大型民用無人機關鍵技術專利情報分析

毛秋紅

(貴州省科學技術情報研究所，貴州 貴陽 550004)

1 研究背景

近年來，隨著我國民用無人機產業的蓬勃發展，無人機在物流、城市公共服務、應急救援等多個領域實現了拓展應用。最大起飛重量超過150 kg的大型民用無人機憑借其大載荷、長航時和遠航程的優勢逐漸進入人們視野，預計未來將成為無人機領域的發展熱點之一，有著廣闊的應用前景[1-3]。

“十三五”“十四五”期間，我國陸續出臺相關政策支持民用無人機產業發展，《“十四五”民用航空發展規劃》中明確提出“大力引導無人機創新發展”。專利情報分析是獲取技術信息、促進技術創新的重要手段。因此，本文從專利情報分析的角度，對大型民用無人機的機體設計、飛控系統、通信鏈路、動力系統、仿真模擬以及地面控制等關鍵核心技術進行研究，為我國大型民用無人機技術創新發展提供參考。

2 研究方法及專利數據檢索

本文主要采用專利情報分析方法，通過對大型民用無人機關鍵技術專利信息的定量和定性分析，了解該技術發展的狀況及趨勢。本文專利信息的數據來源于智慧芽全球專利數據庫和大為專利檢索系統。根據大型民用無人機技術分解及遴選出的關鍵技術，確定技術關鍵詞，建立不同的檢索策略進行國內外專利檢索，最后經過合并同族、人工去噪等處理，截至2021年1月31日，共檢索到相關全球專利申請2 750項，其中機體設計、飛控系統、通信鏈路、動力系統、仿真模擬以及地面控制的專利申請數量分別為614項、1184項、255項、132項、119項、125項[1]。

3 大型民用無人機關鍵技術

3.1 機體設計

圖1 機體設計專利發展趨勢

從機體設計的分支技術分布來看(見圖2)，大型民用無人機的機體設計技術集中在傾轉旋翼、復合翼和其他機翼結構(含固定翼)。另外，還涉及到有人機改無人機的技術，如起落機構、轉向機構和制動機構等。這三種機翼結構各有特點，傳統的大型機通常采用固定翼，但固定翼飛機需要較為嚴格的起降設施。傾轉旋翼無人機能實現垂直起降，對場地要求低，適用于更多場合，具有響應速度快的特點。復合翼無人機可行性高、機械結構簡單、經濟成本低，研發難度低于傾轉旋翼。目前，傾轉旋翼成品無人機有京東的傾轉旋翼無人機VT1。雖然相比固定翼大型無人機的產品，傾轉旋翼和復合翼無人機顯得較為單薄，但這兩種機翼結構無疑會是未來的發展熱點。

圖2 機體設計分支技術分布

從主要專利申請人(見圖3)可見，傾轉旋翼機魚鷹運輸機的制造商Bell Textron的專利申請量遙遙領先，雖然目前該企業尚未開發無人機產品，但考慮到其技術可移植到無人機，尤其是對于搶險救災物資運輸功能的大型無人機十分重要，所以也將其專利納入研究范疇。其他申請人專利數量有限，均在30項以下，如中國企業深圳智航、順豐、京東和美國波音公司(Boeing)和西科斯基飛機公司(Sikorsky)。

圖3 機體設計專利申請人

3.2 飛行控制系統

無人機飛控系統是穩定無人機飛行姿態，控制無人機自主或半自主飛行的控制系統，主要實現姿態控制、高度控制和航路控制等飛行模態[4]。無人機飛行控制系統包括硬件和控制方法兩部分，其中飛控硬件又包括自動駕駛儀、余度管理細分為計算機余度管理、傳感器余度管理和作動系統余度管理、軟件架構和電路等；而飛行控制方法包括航跡規劃&控制、起落控制、飛行姿態控制、避障、飛行參數測控、故障檢測&處理、飛行編隊、應急處理等10個分支技術。

從圖4看出，飛行控制系統的專利申請態勢是逐年增長的，以控制方法為主，其2001年后、2015年后實現了2次較大的數量跳躍；而控制硬件的進展不顯著。值得注意的是，大型無人機前期主要是應用于軍事，考慮到軍工領域的特點，許多技術不以專利的形式進行保護，而是以商業秘密等不公開的形式來保密其技術方案。

圖4 飛行控制系統專利發展趨勢

通過飛控系統分支技術的分布圖(見圖5)可見，飛行控制方法以航跡規劃&控制、起落控制、飛行姿態控制、避障、飛行參數測控、故障檢測&處理、飛行編隊、應急處理為主，其中廣義的航跡規劃可包括避障；而飛行控制硬件專利以自動駕駛儀、計算機余度、傳感器余度、作動系統余度為主。

圖5 飛行控制系統分支技術分布

航跡規劃&控制技術[5]即“導航”是將航行載體從起始點引導至目的地的技術或是方法。無人飛行器航跡規劃是為了找到一條能夠保證飛行器順利完成飛行任務的最優或滿意的航跡。在航跡規劃過程中需要考慮許多因素，這些因素之間往往存在相互耦合的關系，因此在航跡規劃過程中需要對多種因素進行相互協調[6]。在航跡規劃&控制技術方向，基于衛星定位和慣性導航的組合導航系統已成為當前重要的導航系統實現方案。該組合導航系統可充分發揮各自優勢并取長補短，利用衛星信號的長期穩定性與適中精度來彌補慣性導航部件的誤差隨時間傳播而增大的缺點，利用慣性導航部件的短期高精度來彌補衛星接收機在受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等的缺點。

無人機避障技術是無人機自主躲避障礙物的智能技術[7]。目前，無人機的避障技術中最為常見的是紅外線傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器以及視覺傳感器。避障技術發展方向以強化學習(Reinforcement Learning，RL)和深度學習(Deep Learning，DL)為代表的機器學習方法快速發展，在無人機自主飛行控制與決策領域發揮著越來越大的作用。未來避障技術將與航跡規劃合二為一，實現自動避障，中斷航跡后重新規劃。

行家看門道，兩位專家發現、分析、判斷問題的專業能力可謂老而彌堅，令遲恒信服，他點滴不漏地錄音、拍照。這一趟的收獲交上去，魏昌龍恐怕連在主任面前還價的余地都沒有。

起落控制技術方面，激光引導著陸技術是未來發展的方向，仍可為無人機安全著陸提供可靠保障，具有低成本、可靠性高等特點。

飛行控制硬件方面，主要是自動駕駛儀和余度管理。自動駕駛儀綜合要求高，技術難度較大，目前霍尼韋爾Honeywell等巨頭飛行控制方面的專利排在首位，擁有核心技術。余度管理技術，也叫容錯技術，是提高系統任務可靠性與安全可靠性的一種重要手段。飛控計算機的余度模式方案采用同構型余度的模式比較多，大多數無人機都采用并聯熱備份方式，出現故障時響應快、實時性好。

從圖6飛行控制系統主要申請人可見，飛行控制方法的專利申請人中老牌航空巨頭美國波音公司(BOEING)和空客(AIRBUS)、知名部件供應商霍尼韋爾(HONEYWELL)、法國泰雷茲集團(THALES)、西科斯基飛機公司(SIKORSKY)等國外企業，及國內以北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業大學等三大航空院校均是專利量較多的申請人。國內上榜的企業有深圳大疆，雖然是消費級無人機的絕對領頭羊，但只有部分專利適用于大型無人機，相關專利數量并不多。

圖6 飛行控制系統主要申請人

從飛行控制硬件來看，以自動駕駛儀為主的飛控硬件，可看作是飛控方法的硬件載體，硬件本身技術點較少。霍尼韋爾(HONEYWELL)作為零部件供應商，自然少不了軟硬件的專利布局。其他申請人的飛控硬件，大多數以硬件冗余管理為主，具有自動駕駛儀技術及產品的申請人較少。

3.3 通信鏈路技術

無人機通信鏈路是無人機系統的重要組成部分，是無人機與地面系統聯系的渠道。從通信鏈路的專利發展趨勢(見圖7)來看，大型民用無人機通信鏈路技術的研究相對較少，從2011年以后才逐漸波動上升，主要是當前仍采用傳統大型有人機的通信系統，并無太多創新。

圖7 大型民用無人機通信鏈路專利發展趨勢

從分支技術分布(見圖8)來看，視距通信和衛星通信占比較大。當無人機位于低空域時，可以用視距通信和5G，高空時通常采用衛星通信。相比于中小型無人機，大多數都處于視線范圍內，大型無人機飛行距離和飛行高度都要遠遠大于前者，因此，更多的研究集中在衛星通信。衛通數據鏈利用地球同步軌道的通信衛星進行中繼傳輸，不受視距范圍限制，可以滿足大型民用無人機在任務飛行時大范圍機動、遠距離數據傳輸的要求，優勢明顯。

圖8 大型民用無人機通信鏈路分支技術

另外，從專利申請人分析，大型民用無人機的通信鏈路技術各專利申請人申請的專利均不多，都在15項以下，申請人中羅克韋爾(ROCKWELL)和韓國電子通信研究院是專注于做通信領域的，其專利申請分別為9項、6項，其他北航、彩虹無人機等申請人都是無人機綜合技術的研究者。

3.4 動力系統

大型無人機的動力系統，通常和有人機的動力系統通用，因此早期無人機的動力系統研究多數是直接將成熟的有人機動力系統移植而來。在2008年之后，隨著無人機應用的發展，研究人員開始關注專門用于無人機的動力系統，專利申請數量才有所上升，但數量也不多，每年的專利申請數量多數在10項左右。

從動力系統分支技術分布來看(見圖9)，燃油發動機專利最多，其次是混合動力，螺旋槳和電機。混合動力方面，專利主要集中在油電動力的耦合和集成控制技術上；Elroy航空公司的Chaparral無人機及斯洛文尼亞Pipistrel公司的Nuuva系列貨運無人機均采用了混合動力，但相關公開專利不多。螺旋槳技術主要集中在螺旋槳的變距和鎖緊技術。大型民用無人機，尤其是國內外對大型貨運無人機研究較多，其特點是載重大、航程遠，因此燃油發動機是主要的技術方向，尤其是對于常規發動機在無人機應用時的改裝、空中自動起動等。

圖9 大型民用無人機動力系統分支技術

從大型民用無人機的動力系統專利申請人分布(見圖10)來看，國內外企業相差不多。但國外主要申請人的專利數量多于國內申請人，其中貝爾特事隆公司(Bell Textron)有16項專利申請，主要是發動機與傾轉翼的隨動樞轉裝置。而貴州企業貴航無人機在2008年就有了無人機發動機的專利申請，起步很早。其他國內外涉及無人機產品開發的企業和研究院所，如順豐(包括朗星無人機和豐鳥無人機)、西北工業大學(包括與西安愛生的合作開發)、成都縱橫大鵬無人機、中國科學院工程熱物理研究所和天域航通等，也都展開了對有人機發動機在無人機應用的改造研究。

圖10 動力系統專利申請人

3.5 仿真模擬

無人機的仿真模擬包括飛行模擬、仿真測試及通信模擬等。無人機的仿真效果、訓練效果、作用發揮已經遠遠超越了輔助訓練的作用，已成為飛機研發的重要組成部分[8]。無人機的仿真模擬，大體和有人機的仿真模擬類似，區別在于主要是培訓無人機操作手對飛行的遠程控制。從無人機仿真模擬專利分支技術的主要分布來看(見圖11)，仿真模擬主要包括飛行模擬、通信模擬和仿真測試。飛行模擬是仿真模擬技術最重要的技術方向，例如模擬飛行中的電磁環境、載荷分析模型、多模式訓練模擬器等。仿真測試主要是在一定程度上替代實驗測試飛機性能，從而縮短測試周期并降低費用支出。在仿真模擬中，還重點考慮了無人機飛行中與其他飛機的空域管理，避免影響到現有的航空秩序。從專利申請人來看，進行大型民用無人機仿真模擬的主要是國內申請人，主要有北京航天航空大學、南京航天航空大學、成飛、沈飛等，其專利申請分別為12項、10項、7項和6項。其實相比國外，國內在有人機飛行模擬方面落后于國外，但在無人機仿真模擬的專利布局，國內更快。

圖11 仿真模擬專利分支技術

3.6 地面控制

無人機在飛行執行任務過程中，并不是純粹的“無人”操控，其實是在地面控制人員的監測和引導下，對無人機進行實時監控，并對其上傳控制指令，調整其飛行狀態，來完成預定任務。任何時刻無人機都離不開地面監控系統的保障和支持，地面監控系統的優劣程度對操作人員控制無人機的判斷起著至關重要的作用。此外，地面監控系統被應用到各個方面，如航空管制、氣象監測等[9]。

從地面控制站專利分支技術分布(圖12)來看，地面控制站技術專利涉及面很廣，其中以遠程控制、人機界面、通用化平臺、出入站管理、多機管理、數據處理、軟件架構等為主。人機界面友好能夠準確地顯示關鍵信息，方便操作人員準確操作，減少操作失誤概率，減輕操作人員的壓力。通用化平臺發展，可通過軟件重組的方式使地面站控制不同類型的無人機，減少不必要的重復工作。大型民用無人機需要日常檢測和維護，也是地面站的操作任務。大型無人機尤其執行任務時，傳送數據量要遠大于其他無人機，因此需要優化軟件架構，提升數據處理能力。另外，對于大型無人機而言，需要協調出入站管理；減少跑道占用時間，降低機務人員的牽引負擔。

圖12 地面控制站專利分支技術分布

4 結論

本文通過對大型民用無人機關鍵技術發展趨勢、分支技術分布以及專利申請人等進行分析，得出了以下研究結論。

1)在機體設計方面，目前已試飛的大型無人機大多數是由有人機改裝而來，因此產生的專利不多。傾轉旋翼無人機和復合翼無人機憑借各自的優勢將會是未來無人機發展的熱點。

2)飛行控制技術是無人機的核心技術。飛行控制方法方面航跡規劃&控制、起落控制、飛行姿態控制、避障技術的專利較多，而飛行控制硬件的專利集中在自動駕駛儀、計算機余度、傳感器余度等領域。從專利申請人來看，國外飛行控制方法擁有的專利多于國內。

3)無人機通信鏈路是無人機系統的重要組成部分。視距通信、衛星通信和5G都是技術發展的熱點。

4)大型無人機的動力系統通常和有人機的動力系統通用，從動力系統分支技術分布來看，燃油發動機專利最多，其次是混合動力，螺旋槳和電機。從申請人分布來看，國內外企業相差不多。

5)無人機仿真模擬專利分支技術主要分布在飛行模擬、通訊模擬和仿真測試等領域，該技術方向的專利主要是國內申請人申請的。

6)無人機在飛行中執行任務的過程需要地面控制人員的監測和引導，專利分布在遠程控制、人機界面、通用化平臺、出入站管理、多機管理、數據處理、軟件架構等領域。

綜上，對大型民用無人機關鍵技術的研究，將有助于推動大型民用無人機技術的完善和創新，為大型民用無人機產業技術發展提供了專利情報支撐。