盘点无人机行业市场现状与发展趋势
时间: 2024-01-18 23:11:38 | 作者: 产品展示
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飞行器”,(Unmanned Aerial Vehicle)英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。它涉及
无人机价值在于形成空中平台,结合其他部件扩展应用,替代人类完成空中作业。随着无人机研发技术逐渐成熟,制造成本大幅度降低,无人机在所有的领域得到了广泛应用,除军事用途外,还包括农业植保、电力巡检、警用执法、地质勘探、环境监视测定、森林防火以及影视航拍等民用领域,且其适用领域还在迅速拓展。
无人机根据不同场景、平台、应用方式,能够直接进行不同分类,例如:应用场景、飞行平台、控制方式、视距、重量尺度、任务高度、活动半径等。
中国民航总局对无人机按重量1.5KG、7KG、25KG、150KG、5700KG,划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ六类。植保类无人机归属Ⅴ类,无人飞艇归属Ⅵ类,超视距无人机归属Ⅶ类。实际运行中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ、Ⅻ类无人机有交叉时,分属较高要求一类。串并行无人机编队,按机队总重量分类。
进入21世纪,随着轻型复合材料的广泛应用,卫星定位系统的成熟,电子与无线电控制技术的改进,尤其是多旋翼无人机结构的出现,整个无人机行业进入加快速度进行发展阶段。
无人机的飞行平台大致上可以分为固定翼无人机、多旋翼无人机、直升无人机、其它无人机等,各飞行平台的优势、劣势、特点如下:
多旋翼无人机系统主要由机架机身、动力系统、飞行控制管理系统、遥控系统、辅助设备系统五部分组成。
无人机的机架机身指无人机的承载平台,一般选择高强度轻质材料制造,例如:玻纤、玻纤维、ABS、PP、尼龙、改性塑料、改性PC、树脂、铝合金等。无人机所有的设备都是安装在机架机身上面,支架数量也决定了该无人机为几旋翼无人机。优秀的无人机机架设计可以让其他各个元器件安装合理,坚固稳定,拆装方便。
无人机动力系统,就是为无人机提供飞行动力的部件,大体上分为油动和电动两种。电动多旋翼无人机是最主流的机型,动力系统由电机、电调、电池三部分所组成。无人机使用的电池一般都是高能量密度的锂聚合电池,由于一些客观原因,传统每300g锂电池,可以为无人机500g(含电池)自重,提供17分钟飞行时间。氢燃料电池、太阳能电池等受制于现有的技术水平和成本,暂时还无法普及。无人机主要在露天作业,对电机、电调系统的稳定性要求比较高,需要定时进行检查、保养、防水、防潮。
飞控系统就是无人机的飞行控制管理系统,不管是无人机自动保持飞行状态(如悬停)还是对无人机的人为操作,都一定要通过飞控系统对无人机动力系统来进行实时调节。一些高阶的飞控系统除了保证飞机正常飞行导航功能以外,还有安全冗余、飞行数据记录、飞行参数调整和自动飞行优化等功能。飞控系统是整个无人机的控制核心,最重要的包含飞行控制、加速计、气压计、传感器、陀螺仪、地磁仪、定位芯片、主控芯片等多部件组成。
无人机遥控系统,主要由遥控器、接收器、解码器、伺服系统组成。遥控器是操作平台,接收器接到遥控器信号进行解码,分离出动作信号传输给伺服系统,伺服系统则根据信号做出相应的动作。
辅助设备系统,最重要的包含无人机外挂平台简称云台,外挂轻型相机,无线图像传输系统。云台是安装在无人机上用来挂载相机的机械构件,能满足三个活动自由度:绕X、Y、Z轴旋转,每个轴心内都安装有电机,当无人机倾斜时,会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力,防止相机跟着无人机“倾斜”,从而避免相机抖动,云台对于稳定航拍来说却起着非常大的作用。外挂轻型相机,主要为体积重量小巧,高清晰度相机。无线图像传输系统,在无人机航拍时候,将天空中处于飞行状态下无人机拍摄的画面,实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设施,优秀的无线图像传输系统具备传输距离远、传输稳定、图像清晰流畅、抗干扰、抗遮挡、低延时等特性。
固定翼无人机系统由五部分所组成:机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站系统。
机体结构由可拆卸的模块化机体组成,既方便携带,又可以在极短的时间内完成组装、起飞。航电系统由飞控电脑、感应器、酬载、无线通讯等组成,完成飞机控制管理系统的需要。动力系统由动力电池、螺旋桨、无刷马达组成,为无人机提供飞行所需的动力。起降系统由弹射绳、弹射架、降落伞组成,帮助无人机完成弹射起飞和伞降着陆。部分高级固定翼无人机采用滑行起降,需要额外设计起落架收放、减震、精准定位、加速和刹车等系统。地面控制站包括地面站电脑、手柄、电台等通讯设备,用以辅助完成路线规划任务和飞行过程的监控。
以多旋翼无人机为代表的消费级无人机应用市场,已确定进入快速成长期,根据公开多个方面数据显示,消费级无人机应用市场每年有超过50%以上增速,消费级无人机产品品种类型与服务日益丰富,行业出现领军企业大疆,占据70%以上的消费级无人机市场份额。
消费级无人机的技术门槛并不高,一套开源程序就能支持飞行器的起飞和降落,任何人都可以用开源程序做一套无人机平台。入门级的消费无人机产品,已经变成红海,各大厂商为很薄的利润而厮杀。各大无人机厂商的优点是飞控系统和云台系统,通过技术积累使其自身产品比竞争对手更稳定、故障率更低。
在美国、德国的相关航空展上,已然浮现了许多不逊色于大疆的无人机技术系统。一些有能力将成本做到极致的国内巨头企业,也纷纷进入消费级无人机产业掘金。
新型轻质材料的广泛应用,飞控核心技术成熟让消费级无人机行业门槛逐步降低,加剧行业竞争。行业竞争的加剧又导致无人机产品分化,各大厂商开始走差异化路线,针对不同客户的真实需求推出不同的产品。例如:针对巡检市场推出价格低、维护简便、航程相对较远的无人机产品;针对安防市场推出航时长,能在恶劣环境工作、图传效果好的无人机产品。
预计2018年民用消费级无人机市场规模约180亿元人民币,到2025年将达到约300亿元人民币。
工业级无人机和消费级无人机是完全两个不同的概念,产品也有天壤之别。刨去电磁散逸、保密通讯等专业方面技术问题,工业级无人机在大规模应用的道路上还有两个关键壁垒需要突破:一是航程和滞空时间不足;二是载荷能力不够。在突破这两个技术难点前,工业级无人机很难在产业中大规模应用。另外成本问题,也是不得不去考虑的现实问题,数万元的工业级无人机,需要最大限度地考虑投入产出比。
以现在的电池技术、无人机结构,在有效载荷和续航时间上,不可能有革命性突破。电池技术10多年来几乎原地踏步,从石墨负极、硅负极、金属负极、石墨烯,材料学家在电池方面的革新无所不用其极,论文天天发,投资叠叠加,但电池产品的突破并没有出现。
当前工业级无人机有效续航时间约20分钟左右,按作业最大水平飞行速度5米/秒计算,工业级无人机单次飞行最远距离6公里,考虑往返程和安全冗余,实际作业半径不会超过3公里。以无人机电力巡检为例,只有3公里作业半径的无人机高空巡检,是远远不足以满足工业级实际生产需要的。
工业级无人机单价一般在2万-8万元,甚至也有数十万元一架。无人机创造的实际价值,扣减掉设备折旧和其它费用后,是否有剩余收益,这是一个现实的财务问题。
工业级无人机市场还处于摸索与投入期,但考虑到未来巨大市场潜力,国内各大无人机厂商相继进入这个领域。
预计到2025年,工业级无人机市场规模约400亿,其中农林植保约200亿,安防市场约为150亿,电力巡检约为50亿。
军事级无人机应用,慢慢的变成了另一个独立产业。无论国内、国外都有很多非常成功的产品应用于实战,例如:诺斯罗普·格鲁曼公司生产的无人机“全球鹰”。在军事应用中,每个国家都有专注于该类市场的相关企业,开发满足多种需求的专业无人机。
市面上的无人机主要是采用锂聚合物电池作为主要动力,续航能力平平在20分钟至30分钟之间。因无人机技术方案不同,航时有所差别,无人机需要尽可能减轻起飞重量,所以没办法携带较重的大容量电池,大多数无人机维持二十分钟有效飞行之后,就必须更换电池或者插上充电线。无人机电池充电时间,一般每次一个小时之后。这是无人机一个致命的短板,大大限制了行业的快速良性发展,解决无人机电池续航能力迫在眉睫。
无人机通信系统,目前主要使用900MHz、1.4GHz、2.4GHz无线GHz主要作为数据通讯频段,2.4GHz主要作为图像传输频段,900MHz不建议使用。
工信部已经制定无线电相关使用准则,规范无人机行业的无线电频段使用。公共无线电通信链路,抗干扰能力弱,尤其是同频干扰没办法避免。只需采用几种特殊干扰方法,就可以实施对无人机指定无线电频段的定向干扰,今年五一西安无人机编队表演异常就是通信信号干扰造成的。随着无人机的数量指数级增长,无人机通信系统干扰的问题,将日渐突出。
无人机系统的定位导航,普遍采用GPS和北斗双模模式。GPS定位分为码定位和载波定位,码定位速度快,一般民用精度为3-10米,军用精度为0.3米;载波定位速度慢,不分民用和军用。北斗系统定位精度在10-20米。基于导航卫星的无人机定位系统,各大无人机厂商优化自己的算法,使精度勉强达到米级。
但受地形、天气等客观条件影响,导航卫星信号易干扰,精度稳定性不足的问题有待解决。民用无人机依靠卫星定位,在不用差分定位技术辅助的情况下,米级精度已经是极限。这样精度,在工业应用领域远远不足。米级的定位精度,不足以支撑无人机自动控制。
差分辅助定位技术,其原理是通过GPS或北斗卫星信号与已知真实基准站坐标对比,实现快速厘米级精度定位。无人机千机编队表演基本都采取这种技术,但在自由空间中,不具备这样条件。
避障技术,对于主流的无人机飞行至关重要,但现有的解决方案仍处于探索阶段。为确保公共安全,要一直改进传感器、传感算法和无人机设计。
无人机避障技术主要有四套解决方案:红外线传感器方案、超声波传感器方案、激光传感器方案和视觉传感器方案。在地面行驶的无人汽车避障问题完全解决之前,无人机避障技术还有漫长路要走。
2017年6月,《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》,民用无人机登记注册系统正式上线克以上的无人机,必须实施登记注册。建立无人机登记数据共享和查询制度,实现与无人机运行云平台的实时交联。2016年9月,《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》,保障民用航空活动的安全,加强民用无人机飞行活动的管理,规范其空中交通管理的办法。
2016年,《关于促进通用航空业发展的指导意见》,低空空域定义由1000米以下,提升到3000米以下。2015年,《轻小型无人机运行试行规定》,起飞全重7公斤以上无人机,必须接入“电子围栏”,不得在禁飞区使用无人机,无人机驾驶员需要持有操作执照。
2014年,《低空空域使用管理规定(试行)》征求意见稿,将低空空域分为管制空域、监视空域和报告空域,其中涉及监视、报告空域的飞行计划,企业需向空军和民航局报备。2013年,《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》,由中国AOPA协会负责民用无人机的相关管理。
划定禁飞区、无人机摸底统计、操作员实名制,国内无人机有关规定法律法规监管政策,整体趋严,彰显政府推进行业规范化发展的决心。
民用消费级无人机市场的快速地增长不可避免。轻质复合材料、通信系统的发展提供了基础条件,飞控技术的成熟,使得多旋翼无人机操作更灵活、更便利。受惠于产业链成熟,传感器、磁罗盘等零配件成本减少,消费级无人机价格大大降低,无人机与摄像头的结合在民用航拍、影视航拍等场景得到了广泛应用,实现销售级市场的突破。
民用工业级无人机续航时间有待提升,目前有效续航时间普遍未超过30分钟;工业级无人机飞行稳定性有待提升,在风、雨、雪等复杂环境下无人机飞行稳定性较差,还需改进;工业级无人机负载能力有待提升,小型工业无人机载重较差,制约在农药喷洒、物流等场景的应用。
农林、安防、电力三个领域,受限于续航、载重、稳定性因素制约,在技术突破前,较难实现民用工业级无人机的大规模应用。另外工业级无人机的价格昂贵,在追求投资收益的生产应用领域,同样是需要考虑的现实问题。
在电池技术未突破,无人机续航问题未解决前,一种通过外接电线的系留无人机值得关注。
系留无人机是将无人机和系留综合缆绳结合起来实现的无人机系统。系留无人机通过光电综合缆绳给无人机传输电能,使无人机可以不受电能限制而长时间停留在空中,其结构大小、制作材料能够准确的通过应用需求来灵活设计,机动性较强,很好的满足了部分工作环境对无人机长时间滞空需求。
系留无人机减轻了电池负荷,通过一根电线为无人机提供电能,同时利用电线对无人机进行有线控制、图像传输具有极高的抗干扰的能力。由于是外电源有线输入,理论上系留无人机可以无限滞空作业。在不需要无人机大范围机动的定位观察、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻采访、工程监控、环境监视测定、影视拍摄、科学研究、国防军工等领域,有广泛应用前景。
数千架无人机编队飞行表演,在广州、成都、西安等多地上演,数千架无人机能够直接进行复杂的编队飞行,组成的不同的图案与主题,且不会发生碰撞。强烈的视觉震撼,已经获得市场的广泛认可。无人机千机编队表演,无数“萤火虫”点亮夜空,慢慢的变成了独立商业模式,将持续扩大影响。
无人机在推广和使用的过程中,出现了一系列的安全风险隐患和监管漏洞,比如误闯禁飞区、小区飞行干扰休息等,这类现象对公共安全和个人权益造成一定影响,政策层面在逐渐完备和加强无人机领域的专项管理。由于国内对公共安全领域的高度关注,无人机监管政策总体趋严。
无人机是未来航空发展的新趋势之一,当前在航空机体材料、飞行定位、航空控制领域有所突破。随技术成熟,零配件成本降低,以多旋翼无人机为主小型民用无人机将成为市场热点。由于航程短、航速慢等特点,多旋翼无人机在安全级别低、稳定性要求低、在无滞空时间特别的条件的领域,有较大的应用空间,特别是利用飞行特质的航空拍摄,空中巡检、航空表演等领域。一个小型的无人机只需花几分钟在空中拍照,就能够实现这类对人来说非常艰巨而又危险的任务。
由于目前电池技术未实质性突破,多旋翼无人机滞空时间普遍在20-30分钟左右,无线G无线网络控制皆存在可靠性低,抗干扰能力弱,稳定性不足的制约。航空广泛使用的GPS/北斗定位系统、气压计测高系统、加速计、陀螺仪、地磁仪等设备精度远远未达到无人控制的精度要求,因此真正工业级无人机大规模、高精度、稳定应用还有待时日。个人觉得,在无人驾驶汽车大规模商业应用前,无人机不具备无人应用条件。
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