小型固定翼无人机对地观测系统总体设计刍议

——基于国内外无人机产品的调研结果

目前，无人机专业应用市场还未完全打开，市场容量有限。国内外民用无人机的种类和型号愈加齐全，性能也在不断提升，因此市场竞争也会愈加激烈。在这样的大背景下，作为一个想在激烈的市场竞争中立足，甚至引领行业发展的无人机研发企业，应该汲取众长，不断创新，在致力于无人机性能提升的同时，也要注重无人机的安全性、实用性和用户关心的其他功能的设计和研发。实际上，相同市场定位，相同价位的产品在性能上往往差异并不大，产品的市场竞争力主要体现在安全性、实用性、美学设计、配套服务和品牌效应等方面。细节决定成败。只有贴心、实用的设计和服务才能让我们的产品在众多产品中脱颖而出，受到用户的青睐。

当然，产品质量的提升需要时间不断探索和改进，每个阶段有不同的研发重点，但是产品的顶层设计应该超前于目前的设计工作，为后续的产品研发预留空间。

总体而言，小型固定翼无人机对地观测系统（Small fixed-wing UAV earth observation system，SFUAV-EOS）的设计应该综合考虑性能、安全性、实用性、美学设计和配套服务等方面。

一、 性能

产品的性能是“大厦”的“主体结构”，决定了产品所处的层次和市场定位。以下列出了决定SFUAV-EOS性能的主要指标。

1、续航时间。对SFUAV-EOS而言，续航时间是最重要的

性能指标。续航时间越长，单架次获取的地面数据越多，作业效率便越高，其应用范围也越广泛。

2、通讯距离。通讯距离和续航时间一样，影响到SFUAV-EOS的作业范围和作业效率。

3、飞行稳定性。飞行稳定性直接关系到获取地面影像或视频的质量，影响到后续数据处理工作的工作量和最终产品质量。

4、成像系统性能。成像系统的性能决定了获取影像的质量，其重要性不言而喻。成像系统的性能可从传感器和镜头两个方面来衡量。

5、载重。由于SFUAV-EOS搭载的传感器相对质量较轻，因此对载荷没有太高的要求，一般3kg之内的载重便能满足大部分应用需求。对载荷的要求不高也促使了SFUAV-EOS向轻小型化发展，在满足飞行稳定性的前提下，将轻小型化做到极致的产品更具市场竞争力，如eBee、UX5等。

6、飞行高度。在传感器焦距一定的情况下，SFUAV-EOS飞行高度决定了其获取影像的分辨率和最终成图的比例尺。SFUAV-EOS的飞行高度不一定要求越高越好，而是应具有一定的灵活性，能够在不同高度作业，满足不同的产品生产需求。目前无人机的飞行高度基本上可以满足对地观测需求。

7、云台的相机兼容性。云台对重量和重心的敏感度很高，目前高品质的云台都基本上是绑定特定型号的相机。但也有一些厂家推出了兼容多相机的云台，但往往是兼容的相机越多价格就

越低，稳定性越差。所以云台的相机多兼容性是一个市场需求。

二、 安全性

无人机的安全性关系到用户的人身和财产安全，并且安全问题也有可能引起法律纠纷。因此，产品的安全性是“大厦”的“基础”，在研发中应该站在用户的角度，从细节出发，提高产品的安全性。

在现有产品中，安全性提升方面有许多可借鉴之处。 1、无人机的轻小型化有利于提升系统的安全性。无人机质量越轻，发生事故后造成的损失越小。轻小型无人机eBee、UX5具有很高市场知名度和使用率的一部分原因就是用户“敢用”，即便发生事故造成的损失也很小。现有的油动无人机虽然性能上优于轻小型无人机，但使用率不高，主要是由于用户对安全性的考虑。对于操作复杂，危险系数大的无人机，需要配备专业的航飞队伍，因此用户更愿意“买数据”，而不是“买飞机”。

2、提升飞控系统、动力系统的稳定性；加强无人机动力系统和部件的可靠性，避免由于机械和电气故障造成坠毁；所有连接件、紧固件应有防松措施。连接线应固定牢靠，布局合理，尽量不外露；在不同环境测试无人机的飞行状态；请专业测试机构对无人机的性能进行测试，并出具官方鉴定报告。

3、提升通信链路抗干扰能力，始终保持通信线路畅通，确保不间断的指挥和控制。

4、具备自检能力。应具备自动检测无人机各部件状态的能

力。如：

飞行控制模块 电池电量（电压） 电机 遥控遥测信号（数传） 根据报警提示，能直接确定故障的部件（或模块） 以上任一部件（或模块）出现故障，系统均锁死，无法放飞 任一部件（模块）故障，均能在地面控制站或手柄上以明显的声（光）进行报警提示。

5、支持一键返航。不论无人机处于何种飞行状态，只要操作人员通过地面控制站或遥控手柄上的特定功能键（按钮）启动一键返航功能，无人机应中止当前任务，按预先设定的策略返航。

6、具备失去链路信号后的自动返航功能。只要遥测遥控信号出现中断，无人机应按预先设定的策略返航。

7、提升无人机电磁抗干扰能力。

8、地面航线规划时对机场、军事设施附近设置禁飞区。 9、具备失踪找回能力。如eBee的无线电追踪器或其他失踪

找回设备。

图1 eBee 失踪找回设备

10、避障功能可以让飞机自行判断障碍物，最大化地避免飞行器的意外碰撞，降低意外损失。

11、增加备用GPS、备用通信链路，

12、前拉后推结构的双发动机设计，确保飞行的安全性，即使一台发动机停车，飞机可以依靠另一台发动机安全返航。

13、机身设备舱盖采用防水结构设计，使飞机在雨区作业时可有效避免设备舱进水。

14、持续关注无人机监管发展动态

15、为无人机系统购置保险。销售时将保险和无人机系统打包销售。

三、 实用性

如果说产品的性能和安全性受到行业总体技术水平和研发成本的制约，决定了产品的所处的层次；那么，产品的实用性则是研发企业充分发挥创造力的舞台，决定了同一层次产品的价值高低。实用性是“大厦”的“户型”，好的实用性能够在一定程度上提高产品的价值。

产品实用性的提升有赖于在应用中不断总结和摸索。可以借鉴现有产品好的创意，在此基础上有所创新。

1、便携性。对于轻小型无人机，在保证性能和安全性的前提下，要尽量节省用户运输、转场的工作量和时间。

图2 eBee RTK单人转场

2、模块化。模块化是无人机发展的两大方向（智能化、模块化）之一。无人机载荷的模块化可以使无人机具备更广阔的应用空间和灵活性；无人机载机的模块化可以降低维护成本，提高便携性。无人机行业的发展方向是：无人机的载荷、飞控、载机、数据链等由不同的厂商依据行业标准生产，无人机厂商只负责总装集成。因此，将无人机载荷与载机一体化的设计是逆流而行，应该慎重评估一体化的利弊。

图3 DT-18模块化装卸

3、减少飞行准备时间。将无人机系统组装、飞行前检查、航线规划等准备工作流程化，减少飞行准备时间，提高用户的工作效率；简化航线规划流程，减少用户的参数输入。此外，飞行准备时间也可以作为衡量一套无人机系统可靠性的一个参数。

4、飞行记录可视化还原。除了记录完整的飞行数据外，将飞机记录能够可视化还原，能够作为飞机失事后事故分析的依据。可视化使飞行纪录的分析更加便捷。

5、实时调整载荷状态与内部参数。对载荷状态与内部参数的实时调整能够使用户最大限度地控制数据获取质量。如，随自然观强弱的变化能够实时调整相机进光量；随拍摄需要实时调整相机焦距等。

6、高精度GPS定位。RTK（Real - time kinematic）是一种实时动态差分GPS技术，在测绘领域应用广泛。如果能将RTK与无人机测绘系统相结合，可以在没有地面控制的条件下获得厘米级定位精度的影像，能够大大提高无人机测绘的作业效率。

图4 eBee RTK

图5 eBee RTK的三种工作模式

7、安全快捷的发射装置。一个安全快捷的发射装置能够缩短无人机发射的准备时间，也能够防止旋翼对人身造成伤害。

图6 BlueBird MicroB 手持发射器

8、任务设备保护设计。无人机搭载的任务设备往往价格昂贵，易损

坏，因此无人机系统设计应该考虑任务设备的保护。

图7扫描鹰无人机的可伸缩式吊舱

9、野外作业工作站设计。高端的无人机系统应该配备便携的

野外工作站，为用户提供理想的工作条件。

图8 BlueBird 野外工作站

10、多机协同操作。多机协同也是无人机发展的趋势。对测绘遥感无

人机来说，多机协同能够成倍提高数据获取效率。

11、开发具有土方量计算，断面图绘制功能的测绘专业应用程

序，使“测图无人机”成为“工程测绘无人机”，将大有用武之地。

四、美学设计与配套服务

美学设计是“大厦”的“装修装饰”；配套服务是“大厦”的“物业管理”。一个结构和外观优美的产品能够抓住用户的眼球，使产品更容易被信任，这是大多数技术人员容易忽视的一个方面。其实，一个性能优良，高品质的产品如果没有一个好的视觉效果，就如“一朵鲜花插在牛粪上”，让人难以接受。

做好产品，也好做好服务。现今基本上所有的无人机公司都提供配套

的数据服务、培训服务、保修服务等，将产品和服务一起兜售。 总的来说，无人机产品的研发应该大处着眼、小处着手，在产品设计上，应该具有一定的前瞻性，在具体实施中应该按部就班，扎实推进。

万鹏

鹰眼天空科技产品开发部

2015.05.27