1.本发明涉及边防巡检领域，具体而言，涉及一种基于复合翼无人机的智能高速边防巡检系统。

2.针对我国边境线出入境人流量大，走私偷渡、侵犯边境安全等犯罪活动严重的情况，客观上要求边防部门执行任务时反应速度快。传统的边防监控多以人工监控的方式进行、比如站岗、了望、巡逻等。但由于边防区域地理位置复杂，且与监控中心距离较远，造成有线网络利用上的不便，使得传统监控一直未能很好地满足边境监控的需求。无人机技术的快速发展，使边防监控系统科技化、智能化发展成为可能。传统的无人机巡检由于需要巡检的范围大，所以一般需要多辆无人机组成的机组进行各自不同的任务进行巡检，而在批量无人机进行巡检过程中，由于其任务分配和路径的不合理性，往往导致了无人机易损毁，造成成本增加和巡检任务失败的缺点。鉴于此，我们提出一种基于复合翼无人机的智能高速边防巡检系统。

3.本发明的主要目的在于提供一种基于复合翼无人机的智能高速边防巡检系统，以解决相关技术中的问题。
4.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于复合翼无人机的智能高速边防巡检系统，包括边防信息录入单元、任务规划单元、优化学习单元和数据反馈单元，所述边防信息录入单元、所述任务规划单元、所述优化学习单元和所述数据反馈单元依次通过以太网通信连接，所述边防信息录入单元用于录入经卫星实时获取的边防地区地域信息，所述任务规划单元用于根据所述边防地区地域信息进行无人机的任务规划，协同无人机进行巡检任务，所述无人机进行巡检任务时，获取边防实时路径数据和异常数据，所述优化学习单元用于根据无人机获取的路径数据和异常数据对任务边防信息录入单元和任务规划单元进行更新优化，所述数据反馈单元用于将无人机获取的路径数据和异常数据传输至基站；
5.所述边防信息录入单元包括卫星云图获取模块、云图数据分析模块、地形模型生成模块和地形模型导入模块；
6.所述任务规划单元包括无人机位置获取模块、任务路径生成模块、无人机匹配模块和任务派发模块；
7.所述优化学习单元包括路径优化模块、飞行高度优化模块、采集视角优化模块和任务优化模块；
8.所述数据反馈单元包括数据分类模块、数据传输模块、信号质量检测模块和信号切换模块。
9.进一步地，所述卫星云图获取模块、所述云图数据分析模块、所述地形模型生成模
块和所述地形模型导入模块依次通过以太网通信连接，所述卫星云图获取模块用于实时获取卫星云图文件，所述云图数据分析模块用于根据卫星云图文件提取图形数据和图形参数数据，所述地形模型生成模块用于根据所述图形数据和图形参数数据生成地形模型，所述地形模型导入模块用于将地形模型转换成所述任务规划单元能够识别的格式并传输至任务规划单元。
10.进一步地，所述无人机位置获取模块、所述任务路径生成模块、所述无人机匹配模块和所述任务派发模块依次通过以太网通信连接，所述无人机位置获取模块用于获取各个无人机的实时位置信息，所述任务路径生成模块用于根据所述地形模型生成无人机任务路径，所述无人机匹配模块用于根据任务路径和无人机的实时位置信息匹配状态完好的无人机，所述任务派发模块用于将任务路径传输至执行任务的无人机上。
11.进一步地，所述路径优化模块、所述飞行高度优化模块、所述采集视角优化模块和所述任务优化模块依次通过以太网通信连接，所述路径优化模块用于根据无人机执行任务时的路径异常数据对路径进行优化，所述飞行高度优化模块用于根据无人机执行任务时的高度异常数据对飞行高度进行优化，所述采集视角优化模块用于根据无人机执行任务时拍摄到的图像进行采集视角优化，所述任务优化模块用于根据无人机执行任务时的剩余电量情况和任务完成情况对无人机匹配进行优化。
12.进一步地，所述数据分类模块、数据传输模块、信号质量检测模块和信号切换模块依次通过以太网通信连接，所述数据分类模块用于将无人机执行任务获取的数据进行分类，所述数据传输模块用于将分类后的信息通过网络信号传输至基站，所述信号质量检测模块用于检测所述网络信号的实时强度，所述信号切换模块用于在所述网络信号的实时强度低于设定阈值时，切换网络信道。
13.进一步地，所述路径优化模块采用深度学习算法进行优化，具体包括：
14.输入：训练样本数据队((x
15.输出：权重矩阵w＝[w1，w2，
s1：选择一个权重系数矩阵w的初始值和一个学习率μ值；
s2：依据公式由初始权重和训练样本求解各层神经元其中，γ是一个设置好的正数，m表示为样本中数据的数量，w是权重参数，其中，γ是一个设置好的正数，m表示为样本中数据的数量，w是权重参数，为损失函数，a为节点，y为向量；
s3：repeat：满足近似条件；
s4：由公式对初始权重矩阵进行调优,其中，为参数矩阵，
进一步地，所述采用深度学习算法进行优化后，对权重矩阵w进一步调优，其具体为：
输入：无标签训练数据{x
输出：权重矩阵[w1，w2，
s6：将无标签的训练数据{x
}作为dbntf模型的输入层；
s7：依据公式求得有标签的训练数据队(x(i),y(i))，其中，v
表示无人机的平均速度，v
表示无人机的最大速度，cn表示受到的平均风阻，cn
表示受到的最大风阻，为等级值可调参数；
s8：将dbn模型的输出层作为softmax分类器的输入，带标签的数据队(x(i),y(i))为输出，完成softmax分类器的求解；
s9：用误差的反向传播算法对权重[w1，w2，
s10：输出最终的权重矩阵[w1，w2，
进一步地，所述根据无人机执行任务时的高度异常数据对飞行高度进行优化包括：通过无人机底部的红外传感器测量飞行过程中离地距离，并根据预设离地距离调整各路径上的无人机飞行高度。
进一步地，所述根据无人机执行任务时拍摄到的图像进行采集视角优化包括：将无人机在任务过程中各采集点拍摄的图像进行组合，检测组合图像完整性，若组合图像不完整，则调整无人机在改点的拍摄角度。
进一步地，所述根据无人机执行任务时的剩余电量情况和任务完成情况对无人机匹配进行优化：在各无人机任务结束降落时判定其任务完成情况和剩余电量，若无人机降落时任务未完成和/或无人机剩余电量小于设定阈值，则在下次该任务中匹配更高型号的无人机。
进一步地，无人机包括机体和机体外围的螺旋桨组件，在所述机体的底部开有与机体内部连通的开口，在开口内设有坠落防护装置，所述坠落防护装置可开合的多个弹力板、带动弹力板开合的传动组件和为传动组件提供动力的驱动组件，所述弹力板在合起时收缩在机体内部，多个所述弹力板在张开时在所述机体下方围成一个半球状结构。
进一步地，传动组件包括支撑柱，所述支撑柱的顶端固定有立杆，所述支撑柱的底部圆周外壁上呈圆周等间距设有若干铰座，所述铰座上铰接有摆臂，所述弹力板的一端内壁安装有固定座，所述摆臂的一端与所述固定座固定连接，所述摆臂的远离所述支撑柱的一侧安装有配重块，所述弹力板的一端固定有连接环，所述驱动组件安装在驱动盒内部，所述驱动盒为底部开口的中空结构，且其底部通过底板密封，所述驱动组件包括固定在驱动盒内的伺服电机，所述伺服电机的输出轴端部同轴固定有主动齿轮，所述主动齿轮的外围呈圆周等间距设有若干从动齿轮，所述主动齿轮与各个从动齿轮啮合，所述从动齿轮底部同轴固定有收卷筒，所述收卷筒的圆周外壁固定有拉绳，所述拉绳从底板上的绳孔内穿过，且所述拉绳的末端固定在对应的所述连接环上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过防信息录入单元录入经卫星实时获取的边防地区地域信息，根据边防地区地域信息进行无人机的任务规划，协同无人机进行巡检任务，无人机进行巡检任务时，获取边防实时路径数据和异常数据。通过实时获取的卫星云图，再根据其生成地形模型，能够确保每次任务过程中的后续路径规划和任务分配差错最小，因边防地区一般地形复杂，在此方法下能够极大减少差错，避免无人机损毁。
2、本发明通过任务规划单元获取各个无人机的实时位置信息，并根据地形模型生成无人机任务路径，并根据任务路径和无人机的实时位置信息匹配状态完好的无人机来派发任务，能够自动匹配适合完成该次任务的无人机，自动完成巡检任务下发。以此来选择合适续航和路程最优的无人机参与任务，提高完成任务的效率。
3、本发明通过优化学习单元基于深度学习完善任务过程中各项参数，根据其风阻，速度，障碍物等影响重新优化路径，确保下次任务时的路径更优、避免无人机由于地形波澜起伏因离地高度过低而造成的损毁、确保无人机每次任务时能够拍摄到边防地区的全景，避免有漏拍现象的发生以及能够更加合理的分配大功率和小功率无人机执行其最适合的任务。
4、本发明通过数据反馈单元能够实时将无人机任务过程中获取的数据反馈到基站，确保边防情况能够实时被边防人员检测，有异常情况时能够及时做出反应，并且能够实时检测网络信号的优劣，在网络信号不佳时及时切换信号，确保数据的实时传输。
5、本发明通过坠落防护装置，在发生故障或是撞击到障碍物坠落时，机体内部的加速度传感器会检测到加速度异常型号，同时通过无人机的主控控制伺服电机开启，弹力板在合起时收缩在机体内部，多个弹力板在张开时在所述机体下方围成一个半球状结构，无人机在坠落到地面或者岩石等坚硬物上时，弹力板合成的半球状薄壁结构会率先落地，并吸收和缓冲落地带来的动能，极大程度地避免了无人机及其内部元件损坏。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明优选实施例中的整体系统示意图；
图2为本发明优选实施例中局部模块示意图之一；
图3为本发明优选实施例中局部模块示意图之二；
图4为本发明优选实施例中局部模块示意图之三；
图5为本发明优选实施例中局部模块示意图之四；
图6为本发明优选实施例中无人机的结构示意图之一；
图7为本发明优选实施例中无人机的结构示意图之二；
图8为本发明优选实施例中坠落防护装置合起状态的结构示意图；
图9为本发明优选实施例中坠落防护装置的局部结构示意图；
图10为本发明优选实施例中坠落防护装置的结构张开状态示意图；
图11为本发明优选实施例中驱动组件的结构示意图。
图示说明：100、边防信息录入单元；101、卫星云图获取模块；102、云图数据分析模
块；103、地形模型生成模块；104、地形模型导入模块；200、任务规划单元；201、无人机位置获取模块；202、任务路径生成模块；203、无人机匹配模块；204、任务派发模块；300、优化学习单元；301、路径优化模块；302、飞行高度优化模块；303、采集视角优化模块；304、任务优化模块；400、数据反馈单元；401、数据分类模块；402、数据传输模块；403、信号质量检测模块；404、信号切换模块；1、机体；2、螺旋桨组件；3、坠落防护装置；31、传动组件；311、支撑柱；312、立杆；313、铰座；314、摆臂；315、配重块；32、弹力板；321、固定座；322、连接环；33、驱动盒；34、驱动组件；341、主动齿轮；342、伺服电机；343、从动齿轮；344、收卷筒；345、拉绳；35、底板；351、绳孔。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种基于复合翼无人机的智能高速边防巡检系统，请参阅图1-5，包括边防信息录入单元100、任务规划单元200、优化学习单元300和数据反馈单元400，边防信息录入单元100、任务规划单元200、优化学习单元300和数据反馈单元400依次通过以太网通信连接，边防信息录入单元100用于录入经卫星实时获取的边防地区地域信息，任务规划单元200用于根据边防地区地域信息进行无人机的任务规划，协同无人机进行巡检任务，无人机进行巡检任务时，获取边防实时路径数据和异常数据，优化学习单元300用于根据无人机获取的路径数据和异常数据对任务边防信息录入单元100和任务规划单元200进行更新优化，数据反馈单元400用于将无人机获取的路径数据和异常数据传输至基站；
边防信息录入单元100包括卫星云图获取模块101、云图数据分析模块102、地形模型生成模块103和地形模型导入模块104；
任务规划单元200包括无人机位置获取模块201、任务路径生成模块202、无人机匹配模块203和任务派发模块204；
优化学习单元300包括路径优化模块301、飞行高度优化模块302、采集视角优化模块303和任务优化模块304；
数据反馈单元400包括数据分类模块401、数据传输模块402、信号质量检测模块403和信号切换模块404。
本实施例中，卫星云图获取模块101、云图数据分析模块102、地形模型生成模块103和地形模型导入模块104依次通过以太网通信连接，卫星云图获取模块101用于实时获
取卫星云图文件，云图数据分析模块102用于根据卫星云图文件提取图形数据和图形参数数据，地形模型生成模块103用于根据图形数据和图形参数数据生成地形模型，述地形模型导入模块104用于将地形模型转换成任务规划单元200能够识别的格式并传输至任务规划单元200。通过实时获取的卫星云图，再根据其生成地形模型，能够确保每次任务过程中的后续路径规划和任务分配差错最小，因边防地区一般地形复杂，在此方法下能够极大减少差错，避免无人机损毁。具体的，图形参数数据包括地形数据和地形的二维尺寸及三维尺寸。
本实施例中，无人机位置获取模块201、任务路径生成模块202、无人机匹配模块203和任务派发模块204依次通过以太网通信连接，无人机位置获取模块201用于获取各个无人机的实时位置信息，任务路径生成模块202用于根据地形模型生成无人机任务路径，无人机匹配模块203用于根据任务路径和无人机的实时位置信息匹配状态完好的无人机，任务派发模块204用于将任务路径传输至执行任务的无人机上。其能够自动匹配适合完成该次任务的无人机，自动完成巡检任务下发。以此来选择合适续航和路程最优的无人机参与任务，提高完成任务的效率。
本实施例中，路径优化模块301、飞行高度优化模块302、采集视角优化模块303和任务优化模块304依次通过以太网通信连接，路径优化模块301用于根据无人机执行任务时的路径异常数据对路径进行优化，飞行高度优化模块302用于根据无人机执行任务时的高度异常数据对飞行高度进行优化，采集视角优化模块303用于根据无人机执行任务时拍摄到的图像进行采集视角优化，任务优化模块304用于根据无人机执行任务时的剩余电量情况和任务完成情况对无人机匹配进行优化。
本实施例中，数据分类模块401、数据传输模块402、信号质量检测模块403和信号切换模块404依次通过以太网通信连接，数据分类模块401用于将无人机执行任务获取的数据进行分类，数据传输模块402用于将分类后的信息通过网络信号传输至基站，信号质量检测模块403用于检测网络信号的实时强度，信号切换模块404用于在网络信号的实时强度低于设定阈值时，切换网络信道。能够实时将无人机任务过程中获取的数据反馈到基站，确保边防情况能够实时被边防人员检测，有异常情况时能够及时做出反应，并且能够实时检测网络信号的优劣，在网络信号不佳时及时切换信号，确保数据的实时传输。
本实施例中，路径优化模块301采用深度学习算法进行优化，具体包括：
输入：训练样本数据队((x
输出：权重矩阵w＝[w1，w2，...，w
s1：选择一个权重系数矩阵w的初始值和一个学习率μ值；
s2：依据公式由初始权重和训练样本求解各层神经元其中，γ是一个设置好的正数，m表示为样本中数据的数量，w是权重参数，其中，γ是一个设置好的正数，m表示为样本中数据的数量，w是权重参数，为损失函数，a为节点，y为向量；
s3：repeat：满足近似条件；
s4：由公式对初始权重矩阵进行调优,其中，为参数矩阵，
本实施例中，采用深度学习算法进行优化后，对权重矩阵w进一步调优，其具体为：
输入：无标签训练数据{x
输出：权重矩阵[w1，w2，...，w
s6：将无标签的训练数据{x
}作为dbntf模型的输入层；
s7：依据公式求得有标签的训练数据队(x(i),y(i))，其中，v
表示无人机的平均速度，v
表示无人机的最大速度，cn表示受到的平均风阻，cn
表示受到的最大风阻，为等级值可调参数；
s8：将dbn模型的输出层作为softmax分类器的输入，带标签的数据队(x(i),y(i))为输出，完成softmax分类器的求解；
s9：用误差的反向传播算法对权重[w1，w2，
s10：输出最终的权重矩阵[w1，w2，
使用该路径优化方法能够在每次无人机执行任务之后，根据其风阻，速度，障碍物等影响重新优化路径，确保下次任务时的路径更优。
本实施例中，根据无人机执行任务时的高度异常数据对飞行高度进行优化包括：通过无人机底部的红外传感器测量飞行过程中离地距离，并根据预设离地距离调整各路径上的无人机飞行高度。能够避免无人机由于地形波澜起伏因离地高度过低而造成的损毁。
本实施例中，根据无人机执行任务时拍摄到的图像进行采集视角优化包括：将无人机在任务过程中各采集点拍摄的图像进行组合，检测组合图像完整性，若组合图像不完整，则调整无人机在改点的拍摄角度。确保无人机每次任务时能够拍摄到边防地区的全景，避免有漏拍现象的发生。
本实施例中，根据无人机执行任务时的剩余电量情况和任务完成情况对无人机匹配进行优化：在各无人机任务结束降落时判定其任务完成情况和剩余电量，若无人机降落时任务未完成和/或无人机剩余电量小于设定阈值，则在下次该任务中匹配更高型号的无人机。其能够更加合理的分配大功率和小功率无人机执行其最适合的任务。
为了保证无人机在执行任务过程中以外坠落，发明人为减少巡检时的无人机损耗，想到在无人机底部安装弹性防护机构，但是若是安装普通的弹性防护机构，在无人机飞行时无疑会增大风阻，从而影响无人机飞行的稳定性且会增加能耗。基于此，如图6-11所示，无人机包括机体1和机体1外围的螺旋桨组件2，在机体1的底部开有与机体1内部连通的开口，在开口内设有坠落防护装置3，坠落防护装置3可开合的多个弹力板32、带动弹力板32开合的传动组件31和为传动组件31提供动力的驱动组件34，弹力板32在合起时收缩在机体1内部(如图8所示)，多个弹力板32在张开时在机体1下方围成一个半球状结构(如图10所示)。
具体的，传动组件31包括支撑柱311，支撑柱311的顶端固定有立杆312，支撑柱311的底部圆周外壁上呈圆周等间距设有若干铰座313，铰座313上铰接有摆臂314，弹力板32的一端内壁安装有固定座321，摆臂314的一端与固定座321固定连接，摆臂314的远离支撑柱
311的一侧安装有配重块315，弹力板32的一端固定有连接环322，驱动组件34安装在驱动盒33内部，驱动盒33为底部开口的中空结构，且其底部通过底板35密封，驱动组件34包括固定在驱动盒33内的伺服电机342，伺服电机342的输出轴端部同轴固定有主动齿轮341，主动齿轮341的外围呈圆周等间距设有若干从动齿轮343，主动齿轮341与各个从动齿轮343啮合，从动齿轮343底部同轴固定有收卷筒344，收卷筒344的圆周外壁固定有拉绳345，拉绳345从底板35上的绳孔351内穿过，且拉绳345的末端固定在对应的连接环322上。在正常飞行过程中，坠落防护装置3如同图2所示的状态收缩在无人机的机体1内部，而无人机在发生故障或是撞击到障碍物坠落时，机体1内部的加速度传感器会检测到加速度异常型号，同时通过无人机的主控控制伺服电机342开启，伺服电机342开启后其输出轴快速旋转，通过主动齿轮341将转矩传递给各个从动齿轮343，从而带动各个收卷筒344快速转动，原本缠绕在收卷筒344圆周外壁的拉绳345会瞬间释放，此时，在摆臂314外侧的配重块315在重力作用下会带动摆臂314四散分开，从而使各个弹力板32落下并合成一个半球状薄壁结构，此时无人机在坠落到地面或者岩石等坚硬物上时，弹力板32合成的半球状薄壁结构会率先落地，并吸收和缓冲落地带来的动能，极大程度地避免了无人机及其内部元件损坏。具体的，弹力板32采用树脂材料制成，其本身具有弹性，且耐撞击能力强。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

【摘要】：无人机初步设计涵盖了总体设计、结构设计、推进系统、操稳和性能分析等多个学科。本文对飞翼布局无人机族群进行结构设计初步研究,具体研究内容如下:1)根据飞翼式布局外形特征参数,使用CATIA二次开发技术对打击型和侦察型无人机的气动外形进行参数化建模。根据无人机族结构设计要求,在CATIA平台分别完成两种类型无人机的结构布置线框模型。2)基于PCL语言自动实现几何曲面重建,网格划分,载荷和边界条件设置和有限元物理属性定义等,生成结构有限元模型。在此基础上采用修正可行方向法对两种机型的单一构型无人机分别进行结构优化。3)针对共享机身模块的无人机族结构优化问题,提出了一种可以同时实现通用模块和专用模块的结构尺寸二级优化方法。优化流程分为通用模块和专用模块两个层次,其中通用模块为系统层次,主要任务是确定机身模块结构件尺寸;专用模块为子系统层次,为了确定机翼受力构件的具体尺寸,并将结果返回到系统级。经过多次迭代,获得通用模块和专用模块结构尺寸的最佳组合。本文着重研究了将无人机族的概念和方法应用于飞翼布局无人机族的结构初步设计中。通过对飞翼布局无人机族的结构设计优化的研究,初步形成了一套具有飞翼布局特色的无人机族的结构优化设计方法。

原标题：观察 | 我国民用无人机产业市场现状与发展趋势

　　无人机是全球新一轮科技革命和产业革命的热点，其产业发展关乎国家利益、公民权益。由于无人机具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等特征，特别是在许多复杂、危险的空中活动中更具备独特优势，在影视航拍、传统农林业、工业作业、灾害救援、公共安全以及消费娱乐业领域结合得到广泛应用。无人机代表着未来通用航空业的发展方向，将成为中国经济增长的新动力。

　　一、民用无人机是国家战略性新兴产业

　　民用无人机产业的研发、制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。随着无人机研制、生产成本不断降低，其应用范围日益广泛，具有旺盛的市场需求和广阔的发展前景，在国民经济建设中的作用日益突出，将会成为支持中国经济发展的重要产业。

　　（一）民用无人机是“中国制造”的代表性产业

　　国务院制定的《中国制造2025》规划要求推进无人机产业化快速发展。我国民用无人机产业起步晚，进步快。近年来，随着工业产业链配套的成熟，以及的发展成熟，我国从单纯的生产加工制造转向自主研发，在民用无人机制造方面处于世界前列。中国的无人机产业以产品在国际市场创造了新奇迹，厂商实现了中国制造升级到中国创造的转型。民用无人机作为通用航空行业异军突起的“中国制造”代表性产业，随着行业应用的加速推广、消费领域的需求爆发以及新应用领域的拓展，无人机系统未来将是航空业最蓬勃发展的部分。

　　（二）民用无人机产业促进传统行业转型升级发展

　　根据各行各业的具体需求与工作标准实施无人机作业，能够降低人力物力成本，提高工作效率与质量，还减少环境污染和节省时间，可替代各行业传统作业方式。目前，在农业、电力、通信、气象、农林、海洋、勘探、影视、执法、救援、快递等专业领域的应用，无人机都显示了极好的技术效果和经济效果。随着大数据、云计算、移动互联网等信息技术与无人机技术的相互融合，民用无人机产业链已从“垂直进步”走向“水平进步”，通过开拓不同的应用场景综合性地带动整体国民经济发展，推动新兴产业发展满足社会经济活动的需要，大幅提升我国航空工业竞争优势与核心竞争力。

　　（三）民用无人机产业是军民深度融合发展的新领域。

　　民用无人机技术起源于技术。随着军民融合发展国家战略的深入实施，无人机技术的飞速发展和军民技术的深度融合，我国将进一步增强自主设计研发无人机的能力，会催生出一系列服务国民经济社会发展的种类齐全、功能多样、安全可靠的系列，从而形成配套齐全的研发、制造、销售和服务的产业体系。

　　二、我国民用无人机产业市场现状分析

　　民用无人机用户基本上由政府部门、商业公司、个人爱好者构成，民用无人机产业主要分为消费级和工业级两个市场。

　　（一）消费级无人机市场现已进入红海阶段。

　　随着无人机产业链配套逐渐成熟、硬件成本曲线不断下降和市场价格的降低，无人机市场关注度持续攀升，的客户群体从小众拓展至大众，客户规模呈现指数级增长。近年来爆发式增长的无人机产业点燃了创业企业及互联网巨头的热情，红杉资本、红点资本等全球顶级风投机构进入消费级无人机市场，高通、通用、英特尔、谷歌、腾讯、小米等企业巨头纷纷加入，甚至宗申动力、山东矿机等传统制造企业也蜂拥而至，还有很多尚未出名的小团队也在开发消费级无人机，大量低成本同质化无人机的不断进入让市场竞争更加焦灼，整个市场呈现出一片火热的状态。迄今，在注册名称中直接含有无人机字样的中国公司，已有474家，近三年内成立的为439家，占比93%。2016年年末，无人机行业“负面”新闻不断，许多无人机项目失败，部分无人机厂商出现产品质量问题频出、内部管理混乱、出货靠刷单、拖欠供应商货款等问题。由于国内无人机产业的整体水平仍然良莠不齐，产业市场目前已经呈现出拥挤态势。无人机行业很快将迎来洗牌整合，资本正从跟风式的概念投资转向理性的价值导向的理性投资，并开始关注和最新人工智能产品以及服务相关的其他领域。

（二）工业级无人机市场正在处于蓝海时代

　　无人机正在应用到涉及国计民生的很多领域，发挥着各种重要的生产力作用。与消费级无人机市场不同，工业级市场由于主要侧重飞机的技术性能和行业应用，在实际运用中需要与行业客户进行反复的沟通和不断地改进方案，因此具有很强的客户粘性和壁垒。工业级无人机在行业应用的深度和广泛是技术与经验长期积累的结果，在各行业不同细分领域具有极大的商业价值，可以深入应用于农林植保、电力巡线、石油管道巡检、国土测绘、海洋监测、气象探测、人工降雨、航空遥感、抢险救灾、环保监测、森林防火、警用巡逻、交通监控、物流快递、医疗救护、地质勘探、海洋遥感、新闻报道、野生动物保护等等诸多行业场景。我国制造应用尚处在起步和示范阶段，总体技术还比较落后，只在为数不多的领域得到较好的发展，在更多工业应用领域依旧是处于不断探索阶段，还没有形成规模化的市场，整体处于爆发前的积累阶段。随着无人机技术的不断发展和商业应用的不断成熟，每个行业应领域的潜在需求市场空间极大，无人机在工业领域的普遍应用将具有更大的商业价值和市场规模。

三、我国民用无人机产业的发展机遇

　　无论是资本投入、企业资源配置还是市场的参与度，民用无人机行业已经从盲目扩张转向有节制发展，从狂热无序的初期逐步走向理性健康发展的新阶段，但是发展前景依然光明。

　　（一）国家政策环境优化

　　国务院印发的关于国家战略性新兴产业发展和信息化的十三五规划中，针对无人机行业的发展，均有明确的指导性规划和具体的扶持政策，并积极推动人工智能技术融合应用于无人机，大力推进民用无人机的商用化进程。国家发改委关于推进通用航空发展的政策频繁出台，并积极开展通航产业试点示范。进一步明确通用航空发展路线图，确立了“放管结合以‘放’为主”的通航管理改革思路，并于2017年初在华东地区开展无人机研发试飞基地建设试点，探索无人机研发试飞管理，引导无人机有序发展，避免飞行冲突。

　　（二）产业供应链较完善

　　无人机所需要的碳纤维、特种塑料、锂电池、磁性材料等关键配件及材料，在深圳、成都等地产业配套齐备，我国拥有无人机发展所需的全产业链，可以实现对无人机系统的产品供应链的全部自给。国内无人机厂商借助于完善的电子元器件供应链与庞大供应商系统的支撑，以较低的成本生产和销售产品，凭借强大的性价比优势在海外市场抢占市场。

　　（三）飞行文化加大普及

　　无人机从最初少数航模爱好者的小众消费品，到目前火热市场的招牌，再到正式入主部分高校相关专业，航空类院校创办了无人机研究机构，社会组织开展了各类航拍、无人机设计、无人机竞技等比赛活动，无人机产业联盟、无人机系统标准协会等行业组织相继成立，各地兴起建设无人机文化小镇、无人机研发制造基地的热潮，应用无人机已成为社会风尚。

　　四、我国无人机产业发展现存的现实瓶颈

　　当前，我国无人机产业虽然比较火热，但是应用范围有限，商业开发和私人使用的市场亟待加强。国内无人机产业发展受到政策、法规、市场、应用等诸多方面的制约现实，呈现无人机用户“用不了、用不起、用不好”的现象。根据调研情况来看，我国无人机行业面临着诸多发展障碍，主要是以下三个方面的瓶颈。

　　（一）技术开发还不成熟

　　虽然无人机技术近年来实现了巨大的突破，产业化水平也得到了大幅提升，但是目前的无人机产品故障率高，无法保证稳定性、良品率和适应性，无人机关键技术水平难突破，其研发能力还需加强。消费领域的无人机还存在诸如GPS信号丢失之后无人机漂移问题、续航问题、稳控问题、负荷有限、机身不够耐久、抗风雨能力弱、维修、网络连接不稳定等问题，用户的使用便捷性不足，娱乐体验还不好。目前国产工业级无人机的技术并不成熟，性能不稳定，无人机的智能性并不能满足使用需求，这成为制约商业应用的核心问题，阻碍着更多的市场需求释放。国内大部分无人机企业都是整合型公司，主要只从事装配业务，就开始为用户提供某项服务或多种服务，而且研发团队不稳定，研究机构创新力量还不够强，任务完成效能不高，真正掌握核心技术的不到10%。

　　（二）产业市场尚未完善

　　由于无人机产品性价比不高，技术水平相对落后，导致国产无人机接受程度低、受众规模小，无人机很难在消费市场全面推广普及，推广工业级民用无人机依靠政府补贴和项目扶持的模式不可持续，在一定程度上制约了我国民用专业无人机产业发展。无人机在诸多领域都具有很大的前景，例如公共管理方面，如警用、测绘、环境保护、科学研究和灾害预防和管理等；亦或者是商用运营方面，如影视航拍、农业植保、物流载重等，充分挖掘这些领域的民用无人机需求后，将呈现出难以估量的产业发展潜力。

　　（三）监管政策还不健全

　　民用无人机坠毁，伤及人、财物、扰乱空中秩序和危及公共安全的事件时有发生，造成严重的安全隐患。生产技术、低成本生产，以及使用者操作不规范和不守法的运营是主要原因。我国无人机政策管理条例虽然有，但法律属性尚不明晰，规定的内容比较笼统，而且缺乏强制执行效力和可操作性，申请流程也不明确，很多无人机操作者很少申请空域，“黑飞”仍然非常普遍，存在着不全面，执行监管不到位的局面，无法解决民用无人机可能带来的安全问题。

　　五、民用无人机产业的发展趋势展望

　　政策、技术和应用需求是无人机产业的三大驱动力，降低成本、注重实用将是今后无人机产业发展的重要特征。随着国家传统产业转型升级与供给侧结构改革落地，在鼓励创业创新的大背景下，极具市场价值的无人机行业将继续保持高速增长。根据行业预测，我国民用无人机产品销售和服务总体市场规模2018年将达到110.9亿元，到2020年将达到465亿元，2025年将达到750亿元。

（一）产业体系协同化。

　　随着无人机市场的逐渐兴盛，无人机产业将从设计、研发、制造等技术领域延伸到、操作员培训等管理、服务、保障领域，进而触及社会生产、生活更广更深的层面，逐步形成一条新的产业链条。通过建立完善的生产制造能力及供应链管理和质量控制能力，增强上下游产业链高度信任磨合，加强顺应时势与需求导向的市场推广，健全完善的销售渠道与售后服务中心等，上下游的企业互相促进，共同成长，构建产业发展的良性循环格局，实现民用无人机产业体系的协同化发展。军用无人机厂商以贯彻军民融全发展战略为契机，利用技术优势进入民用无人机市场。同时，大型消费级无人机企业利用市场优势与技术积累进军工业级市场，工业级无人机企业也可利用专业优势生产迎合大众市场需求的消费级无人机产品。通过无人机产业链上下游企业共同协作创新，跨界融合发展，创新商业模式，从而形成跨产业、跨领域的产业形态，构建制造业与服务业一体化的新型产业体系。

　　（二）消费产品个性化

　　消费市场的无人机资本将更多地向视频、相机领域拓展，以形成沉浸式航拍体验，让普通大众享受到无人机飞行的乐趣。消费级无人机企业要抓住市场需求与用户痛点，通过准确定位产品，技术改良升级，增强便携性、安全性、易操控性等，并赋予无人机更多的社交、媒体属性，开发出新的应用场景，推出迷你型、个性化、便携式的消费级电子消费品，让消费者得到意外的使用体验，从而使得行业规模获得更大的拓展。随着技术的进步和多种应用的开发，无人机研发或将以贴近生活、开放开源为立足之本，深层次地满足消费者的需求，在旅游、生活摄影、导航、看护、运动、比赛、娱乐、教育、表演、婚庆、游戏乃至个性化社交等方面的能力得到强化，未来大量用户和设备的聚集将形成空中飞行圈、空中竞技圈等社区，实现无人机实用性和文化性的双重跃进。

　　（三）行业应用专业化

　　工业级无人机只有实现用途多领域、性能多样化发展，才能把潜在的需求变为现实的市场。无人机搭载不同负荷之后可适用于多种作业环境，以满足不同作业环境的要求，能够大大提高作业效率，省时省力，并能更好地完成目标任务。美国FAA批准的无人机商业用途高达2000多种，发展趋势不可阻挡。随着对无人机应用价值认知程度的加深，无人机技术的不断创新必将颠覆众多行业的传统作业方式。基于工业级无人机高效的作业与强大的功能，将进一步推进传统行业变革，以实现产业更新升级。随着其在救灾、警务、环保、监测气候、货物运输等方面应用的扩大，尤其是太阳能无人机的使用场景更加丰富，将使无人机呈现出全领域发展的趋势，无人机的经济效益与社会价值更加突显。通过实施“无人机+”计划，与传统职业跨界融合，细分出无人机应急救援、无人机公共安全、无人机环境保护、无人机石油巡线等垂直应用领域，将开拓全新的无人机产业民用发展新局面。

　　（四）研发升级智能化

　　智能化趋势下，消费者对于无人机功能性需求提升，复杂的工业应用场景对无人机也提出了更多技术要求与更高的安全要求，需要深入系统的技术研发，在硬件、软件、算法、系统等构建起飞行安全体系。无人机智能化研发正在不断深入，推动人工智能技术在无人系统领域的融合应用，无人机将集成先进的机器人技术和算法技术，丰富的和任务设备，可以自动、智能化地完成各项复杂的任务。智能无人机与VR技术、大数据、云计算、互联网、物联网相结合，未来成为具备智能视觉、深度学习的“空中智能机器人”，能够自适应、自诊断、自决策、重规划，完全脱离人机一体的实体操作，可以实现飞行轨迹、操作控制的全过程数字化与自动化以及未来的交通管理过程的数字化，这将在普通消费用户市场获得巨大的应用空间，延续无人机在工作环境中的价值，向人类提供智慧服务。

　　（五）运营服务精准化

　　无人机行业不仅需要技术的创新，还要围绕行业应用市场的实际需求和用户的具体要求，积极探索商业模式来实施精准化的运营服务。随着民用无人机市场的升温，扩大而衍生出的无人机运营企业产业服务主要包括飞行服务、租赁服务、维修保养服务、培训服务、金融保险服务和大数据服务等。无人机飞行服务包括特定应用领域的专业应用服务，现在国内已有专业有无人机航拍公司、无人机植保公司等，客户不用购置专业机型和飞手，根据工作实际需求购置无人机服务来完成目标任务。工业级无人机售价高，若任务使用不频繁，可以通过租赁高质量、大规模、全系列的专业级无人机产品来解决。伴随着消费级市场的火热与工业级市场的拓展，无人机研发操作培训、维修保养服务与金融保险服务也拥有较大市场空间。无人机作为空中的数据端口，针对不同行业进行数据采集、传输和存储、提取、分析和展现，为用户提供更精确、更强大的数据流服务。

　　（六）安全监管规范化

　　无人机飞行时对其他飞行物和地面人员可能构成安全隐患，可能会带来间谍行为、交通事故、飞入政府禁区、偷拍、偷运毒品、抢占航线等严重的安全问题，这已经引起政府部门与社会各界的强烈关注。虽然现在我国无人机系统已经形成一定规模，有一定的技术储备和制造能力，但是民用无人机的飞行运营、适航管理、安全管理等还没有建立较为完善的标准规范和法规体系，在研发制造、销售使用、流转情况等方面尚无制度安排，导致各种违规飞行现象也随之而来，整体产业发展不规范。我国政府相关部门要建立统一高效的多部门联动协调监管机制，协同制订无人机产业发展顶层规划，并通过立法明确民用无人机的法律属性、制定无人机生产标准与适航标准、加强民用无人机驾驶员管理培训力度、实施统一规范民用无人机的制度和销售流通备案登记制度、明确和统一民用无人机的申报使用流程、建设无人机监管信息云平台、规范行业市场准入退出制度等举措，从研发、制造、销售、运营等多方面系统进行全方位管理与全过程监管，明确无人机违法违规的行政责任、刑事责任，统一监管、统一追责，防止无人机失控影响公众安全和飞行安全，确保无人机的合理、合法、合规地使用，使我国民用无人机产业实现持续、安全、创新发展。