工业无人机的现状分析和市场契机

（常州大学 怀德学院，江苏 泰州 211700）

1 工业无人机国内外市场

随着无人机逐渐由军用向民用溢出，国外出现了像3DRobotics、Parrot、AscTec 之类的无人机厂商。但是，由于各国对飞行器管制较为严格，国外无人机发展受到约束，不能大规模普及开来。目前,全球大多数国家都在大力发展无人机技术和产业。近年来，美国和欧洲等国家研发无人机并且运用于农业和工业领域。2020年全球无人机的市场规模持续增长,无人机市场规模高达200多亿美元。

近年来，随着我国集成制造的普及,无人机基础零部件生产开始迈向小型化、低成本、低能耗方向发展,无人机制造成本不断走低,同时伴随着人工智能、5G通信等新技术的逐步完善应用,无人机行业迎来新的发展机遇,行业在良好的发展环境中迅速增长,行业规模不断扩大。2019年底,我国工业无人机专利申请量为6320项。2009年之前,我国工业无人机专利申请量较少，2011年开始,我国工业无人机专利申请量迅速增加。2017年，我国工业无人机专利申请量为1702项，是近年来我国工业无人机专利申请量最高的年份。2019年我国工业无人机专利申请量为783项。

随着国内对无人机发展的法律法规指引也在不断跟进,使无人机行业朝着规范化、标准化方向发展。国内陆续制定了相关政策,未来国内可能会开放1000m 高度内航空管制,同时由于无人机发展迅速,不同厂家不同产品的不兼容给新产品的推广带来阻力。我国无人机行业经历了一个迅猛的发展过程,不同厂家生产的无人机有着各自的产品特点,不同厂家的无人机之间、相同厂家的不同产品之间往往不能做到很好兼容。并且工业无人机的重复开发现象严重,缺乏平台化、模组化开发,因此针对上述市场环境分析,工业无人机的前景较为广阔,并且面临着相当具有优势的市场契机。[1]

2 工业无人机存在的问题

近年来,工业无人机产业蓬勃发展,应用领域遍及公安、林业、铁路、城建、消防等多个行业,应用方式以无人机作为载具挂载功能载荷进行空中作业为主。虽然工业无人机行业内的产品种类繁多,但普遍存在诸多不足,主要有以下几点:

2.1 载具与载荷通用性不足

工业无人机的应用形式一般是,以无人机为承载工具,将功能载荷运送到空中完成任务。执行不同的任务一般需要不同的载荷。这意味着,载荷更换的灵活和方便程度,直接影响产品的使用效率。虽然市面产品一般都是将载具无人机和功能载荷分开设计,但客户需要使用的各种载荷往往并不相互兼容,即使具有兼容性,也不能实现不同载荷的快速替换。并且完成替换后,还需要对载具无人机再次进行配置甚至是重新编写固件,才能开始新的作业。这限制了载具和载荷的充分有效使用。

2.2 可定制性差

目前市售工业无人机产品大多采用与消费级无人机相同的系统架构,即以飞行控制器(简称FC)为中心,惯性测量单元(简称IMU)、遥控接收机(简称RCR)为周边电子模块的星型架构,产品定制涉及底层软件的修改,并且周边模块不能随意替换和增减,不同的产品具有不同的底层代码和配置参数,这都严重限制了定制的灵活度与快捷性。

2.3 缺乏自主集群协同作业能力

市售工业无人机产品一般只能单机作业,如果要求多机配合作业,则需要在产品设计和设置上避免干扰与串控,执行作业前还必须反复细致规划操作方案,作业时也需要多位有经验的飞手共同操作以保证安全,这使得集群协同作业难以进行。

2.4 控制方式单一

目前无人机的姿态和动作控制均采用传统的推杆、旋钮、按钮方式控制,信息回传也基本局限于显示器上的图像和文字显示,在某些回传信息频繁的应用中,操作者可能需要不断在飞行器和显示器间切换视线,这会增加飞手误操作的可能。

2.5 续航时间短

市售工业无人机的续航时间最多为40分钟，这对于一般的巡检和救援应用而言都显得较为紧张,在一些要求较长时间不间断作业的场合下无法完成任务。

3 相应对策

针对上述关于工业无人机所提出的问题,罗列了以下具体的解决方案:

一是，针对载具的载荷通用性不足的问题,可采取将工业无人机改造成具有模组化的载具与载荷架构,因而可以让用户自行快拆快装不同载荷,飞行器对新的载具能够自动识别、自动匹配动力和通信资源。

二是，采用高度通用的智能装备数据链和空地数据链作为“一战多机”和“多机协同”的基础,基于自行设计定义的智能数据链协议将其移植到航测平台(无人机)飞行控制核心和地面数据链整合单元的嵌入式平台上,在最大程度上解决了无人机和工作站的通信问题,实现多种数据传输路径与需求的高效整合。另外,由于协议架构在网络传输模型的应用层上,建议可以兼容多种物理层传输媒介,如常见开放式点对点900MHz/2等等,这将极大地扩展了无人机和地面工作站的通信距离,提供多种通信方式选择,从近距离2km(WiFi 通信)到中远距离22-100km(点对点通信),再到远距离(3G/4G 通信)。

三是，通过“一机多用”、“一站多机”、“多机协同”三个层次的技术理念,可实现不同无人机和不同应用载荷的快速自由组合和切换,同一地面工作站可以同时控制多架航测平台(无人机)搭载不同任务设备从多维度开展作业,快速扩展行业深度应用。

四是，自研跨平台的“五遥一体”,将各种数据整合在一条完备的数据链路中,实现“五遥一体”避免多种通信制式、通信模块的同时存在,相互影响,相互干扰；将应用层等多参量、异构传感数据融合及ns 级的全局时间同步,实现精准的航测数据生产。

五是，高能效比与智能动力匹配是续航时间长、载重能力强的基础。航时与载重是无人机空中作业的软肋,对用户需求进行统计发现,大部分的应用中,航测平台(无人机)续航时间超过60分钟才能良好完成任务,而业内产品大多达不到这一指标。改善该问题的方向主要有系统架构、软件设计、结构设计三个方面综合影响。通过动力算法技术使得无人机能效高,而且能够根据具体需求与配置情况,自动调整动力特性,因而使得续航时间与载重能力达到同类产品的2-3倍。

4 行业对无人机的需求

4.1 电力产业

电力行业是工程量巨大、作业危险性高的行业,输电、发电等各个环节,都涉及到诸多安全性问题。比如高压输电线路的巡检、高压铁塔健康状况的检测、清障等,这些工作如果交由人力完成,不仅工作效率低,而且有一定的危险性。工业无人机通过多台标准飞行器搭载各类载荷,能够完成可见光/红外/紫外波段的输电线路高空巡检工作、高空喊话、及喷火清障功能,且各飞行器之间相互协同作业,由地面站统一调配。借助工业无人机,可以轻松完成电力行业的大部分故障监测和检修工作。

4.2 能源行业

能源行业大多地处偏僻,像煤矿、油田等地方,占地面积较大,同时又有巨大工作量,如盘存与测绘工作,依靠人力往往难以精准实现,航测AI平台为快速的作业和精准监测带来新思路,实用性高,为企业提供高性价比的解决方案。在能源行业中,依靠工业无人机可以实现煤矿的地形勘探和测绘,风力发电机的叶片巡检和风电场的巡视、光伏产业中太阳能电池的故障提取等。

4.3 环境监测

环保行业中涉及大部分地形复杂,环境恶劣的区域,可能存在一定安全隐患,测绘、监测、清扫等工作不适宜人工完成。而使用工业无人机,可以轻松穿越各种地形,从容进入各种危险地区,比如核污染或者生化污染区域。通过携带不同的载荷,实现气象监测,核辐射污染监测,水质检测等各种应用,完美覆盖整个环保行业。[2]

5 市场契机

利用PEST分析法,对当前无人机行业进行宏观环境分析工业无人机面临的市场契机。

5.1 政策环境

我国对无人机发展的法律法规指引也在不断跟进,使无人机行业朝着规范化、标准化方向发展。国内陆续制定了关于无人机的管理相关政策,未来国内可能会开放1000m高度内航空管制；2017年5月17号,民航局下发《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》对250克以上的民用无人机进行登记管理。行业逐步规范化、标准化将改善无人机行业的生态,为团队的发展提供更好的环境。

5.2 经济环境

“互联网+工业”是时代发展的必然结果，随着我国互联网信息技术的高速发展,使得无人机行业不再停留于飞行控制的研究,继而转向利用通信技术完成各种任务。工业领域应用无人机替代人力进行作业,如电力巡检、抢险救灾、环境监测等业务领域,这些领域的作业往往具有工作耗时长、人力成本高、人工作业危险的特点。而采用无人机作业,则可以针对这些问题起到提高工作效率、降低人力成本、降低作业危险的效果。这对企业提高质量起到了关键性的作用。

5.3 社会环境

无人机发展迅速,不同厂家不同产品的不兼容给新产品的推广带来阻力。我国无人机行业经历了一个迅猛的发展过程,不同厂家生产的无人机有着各自的产品特点,但是不同厂家的无人机之间、相同厂家的不同产品之间往往不能做到很好兼容。一是现在的无人机往往是针对客户特定需求进行开发设计交付的,因此当用户有了新的应用需求情景时，就需要重新购买无人机；二是无人机产品的推新速度往往快于其使用寿命,当有了新的技术产品,客户如果想采购就需要承担较大的更新成本。这样的环境就为新产品的推广带来了阻力。

机器人协同作业的需求无法得到很好满足，除了无人机外还有其他的工业机器人也在为企业的生产助力。不同厂家采用不一样的技术架构,指定不同的技术标准,当客户需要整合其工业机器人进行协同作业时就遇到了麻烦。企业采用各类机器人的本意是提升工作效率,但同时操作不同的机器人进行作业往往比较困难,反而降低了工作效率。

5.4 技术环境

大部分工业无人机都是消费无人机的复刻版,面对工作环境存在诸多缺陷。近年工业无人机产业蓬勃发展,相关产品不断涌现,但从技术架构和产品原理上看,大都是消费无人机的复刻版,这样的出发点导致市面现有产品存在着诸多缺陷。例如:可靠性不佳,远距离通讯不稳定、易丢失、效率低,容易出现动力丢失导致坠机的情况；载荷通用性不强,使用者在对无人机进行功能更换的时候,需要涉及繁杂的机械装配和软件配置工作,甚至需要返厂改装,严重限制了无人机的适用范围和运用效率；可定制性差,不同机型、不同载荷需要采用不同的软件,难开发、难维护、容易留藏隐患,这个问题在产品系列变多的时候将尤其明显；难以多机协同作业,如果需要多机共同执行任务,飞行前需要提前规划作业方案,飞行时需要多位飞手共同操作,执行过程风险高；续航时间短,载重能力差,严重限制了应用场景和作业范围；控制方式单一,操作局限于遥控器上的推杆和旋钮,操作时需要在飞行器和显示器间频繁切换视线,操作者易疲劳、易失误。

工业无人机的重复开发现象严重,缺乏平台化、模组化开发。由于工业无人机的开发往往是针对客户的特定需求进行的,为了更好的满足社会行业发展的需要,在开发时会从无人机的飞行控制系统开始,一直到到挂载系统进行从头设计。但是,随着企业的技术逐步积累,无人机的飞行控制系统等基础性、平台性功能其实是重复开发的,这样的开发非常耗时,也不能对不同客户的需求进行快速响应。如果能仿照个人计算机、或者通用机械的发展历程,采用平台化、模组化开发,将一些重复模块进行标准化处理,那么在面对纷繁复杂的客户需求时，只需要进行模组化拼装,将极大地提升无人机行业的效率。[3]