对于“无人机”的下一波革新,我们应该期待些什么?

提起无人机,就会想到多旋翼飞行器;提起多旋翼飞行器,就会想到航拍。——这已经成为了无人机行业的一个“怪圈”。

在我看来,这实际上只是无人机发展到一个“瓶颈”的标志。

虽然我确定自己没有在“危言耸听”,但肯定还有人并不这样认为。没问题,我们还有阅读一篇文章所需的时间进行“讨论”。

(本文共 5481 字,且文中内容仅代表个人观点。)

一、消费级无人机的“盛世”之下,是工业无人机的缺位

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图片来自 Youtube

根据前瞻产业研究院制作的相关报告,2015 年中国无人机市场总体规模约为 67 亿元人民币,同比增长 48%,约占全球市场规模的 15%。

从 2013 年到 2015 年间,全球民用无人机的销量依次为 15 万、37.8 万、57 万架,其中更为关键数据是是专业级无人机的数量达到了消费级无人机的两倍左右。

而根据艾瑞咨询今年 5 月中旬制作的《2016 年中国无人机行业研究报告简版》,2025 年中国民用无人机细分领域市场规模的布局中仍然以“航拍及娱乐”为主,占据的总比例将达到 40% 左右。

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但在这张未来市场蛋糕图中,却不见“物流”这一极具潜力的方向的存在。艾瑞咨询也在其报告中的细分领域分析中写出了原因:

目前多旋翼无人机负载较差,不适应物流行业应用,同时各国在低空域管制严格,政策前景尚不明朗,因此物流领域应用还无法规模化应用。

另外在航拍及娱乐之外的无人机市场实际上有着很多相同的要求,其中最为关键的就是续航时间长、载重能力强。而这恰恰是现在多旋翼无人机所无法做到的事情。

而基于多旋翼无人机,乃至现在的消费级无人机去预测未来,这很明显是一个误区。

二、为什么无人机会进入“多旋翼时代”?

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图片来自 Capturethemomentum

“头顶”四个螺旋桨,嗡嗡作响,能够像“钉子”一样停留在空中,还能拍出从没见过的壮观画面——这也许就是绝大多数人对于无人机的印象。

但这些真的能代表“无人机”么?

爱范儿主笔兼资深无人机大神 Odin 就曾在其文章《无人机呀无人机,你为什么要叫无人机?》中提到了美国联邦航空管理局(FAA)对于无人机的定义:

一种不需要人类从内里直接介入的飞行器……这种操作包括现代飞行器、绑住了的气球、风筝、业馀级火箭、以及无人而自由的气球。

而我们现在最常见的无人机又应该如何归类呢?标准来说,他们都属于多旋翼飞行器。那为什么这种构型能够大放光彩呢?

两个字,简单。

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图片来自 百度文库

在理论环境中,多旋翼只需控制每个轴的转速就能够完成一系列动作(更多理论内容详见百度文库资料)。

这样一来,多旋翼飞行器就无需设计其他飞行器上用来控制飞行姿态的活动部件和机械结构(直升机的旋翼倾斜机构、固定翼的各种舵面和襟翼)。虽然看似简单,但背后同样也有一个必须先完成的前提:如何对多个螺旋桨进行精准的控制。

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图片来自 Uol

这也是为什么早在 1960 年前后,美国军方就进行了多旋翼飞行器的试验,但因为内燃发动机作为动力,四轴的动力传输以及如何同时控制多旋翼的发动机状态一直没能解决。

这个问题在电池、电机和飞控(无人机飞行控制的大脑)技术逐步提升之后才得以解决。结果,在 2010 年,我们终于看到了 Parrot 带来的 AR.Drone,也预示着以四轴为主多旋翼无人机真正浪潮的来临。

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图片来自 Windowscentral

其后就是产业和资本的双重力量,越来越多的无人机厂家浮现,多旋翼无人机也愈发呈现多样化。虽然绝大部分型号依旧以航拍为主要功能,但也衍生出了农保、训查、运输、近距自拍等多种用途。但真正能够投入商业运行,并且获得收益的实属凤毛麟角。

1、所以多旋翼无人机优势在哪里?

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图片来自 大疆

正如我们上文提到的那样,多旋翼无人机拥有相对较高的稳定性,而且对于起飞场地也没有什么要求,还让很多新手快速掌握入门。这些特性,在与无人机所必须的视频技术相结合之后,就演变出了多旋翼无人机最大的用途:航拍。

结合多旋翼的稳定能力,再加上 2 轴甚至以上云台的配合,多旋翼无人机能够拍摄出非常平稳的画面。同时又因为多旋翼无人机实际上提供了一个人类平时无法轻易触及的视角(直升机可以代替的只占一小部分),让无人机的成像功能愈发重要。

在无人机本体和成像功能之上,随着应用场景的不同自然也就衍生出了各种各样的终端产品,但是在本质上他们并无差别。

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作为理论上非常简单的一个结构,多旋翼无人机升空的动力完全来自多个螺旋桨带动气流之后的反作用力。哪怕是在水平行进,也只是将机身倾斜一定角度,在水平方向上产生一个推进的力量。

同时多旋翼的结构也让飞行器能够直接从各种平面起飞,让起飞场地的限制降到最低。

另外一方面,多旋翼飞行器具备极强的“悬停”能力,多个螺旋桨能够不断进行调整,让机身在空中保持稳定。这对于很多并不掌握飞行器操纵经验的新手来说相当重要:不会飞、害怕,直接放手就是,反正无人机也不会因为放开遥控就直接掉下来。

2、说完了优势,我们再来看看多旋翼无人机的劣势

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图片来自 Harmonyfwbchurch

排在首位的就是续航问题,这一点的根源就在无人机多螺旋桨的工作方式。而我们一般常见的飞机(固定翼、直升机均在内)实际上都是利用的翼面上下气流速度差所产生的压强差来提供升力。对于他们来说,动力就应该全部放在前进的速度上。只要飞得足够快,就能拥有足够的升力。

而多旋翼无人机都是依靠螺旋桨带动空气之后产生的反作用力留空,需要时刻提供垂直方向升力这个要求消耗了多旋翼无人机相当多的电量,也让其一直无法达到较远的航程。

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图片来自 波音

第二个是运载能力,多旋翼无人机的运载能力都只能达到接近多旋翼推力的水平,相比之下利用翼面升力的固定翼飞机完全能够实现十数倍于自身推力(美国 C-17 运输机的推力和最大起飞重量分别为 18 吨、285 吨)。

看到这里你也许已经发现,以多旋翼无人机为主体的无人机市场之所以会出现开篇中的“怪圈”,并不是因为企业自身、以及市场需求的选择,而是多旋翼无人机先天所具有的“无形枷锁”。

而想要破解这道“枷锁”,需要电池和电机技术翻倍甚至以上的性能提升,而这在中短期内明显是不可能的。

二、既然不是多旋翼,无人机下一波“革新”应该是啥样?

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既然多旋翼飞行器的路子已经来到了瓶颈,那么顺其自然的就是飞行器基础构型的改变。参考目前“大飞机”的情况,我们基本可以将他们划分为三种:固定翼、直升机、混合式。

  • 固定翼:载重大、续航长、速度快、高度高、飞行效率最高、拥有最远的航程;但是需要起飞需要条件,达到一定初速度或者较长起飞场地;并且他们理论上无法“悬停”。
  • 直升机:载重和续航比多旋翼无人机略大,同样能够在大部分场地实现垂直起降;但是旋翼的控制机构相对复杂,故障率高。
  • 混合式:通过巧妙的融合,将固定翼、直升机、甚至是多旋翼飞行器的特点结合到一起。

有趣的是,在大家还在“围观”多旋翼无人机市场的时候,几大互联网巨头却将目光不约而同的投向了更加“未来”的无人机。

1、Google Project Wing

结构布局:多旋翼 + 固定翼(飞翼布局)

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图片来自 Droneuniversities

Project Wing 是 Google 秘密实验室 Google X 所开发的项目之一,后者还曾开发过数个具备“颠覆性”的创新与发明:其中包括 Google Glass、Google 无人车等。这也间接为 Project Wing 打下了基础。

第一眼看到 Project Wing,你就能发现它与普通多旋翼无人机的不同之处:整个机体采用飞翼布局、非正方 X 型的四轴布局。而这样布局的目的也非常明显:让 Project Wing 同时拥有垂直起飞和高航程两种特性。

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垂直起飞的时候利用与普通四轴无人机一样的原理起飞,之后再在空中通过二次水平加速(变换过程仍不清楚),最终改成平飞状态。再之后就能够充分利用整体机身的飞翼造型获得升力。因为升力面积巨大,所以在合适的速度下, Project Wing 就将拥有远超一般无人机的续航能力。

在到达目的地上空之后,Project Wing 就会从平飞状态再次转换为悬停状态,并且通过释放绳索将物品送到地面(这一步看起来似乎有点鸡肋。)

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而 Google 给 Project Wing 立下的目标就是一款高航程的货运无人机,在爱范儿 2014 年的相关报道中也详细了描述其工作状况,以及对于它的部分质疑:

运送的包裹由绳子与机体连接,飞行至目的地时绳子会松开并放下将包裹,在抛下包裹时,连接包裹的“Egg”装置可以探测到物品与地面的距离,并自动减缓包裹下降速度到 2 米/秒,从 Google 公布的视频看,包裹坠地的一瞬间甚至没有扬尘。

Google 的这种无人机机身重量不超过 19 磅,最大负荷重量为 22 磅,这意味着它无法携带 Xbox 游戏主机。

除此之外 Project Wing 的宣传视频中也没有详细的“垂直转平飞”、“平飞转垂直”的经过。它将如何解决降落时较大迎风面带来的控制问题同样值得关注。

就在今年 8 月 3 日,FAA 批准了 Project Wing 的实测计划,并且将在 FAA 管制的 6 个无人机测试地点中的一个进行测试。

2、Facebook Aquila

结构布局:飞翼(滑翔翼)布局+四下挂发动机

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图片来自:The Verge

上个月正式试飞的 Aquila 是 Facebook Connectivity Lab 的杰作。它的商业化目标也与普通无人机有所不同:为世界 16 亿无法上网的人提供廉价的网络接入。

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图片来自:The Verge

在再三权衡了地面基站、无人机、低轨卫星、高轨(地球同步轨道)卫星的覆盖范围和成本差距之后,Facebook 决定采用无线光通信+无人机的解决方案。

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图片来自:The Verge

为了实现“连续飞行三个月”的目标,Aquila 采用了最大效率利用空气升力的滑翔机造型(展弦比尽可能大:机翼非常长,但是很“窄”)。同时还在机翼上方全部覆盖了太阳能电池。白天利用太阳能充电,晚上利用储备的电能继续飞行。

这种方案由于要追求极限的留空时间,需要在其他方面做非常多的牺牲(起降性能、操纵的灵敏度等等),这也将其限制了在高空的通信、监视、绘图等应用之上。

3、Amazon Prime Air(最新版)

结构布局:旋翼机(多旋翼+水平推进动力)

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图片来自 Eurotransport

首先需要区分清楚的是 Prime Air 实际上有着两代产品,第一代产品就是在寻常四轴无人机的基础上再增加了四个轴,最终形成了每边两个轴的正方形结构。而货物就被直接装在标准的小盒子里,然后挂在无人机下方运输。

很快,Amazon 自己应该也意识到了多旋翼并不是出路,于是在去年年底拿出了全新一代 Prime Air 无人机。这一回他们采用的是一个在航空业中都相当少见的结构布局——旋翼机。

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在普通四旋翼(每个旋翼位由两个螺旋桨组合,目的在于提升升力)无人机的基础上增加了一个水平轴向的螺旋桨,同时机身前后还布置有多个横向和竖向机翼,用以在飞行过程中提供升力和控制力。

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这种结构的好处是两个方向上的旋翼各司其职,分别提供升力和推进力,这样一来机身可以一直保持水平状态。同时还能获得相对较快的水平飞行速度,水平方向上的机翼还能在飞行时提供额外的升力。

但 Prime Air 的缺点也相当明显,复杂的整体结构占据了宝贵的载重能力(死重过大),同时升力依旧利用多旋翼提供,直接影响了其货物的重量限制。

4、总结

看完 3 个互联网巨头的例子,不难发现他们的无人机同样是千差万别,唯一的共同点是在于他们都在尝试跳出“多旋翼”的圈子,利用更加适合的结构布局来完成自己的目标。

这也算从一个侧面说明了多旋翼无人机目前所面临的“瓶颈”。

三、无人机变革,同样是无人机产业的变革

无人机之所以能够如此迅速发展,自然也与产业有“千丝万缕”的关系。

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图片来自 淘宝

之前多旋翼时代无人机的关键技术之一——飞控,也被称作无人机的“大脑”。实际上是能够直接向开源飞控平台购买的,而成本仅有几百元。硬件方面同样是如此,各种配件随处可得:机身结构、电机、飞控、电调、电池等等都不是问题。

这也让多旋翼无人机逐渐地走向了华强北的“山寨手机”之路。虽然厂家越来越多,产品越来越多,却仍无法撼动大疆的统治地位。这也与大疆自身极其深厚的技术积累和数据积累有关系,完整的产业链生产研发能力+庞大数据积累改进得出的飞控水平,让大疆目前的确没有对手。

面对在多旋翼市场占据统治地位的大疆,其他厂商采取的策略通常是“田忌赛马”:既然航拍机大疆做了,那我们就做农林;大疆开始做农林了?我们就开始做小型无人机吧;假如有一天大疆又开始做小型无人机,那么其他厂商又该换什么路呢?

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图片来自 深蓝

而其他结构布局不失为一次机遇,虽然同为无人机,但实际的技术需求并不同。电池动力部件能够使用、核心的控制芯片也能通用,但是整体的气动布局,以及对飞控提出的需求是数倍于当下的多旋翼无人机的。

这对于无人机企业来说必将是更大的挑战,单是整机气动布局设计估计就会难倒一大批由“玩具厂”变身而来“伪无人机厂商”。也有业内人士曾告诉爱范儿(微信号:ifanr),实际大疆一直也有在“搜刮”各种种类无人机人才。目的同样是为“未来”铺路。

在踏出多旋翼这个“安全区”之后,原来“背靠中上游、各种配件拿过来装一装然后就去调试”的模式走到尽头,同时将拉大各家企业在多旋翼时代并不明显的技术差距。

但需要说明的是,其他类型无人机的兴起不代表着多旋翼无人机的“死亡”。在很多特定场景下,多旋翼的优势永远存在。

四、被视为难关的政策需要被“挑战”

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图片来自 Drone-drone

最后,我们来谈谈政策。中国作为全球最严格的空域管理国家之一,相应规章制度的确会极大影响无人机的应用。

今年 1 月,中国民用航空总局发布了《轻小无人机运行规定(试行)》,虽然已经将 1.5 到 116 千克的无人机囊括在内,但是规定中对于无人机的具体使用规范依旧没有确定。而大家翘首以待的无人机适航标准目前仍未见到发布的迹象。

但总体来说,这个试行规定实际上针对的还是多旋翼无人机,对其他结构布局的无人机并不完全适用。

“充分利用空域,开发空间资源”始终是一个大趋势,但在相应的无人机制造出来,并且展示出其性能范围之前,政策肯定无法落地。反过来这些新的无人机也要跟空管当局不断交流,不断依据政策进行调整,最终实现无人机与其他航空器的“和平共处”。

与其因为政策复杂而“因噎废食”,倒不如先把无人机造出来,在探明性能的前提下共同着手制定管理方法。

总结

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图片来自 Dronefreaks

短短的今年间,无人机市场就刷出了一波“几何倍数增长”,提供“全新视角”这一能力也在人类的探索下不断拓展出更多的应用。

但这仅仅是个开头,在努力开发完多旋翼无人机的市场之后,更多种类无人机的引入还将进一步释放无人机的能力,用飞行的力量为人类带来更多实惠。

说不好哪天随便一抬头,你就会看到无人机大军的身影。

原文  http://www.ifanr.com/710082

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发布日期:2016年09月03日  所属分类:资讯