大型民用无人机关键技术专利情报分析

毛秋红

(贵州省科学技术情报研究所，贵州 贵阳 550004)

1 研究背景

近年来，随着我国民用无人机产业的蓬勃发展，无人机在物流、城市公共服务、应急救援等多个领域实现了拓展应用。最大起飞重量超过150 kg的大型民用无人机凭借其大载荷、长航时和远航程的优势逐渐进入人们视野，预计未来将成为无人机领域的发展热点之一，有着广阔的应用前景[1-3]。

“十三五”“十四五”期间，我国陆续出台相关政策支持民用无人机产业发展，《“十四五”民用航空发展规划》中明确提出“大力引导无人机创新发展”。专利情报分析是获取技术信息、促进技术创新的重要手段。因此，本文从专利情报分析的角度，对大型民用无人机的机体设计、飞控系统、通信链路、动力系统、仿真模拟以及地面控制等关键核心技术进行研究，为我国大型民用无人机技术创新发展提供参考。

2 研究方法及专利数据检索

本文主要采用专利情报分析方法，通过对大型民用无人机关键技术专利信息的定量和定性分析，了解该技术发展的状况及趋势。本文专利信息的数据来源于智慧芽全球专利数据库和大为专利检索系统。根据大型民用无人机技术分解及遴选出的关键技术，确定技术关键词，建立不同的检索策略进行国内外专利检索，最后经过合并同族、人工去噪等处理，截至2021年1月31日，共检索到相关全球专利申请2 750项，其中机体设计、飞控系统、通信链路、动力系统、仿真模拟以及地面控制的专利申请数量分别为614项、1184项、255项、132项、119项、125项[1]。

3 大型民用无人机关键技术

3.1 机体设计

图1 机体设计专利发展趋势

从机体设计的分支技术分布来看(见图2)，大型民用无人机的机体设计技术集中在倾转旋翼、复合翼和其他机翼结构(含固定翼)。另外，还涉及到有人机改无人机的技术，如起落机构、转向机构和制动机构等。这三种机翼结构各有特点，传统的大型机通常采用固定翼，但固定翼飞机需要较为严格的起降设施。倾转旋翼无人机能实现垂直起降，对场地要求低，适用于更多场合，具有响应速度快的特点。复合翼无人机可行性高、机械结构简单、经济成本低，研发难度低于倾转旋翼。目前，倾转旋翼成品无人机有京东的倾转旋翼无人机VT1。虽然相比固定翼大型无人机的产品，倾转旋翼和复合翼无人机显得较为单薄，但这两种机翼结构无疑会是未来的发展热点。

图2 机体设计分支技术分布

从主要专利申请人(见图3)可见，倾转旋翼机鱼鹰运输机的制造商Bell Textron的专利申请量遥遥领先，虽然目前该企业尚未开发无人机产品，但考虑到其技术可移植到无人机，尤其是对于抢险救灾物资运输功能的大型无人机十分重要，所以也将其专利纳入研究范畴。其他申请人专利数量有限，均在30项以下，如中国企业深圳智航、顺丰、京东和美国波音公司(Boeing)和西科斯基飞机公司(Sikorsky)。

图3 机体设计专利申请人

3.2 飞行控制系统

无人机飞控系统是稳定无人机飞行姿态，控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，主要实现姿态控制、高度控制和航路控制等飞行模态[4]。无人机飞行控制系统包括硬件和控制方法两部分，其中飞控硬件又包括自动驾驶仪、余度管理细分为计算机余度管理、传感器余度管理和作动系统余度管理、软件架构和电路等；而飞行控制方法包括航迹规划&控制、起落控制、飞行姿态控制、避障、飞行参数测控、故障检测&处理、飞行编队、应急处理等10个分支技术。

从图4看出，飞行控制系统的专利申请态势是逐年增长的，以控制方法为主，其2001年后、2015年后实现了2次较大的数量跳跃；而控制硬件的进展不显著。值得注意的是，大型无人机前期主要是应用于军事，考虑到军工领域的特点，许多技术不以专利的形式进行保护，而是以商业秘密等不公开的形式来保密其技术方案。

图4 飞行控制系统专利发展趋势

通过飞控系统分支技术的分布图(见图5)可见，飞行控制方法以航迹规划&控制、起落控制、飞行姿态控制、避障、飞行参数测控、故障检测&处理、飞行编队、应急处理为主，其中广义的航迹规划可包括避障；而飞行控制硬件专利以自动驾驶仪、计算机余度、传感器余度、作动系统余度为主。

图5 飞行控制系统分支技术分布

航迹规划&控制技术[5]即“导航”是将航行载体从起始点引导至目的地的技术或是方法。无人飞行器航迹规划是为了找到一条能够保证飞行器顺利完成飞行任务的最优或满意的航迹。在航迹规划过程中需要考虑许多因素，这些因素之间往往存在相互耦合的关系，因此在航迹规划过程中需要对多种因素进行相互协调[6]。在航迹规划&控制技术方向，基于卫星定位和惯性导航的组合导航系统已成为当前重要的导航系统实现方案。该组合导航系统可充分发挥各自优势并取长补短，利用卫星信号的长期稳定性与适中精度来弥补惯性导航部件的误差随时间传播而增大的缺点，利用惯性导航部件的短期高精度来弥补卫星接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点。

无人机避障技术是无人机自主躲避障碍物的智能技术[7]。目前，无人机的避障技术中最为常见的是红外线传感器、超声波传感器、激光传感器以及视觉传感器。避障技术发展方向以强化学习(Reinforcement Learning，RL)和深度学习(Deep Learning，DL)为代表的机器学习方法快速发展，在无人机自主飞行控制与决策领域发挥着越来越大的作用。未来避障技术将与航迹规划合二为一，实现自动避障，中断航迹后重新规划。

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起落控制技术方面，激光引导着陆技术是未来发展的方向，仍可为无人机安全着陆提供可靠保障，具有低成本、可靠性高等特点。

飞行控制硬件方面，主要是自动驾驶仪和余度管理。自动驾驶仪综合要求高，技术难度较大，目前霍尼韦尔Honeywell等巨头飞行控制方面的专利排在首位，拥有核心技术。余度管理技术，也叫容错技术，是提高系统任务可靠性与安全可靠性的一种重要手段。飞控计算机的余度模式方案采用同构型余度的模式比较多，大多数无人机都采用并联热备份方式，出现故障时响应快、实时性好。

从图6飞行控制系统主要申请人可见，飞行控制方法的专利申请人中老牌航空巨头美国波音公司(BOEING)和空客(AIRBUS)、知名部件供应商霍尼韦尔(HONEYWELL)、法国泰雷兹集团(THALES)、西科斯基飞机公司(SIKORSKY)等国外企业，及国内以北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学等三大航空院校均是专利量较多的申请人。国内上榜的企业有深圳大疆，虽然是消费级无人机的绝对领头羊，但只有部分专利适用于大型无人机，相关专利数量并不多。

图6 飞行控制系统主要申请人

从飞行控制硬件来看，以自动驾驶仪为主的飞控硬件，可看作是飞控方法的硬件载体，硬件本身技术点较少。霍尼韦尔(HONEYWELL)作为零部件供应商，自然少不了软硬件的专利布局。其他申请人的飞控硬件，大多数以硬件冗余管理为主，具有自动驾驶仪技术及产品的申请人较少。

3.3 通信链路技术

无人机通信链路是无人机系统的重要组成部分，是无人机与地面系统联系的渠道。从通信链路的专利发展趋势(见图7)来看，大型民用无人机通信链路技术的研究相对较少，从2011年以后才逐渐波动上升，主要是当前仍采用传统大型有人机的通信系统，并无太多创新。

图7 大型民用无人机通信链路专利发展趋势

从分支技术分布(见图8)来看，视距通信和卫星通信占比较大。当无人机位于低空域时，可以用视距通信和5G，高空时通常采用卫星通信。相比于中小型无人机，大多数都处于视线范围内，大型无人机飞行距离和飞行高度都要远远大于前者，因此，更多的研究集中在卫星通信。卫通数据链利用地球同步轨道的通信卫星进行中继传输，不受视距范围限制，可以满足大型民用无人机在任务飞行时大范围机动、远距离数据传输的要求，优势明显。

图8 大型民用无人机通信链路分支技术

另外，从专利申请人分析，大型民用无人机的通信链路技术各专利申请人申请的专利均不多，都在15项以下，申请人中罗克韦尔(ROCKWELL)和韩国电子通信研究院是专注于做通信领域的，其专利申请分别为9项、6项，其他北航、彩虹无人机等申请人都是无人机综合技术的研究者。

3.4 动力系统

大型无人机的动力系统，通常和有人机的动力系统通用，因此早期无人机的动力系统研究多数是直接将成熟的有人机动力系统移植而来。在2008年之后，随着无人机应用的发展，研究人员开始关注专门用于无人机的动力系统，专利申请数量才有所上升，但数量也不多，每年的专利申请数量多数在10项左右。

从动力系统分支技术分布来看(见图9)，燃油发动机专利最多，其次是混合动力，螺旋桨和电机。混合动力方面，专利主要集中在油电动力的耦合和集成控制技术上；Elroy航空公司的Chaparral无人机及斯洛文尼亚Pipistrel公司的Nuuva系列货运无人机均采用了混合动力，但相关公开专利不多。螺旋桨技术主要集中在螺旋桨的变距和锁紧技术。大型民用无人机，尤其是国内外对大型货运无人机研究较多，其特点是载重大、航程远，因此燃油发动机是主要的技术方向，尤其是对于常规发动机在无人机应用时的改装、空中自动起动等。

图9 大型民用无人机动力系统分支技术

从大型民用无人机的动力系统专利申请人分布(见图10)来看，国内外企业相差不多。但国外主要申请人的专利数量多于国内申请人，其中贝尔特事隆公司(Bell Textron)有16项专利申请，主要是发动机与倾转翼的随动枢转装置。而贵州企业贵航无人机在2008年就有了无人机发动机的专利申请，起步很早。其他国内外涉及无人机产品开发的企业和研究院所，如顺丰(包括朗星无人机和丰鸟无人机)、西北工业大学(包括与西安爱生的合作开发)、成都纵横大鹏无人机、中国科学院工程热物理研究所和天域航通等，也都展开了对有人机发动机在无人机应用的改造研究。

图10 动力系统专利申请人

3.5 仿真模拟

无人机的仿真模拟包括飞行模拟、仿真测试及通信模拟等。无人机的仿真效果、训练效果、作用发挥已经远远超越了辅助训练的作用，已成为飞机研发的重要组成部分[8]。无人机的仿真模拟，大体和有人机的仿真模拟类似，区别在于主要是培训无人机操作手对飞行的远程控制。从无人机仿真模拟专利分支技术的主要分布来看(见图11)，仿真模拟主要包括飞行模拟、通信模拟和仿真测试。飞行模拟是仿真模拟技术最重要的技术方向，例如模拟飞行中的电磁环境、载荷分析模型、多模式训练模拟器等。仿真测试主要是在一定程度上替代实验测试飞机性能，从而缩短测试周期并降低费用支出。在仿真模拟中，还重点考虑了无人机飞行中与其他飞机的空域管理，避免影响到现有的航空秩序。从专利申请人来看，进行大型民用无人机仿真模拟的主要是国内申请人，主要有北京航天航空大学、南京航天航空大学、成飞、沈飞等，其专利申请分别为12项、10项、7项和6项。其实相比国外，国内在有人机飞行模拟方面落后于国外，但在无人机仿真模拟的专利布局，国内更快。

图11 仿真模拟专利分支技术

3.6 地面控制

无人机在飞行执行任务过程中，并不是纯粹的“无人”操控，其实是在地面控制人员的监测和引导下，对无人机进行实时监控，并对其上传控制指令，调整其飞行状态，来完成预定任务。任何时刻无人机都离不开地面监控系统的保障和支持，地面监控系统的优劣程度对操作人员控制无人机的判断起着至关重要的作用。此外，地面监控系统被应用到各个方面，如航空管制、气象监测等[9]。

从地面控制站专利分支技术分布(图12)来看，地面控制站技术专利涉及面很广，其中以远程控制、人机界面、通用化平台、出入站管理、多机管理、数据处理、软件架构等为主。人机界面友好能够准确地显示关键信息，方便操作人员准确操作，减少操作失误概率，减轻操作人员的压力。通用化平台发展，可通过软件重组的方式使地面站控制不同类型的无人机，减少不必要的重复工作。大型民用无人机需要日常检测和维护，也是地面站的操作任务。大型无人机尤其执行任务时，传送数据量要远大于其他无人机，因此需要优化软件架构，提升数据处理能力。另外，对于大型无人机而言，需要协调出入站管理；减少跑道占用时间，降低机务人员的牵引负担。

图12 地面控制站专利分支技术分布

4 结论

本文通过对大型民用无人机关键技术发展趋势、分支技术分布以及专利申请人等进行分析，得出了以下研究结论。

1)在机体设计方面，目前已试飞的大型无人机大多数是由有人机改装而来，因此产生的专利不多。倾转旋翼无人机和复合翼无人机凭借各自的优势将会是未来无人机发展的热点。

2)飞行控制技术是无人机的核心技术。飞行控制方法方面航迹规划&控制、起落控制、飞行姿态控制、避障技术的专利较多，而飞行控制硬件的专利集中在自动驾驶仪、计算机余度、传感器余度等领域。从专利申请人来看，国外飞行控制方法拥有的专利多于国内。

3)无人机通信链路是无人机系统的重要组成部分。视距通信、卫星通信和5G都是技术发展的热点。

4)大型无人机的动力系统通常和有人机的动力系统通用，从动力系统分支技术分布来看，燃油发动机专利最多，其次是混合动力，螺旋桨和电机。从申请人分布来看，国内外企业相差不多。

5)无人机仿真模拟专利分支技术主要分布在飞行模拟、通讯模拟和仿真测试等领域，该技术方向的专利主要是国内申请人申请的。

6)无人机在飞行中执行任务的过程需要地面控制人员的监测和引导，专利分布在远程控制、人机界面、通用化平台、出入站管理、多机管理、数据处理、软件架构等领域。

综上，对大型民用无人机关键技术的研究，将有助于推动大型民用无人机技术的完善和创新，为大型民用无人机产业技术发展提供了专利情报支撑。