翼无人机低空低量施药技术进行研究.截至2012年末，生产航空施药无人机整机与配套设备的企业达80余家.在林业应用方面，2013年6月3日，我国自主研发的Z5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，这也是中型无人机首次应用于林业系统.该机搭载防火智能遥感监控系统，可实现探测数据的实时回传，为森林火灾的快速探测定位与综合指挥调度提供依据.

2.5 在通信中继方面的应用

无人机的一个重要应用是实现空中的通信中继.当地震、台风、泥石流或海啸等自然灾害发生的时候，其破坏力往往会造成一定范围内原有通信系统（包括有线和无线）的损坏，此时灾情需要及时了解，救灾信息需要快速传递，如何快速构建一个便捷、低成本的应急无线局域通信网，及时在灾区和救灾指挥中心之间形成有效的通信联系，就成为一个迫切需要解决的问题.无人机成本较低，使用便捷，可作为空中的通信中继机，能迅速构建一个应急无线局域通信网，从而为救灾的顺利开展赢得宝贵的时间.

08年5月12日发生在四川汶川的里氏8.0级大地震，其巨大的破坏力摧毁了震中区域所有的通信设施，同时，由于地震后的气象条件十分恶劣，载人的飞机和直升机无法在其空域作长时间的停留，致使外界与灾区的联系在相当长的一段时间内被迫中断.此时此地，由于无人机使用成本低，不存在人员疲劳和安全问题，因此，以无人机作为通信中继机，可彻底改变这种局面.通信中继无人机可长期盘旋在灾区上方相对宁静的平流层进行不间断的高空巡航，避开中低空天气多变的对流层空域，从而可在外界与灾区之间搭建起一条无形的沟通“桥梁”.

最近，清华大学的徐赞新等[7]提出了一种支持移动自组网通信的多无人机中继网络，该多无人机中继网络，可解决移动自组网中移动和活动范围扩大等因素所导致的网络连通性的变化问题，以多无人机中继网络支持移动自组网通信的研究正受到越来越多的关注.

2.6 无人机在快递业中的应用

无人机在快递领域中的应用，无疑是民用无人机发展和研究的另一个热门领域，已经取得了不少成果.在国内，胡家祺和孙泽波组成名为linkall的团队[8]，设计出一种4旋翼环绕中央机身布局，蛋壳外形的名为“智能蜂”的快递无人机系统.该系统气动性能优良，能接收由“北斗”或GPS卫星导航信息计算出来的最佳路径进行飞行.通过机上传感器进行感知避障，可顺利完成快递任务.目前，该团队已应北京一家第三方餐饮快递公司之邀，进行无人机送快餐的规划尝试.此外，国内快递业巨头顺丰速运公司也声称，该公司正在深圳和东莞等城市进行无人机配送服务的测试.

在国外，美国总统奥巴马于2012年签署新法案，要求美国联邦航空管理局（FAA）修改规定，允许地方政府、私营公司和普通人使用小型无人机.受此影响，美国速运公司UPS和电商巨头亚马逊等纷纷宣布，已正在进行无人机送货项目的试验.无人机的这项服务，可以为人类提供非常大的便利，极大的提高了运送效率.

3 民用无人机的发展趋势

3.1 智能化

随着无人机应用的不断推广，人工智能和群体智能等技术在无人机上得到广泛应用，无人机的自主飞行及自动寻找与识别目标的能力将会大大提高，届时，无人机将可根据不同环境做出相应决策，从而使得对无人机的操控从直接控制逐步转向监督控制.此外，不同型号的无人机将可共享获得的信息，可实现通用的控制.

3.2 低成本、模块化

现今的民用无人机，受限于续航能力、载重能力和智能控制等因素，使用成本还相对较高，只能小范围使用.随着科技的不断发展及新材料、新技术的应用，无人机在续航、载重和智能控制等方面将会有较大的提高，无人机系统的系列化、模块化和通用化也将成为可能.根据任务的不同，通过模块化的组合及搭载设备的变换，可使无人机实现“一机多用”；通过无人机平台和地面站的通用化，可使无人机实现“一机多能”，因此，无人机的使用成本定将不断降低.

3.3 从单无人机向多无人机协作发展

在执行高危或复杂任务的时候，由于无人机有一定的故障率和毁伤率，单靠一架无人机执行任务，有可能导致任务的失败.多无人机协作执行任务，则在无人机一旦出现损毁时，可通过无人机任务的重新分配，提高完成任务的成功概率.此外，多无人机协作执行任务，一方面可通过将复杂任务拆分给不同的无人机执行，降低无人机运作的难度；另一方面多无人机可通过信息共享和相互配合，提高执行任务的质量和扩展执行任务的能力.同时，多无人机协作还可并行执行任务，缩短完成任务的时间，提高执行任务的效率.

4 结论和展望

在现代科学技术的强力支持下，无人机以其优越的性能、较强的环境适应能力，无论是战场还是在民用市场上，都将发挥着重要的作用.需要指出的是，无人机还存在一些问题制约其发展，例如：小型无人机由于机身重量较轻，易受大风等恶劣天气的影响；在实际使用过程中容易受到信道和其他因素的干扰；仍不能有效区分目标的真假，出现危机时无法根据情况选择最佳方案等.然而，随着智能无人机技术的不断提高，无人机的安全性和自主控制性将会得到较大的改善，运营成本和风险将会进一步降低，运营效率得到极大提高，届时，无人机将会在不适合人直接操作的或需要高效低成本应用的民用领域，获得更为广阔的发展空间.

〔1〕凌云.无人飞机在农业生产中前景无限[J].农业机械,2013（7）：157-158.

〔2〕杨晓红.无人机遥感系统在国土资源执法监察中的应用研究[J].安徽地质,2013（9）：37-39.

〔3〕逯曦,李谡,李如箭.无人机航拍技术在防雷的应用[R].S11第十一届防雷减灾论坛,2013.

〔4〕朱京海,梁婷,徐光,等.无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展[J].国防科技工业,2011(9): 44-45.

〔5〕王洋.小型无人机大气数据采集系统的设计与实现[J].航空电子技术,2010,41(1):7-11.

〔6〕闫军,张允.无人机遥感在宁夏盐池县城区绿地调查中的应用[J].农业科学研究,2011,32(3):53-55.

〔7〕徐赞新,袁坚,等.一种支持移动自组网通信的多无人机中继网络[J].清华大学学报（自然科学版）,2011,50(9):150-155.

〔8〕陈全中.无人机送快递几时实现[J].大学生,2014 (6)：58-60.

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A

1673-260X（2014）12-0030-03

广东省大学生创新创业训练计划项目编号1056412064

*通讯作者：刘勇，华南农业大学理学院，高级工程师