无人机系统在电力行业中的应用.docx

无人机（uav）系统应用方案 北京天恒昕业科技发展有限公司无人机系统在电力行业的应用北京天恒昕业科技发展有限公司2014/1/19目 录1 前言11.1 工作背景11.2无人机系统概况12 电力行业应用33 质量控制194 售后服务195 配置清单与报价196、其他要说明的资料22331 前言1.1 工作背景电力gis数据采集、建库和电力巡检是各级电力公司日常工作的重要组成部分，为电力安全稳定输送提供保障。电力gis数据采集主要是输、配、变电设备空间地理坐标与属性信息采集，传统方式是采用人工现场实地测量，精度不高、投入偏大、成效一般。电力运行检修主要包括输电线路巡检和重点电力部件巡检。目前主要是用人工现场勘查方式进行作业，外也工作强度大，作业效率受客观自然条件限制性较大。如何提高电力巡检智能化程度、提高巡检工作效率，提升工作效果，本文从利用目前新兴的无人机技术为基础，讲述无人机系统在电力gis数据采集和电力巡检中的应用。1.2无人机系统概况无人机系统（unmanned aerial vehicle，简称uav）是一种由无线遥控设备或由过程控制操纵的无人驾驶飞行器系统。它不需要飞行员在机舱内进行驾驶，飞行过程由电子设备控制自动进行。飞机上不用安装任何与飞行员有关的设备，这样就有效地节省和利用空间装载应用设备以完成赋予它的各种任务。单纯依靠无人机本身是不能完成任何任务的，它还需要一套严密的控制系统和根据任务需要搭载的应用设备，才能真正称之为无人机系统。以无人机为低空飞行平台，利用多元传感器获取相关数据,如利用高分辨率相机获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能，可广泛应用于国家生态环境监测、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、国防安全、森林防火、农作物估产、大气取样、海事侦察、消防侦察、自然灾害监测与评估等领域。1.3 无人机系统组成无人机系统由：无人飞行载具、传感器、数传系统、地面工作站四大部分组成。（如图1） 图11.4 无人机系统分类 根据无人机的动力方式，我们将无人机分为油动无人机和电动无人机，油动无人机体积大、重量大、操作性复杂、有一定的飞行风险，对操控手的经验要求高，所以在电力行业，尤其是首次尝试使用无人机的用户，我们强烈建议使用电动无人机。近些年来，随着电池技术的革新，大容量、高效率电池逐渐应用在无人机领域。相对油动无人机，电动无人机有安全性强、易操作性、易保养性著称。 同时，根据无人机的动力方式，我们将无人机系统分为固定翼无人机和多旋翼无人机。（如图2） 图22 电力行业应用2.1 电力gis数据采集 传统的电力gis数据采集需要大量的测量人员带着专业的测绘设备到现场去进行实地测绘，外业工作环境艰苦，工作效率不高。所有的数据都需要外业人员到现场才能采集。随着影像信息技术的快速发展，高分辨率的航拍影像已经能够清晰的分辨出地面的各种电力设施。通过专业的地物分类软件系统，可以自动的从高清影像中提取所需要的信息。这就是i2i技术“从多维影像到空间地理信息（images to information）”2.11解决方案：电力gis数据采集无人机：黑鹰1型黑鹰1型无人机系统是由世界知名无人机厂商自主研发，并经过大量飞行测试及生产任务，可以在艰难的环境下高质量地完成飞行、航测任务，产品质量可靠、稳健、可搭载多种传感器，既可以用于电力gis数据采集，也可以用于电力巡检工作。整套系统由轻型低空航拍载具、飞控处理器、数传系统、地面工作站软件、 短距离起飞弹射架组成。黑鹰1型无人机系统特点1、锂聚合物电池动力：最大程度保证飞机的安全性人员安全设备安全数据安全 2、机载装备多样化 可以根据不同需要，搭载不同传感器 3、操作便捷 对于非飞行员出身的电力工作人员来说，无人机系统操作的复杂程度，直接影响无人机的生产效率和安全保障。 黑鹰1型无人机系统超智能化的设计，可以让非航模出身的所有人员都可以在最短的时间内学会飞行。无人机在整个起飞、飞行、降落过程中很少需要人工干预。其地面工作站主要是用来规划设计航线、监测飞行状态、空中应急措施等功能。 图3起飞前检核系统、航线规划。全中文操作 弹射起飞 定点伞降 对原始照片进行叠加、处理操作流程简单： 2.12 黑鹰1型无人机核心技术指标重量整套飞机重量低于4.5kg材质全碳纤维机身特有技术相机镜头保护机构(降落时关闭闸门)水气分离空速管鼻锥罩及垂直尾翼有防撞泡棉翼展不大于1.6米电池高达20ah锂聚合物电池(11.1v,3s1p)动力系统双无刷电动马达航测相机2470万像素sony rx1全画幅相机续航时间单电池飞行时间60-80分钟(视相机重量及飞机拍摄高度而定)飞行速度50-70km/h抗风级数 5 级以下 (39 49 公里/小时) 抗雨中雨一下通讯频率868mhz(有7个频段自动搜索，支持同一导控站导控多架飞机同时执行任务)飞行高度相对高度100-1000m，海拔高度4500m分辨率地面像素分辨率5cm、10cm（取决于相机类型和飞行高度）gis数据采集作业范围5平方公里（地面像素分辨率gsd 5cm） 10平方公里（地面像素分辨率gsd10cm）20平方公里（地面像素分辨率gsd 20cm）2.2 输电线路巡检随着我国经济的快速发展，社会对电力能源提出了巨大需求。为满足这种求，国家电网正进行超高压大容量电力线路大幅扩建，宏观上，电力线路大幅扩建，线路将穿越各种复杂地形，如何解决电力线路检测的精度和效率，是困扰电力行业的重大难题。微观上，电缆微小破损，肉眼无法识别，但会发生放电电弧，如果多股电缆 中发生断股，将造成局部电阻增加，产生热效应，电弧效应和热效益将造成电线的损坏及输电效率降低。传统人工巡线方式工作量大，效率低。通过旋翼和固定翼无人机联合巡检系统，即可实现对输电线路走廊的大范围快速普查，又可高效获取高清晰度线路设备照片，清晰分辨出常见输电线路的缺陷，大大增强输电线路巡检效率，为现代化输电线路维护工作提供了一种先进的，有实用价值的技术手段。输电线路无人机巡检是指利用无人机搭载可见光拍摄，红外，紫外检测等任务设备对输电线路进行飞行巡检，并实时将现场的情况传回地面监控系统，以便作出正确判断及时排除线路故障，据统计分析，人工地面巡视经济成本为，山地森林4.43万元/百公里，平原2.64万元/百公里，载人飞机巡线经济成本约为6万元 /百公里，无人机巡检经济成本约为2万元/百公里。可以发现，山区和森林线路采用无人机巡视经济性相对较好，也消除了人身安全问题影响。无人机巡检系统具 有应急启动快，巡检效率高，成本低，机动灵活，远程控制等特点。2.21 无人机电力巡线作业内容故障类型故障内容检测方式塔杆类故障塔材缺失，螺栓松脱，号牌丢失，鸟巢，覆冰，倒塔等可见光基础类故障塔基保护帽被埋，填土被取走或下沉，护坡遭破坏等可见光导线类故障导线变形断股，与均压环间隔棒之间的磨损，被故障电流烧伤，压接管过热，有异物等可见光，红外，紫外架空地线类故障断股，磨损，雷击烧伤，有异物等可见光绝缘子类故障闪络痕迹，覆冰，电流烧伤，污损自爆，污损，芯棒外露，受潮发热，异常放电，低值零值等可见光，红外，紫外金属类故障各类线夹缺损，均压环破损，间隔棒变形跑位，防震锤位移丢失等可见光，红外接地类故障放电烧伤，接地线外露，螺栓松动等可见光拉线类故障拉线生锈，磨损，松弛，固定装置丢失等可见光通道类故障线路走廊有石场，高大树木，房屋建筑，以及其他危险因素可见光无人机巡线必将取代传统巡线形式传统巡线存在的问题第一：巡线距离长、工作量大、步行巡线效率非常缓慢，无法提高巡线效率第二：遇到冰雪水灾、地震、滑坡等自然灾害天气时，巡线工作将无法开展。第三：山区巡线具有高风险性，时刻威胁巡线人员生命安全。在山区林区有毒生物越来越多，一旦被咬将危及性命，威胁最大的是那些看不见的陷阱和捕兽夹。无人机系统取而代之的优势无人机自身优势：携带方便、操作简单、反应迅速、载荷丰富、任务用途广泛、起飞降落对环境的要求低、自主飞行。 无人机的行业优势：第一：无人机巡线提高了电力维护和检修的速度和效率，使许多工作能在完全带电的环境下迅速完成，确保了用电安全。据相关信息表明：无人机巡线比人工巡线效率高出40陪。第二: 采用无人机进行常规输电线路巡查，可降低劳动强度，与有人直升机巡线相比，可提高巡线作业人员的安全性，并且降低了成本。第三：无人机具有巡线速度快、应急瞬速的特点并及时发现缺陷，及时提供信息，避免了线路事故停电，挽回了高额的停电费用损失。效益分析（1）无人机巡线降低了电力部门整体巡检成本。据相关数据表明：云南电网公司一年人工巡线费用大约在60万左右；随着线路长度的增加，其规模效应越来越明显，利用无人机进行巡检可以使巡线平均成本会越来越低。（2）无人机巡线在巡线过程中发现重大危急缺陷，及时为运行单位提供信息，避免了线路事故停电，挽回了高额的停电费用损失。据了解一个城区4万户居民，停电8小时将直接导致经济损失在40万元左右。（3）每次飞行时间可达1小时，每小时巡线30公里。每飞4个架次相当于出动30名巡线员一整天的工作量，且不受地理环境的限制。2.22 解决方案（一）电力巡线专用无人机microdrones md4 1000型适用于：杆塔巡查、绝缘子检查等小范围细节监测1、多旋翼无人机系统特点（1）性能优异： （a）长时间悬停、贴近巡检对象进行低空飞行； （b）在野外场地垂直起飞 和降落，不需要专门的机场和跑道； （c）若发动机发生故障空中停车，无人直升机可以利用旋翼自转下滑安全着陆。（2）傻瓜式的飞行控制：使用自动驾驶仪全自主执行全部命令，包括起飞、爬升、航线 飞行和着陆，能自由悬停。地面站执行任务规划、实时采集和现实、远程控制；通过指令上行链路进行遥控或操控遥飞行中更改航线、控制载荷等功能。（3）实现多种任务载荷：根据任务需要可搭载2.5kg以内的多种任务载荷；如照相机、摄像机、测温型热成像仪等设备等。2、应用实例3、 有关影像分辨率的问题：这除了与拍摄距离外，还与拍摄设备和查看方式有关。国网总公司统招时的要求是20米处看清一个销钉，我们的方案是用高清摄像机加上最大12倍变焦，可以满足国网的技术要求。如果是用放大图片的方式查看，现在1600万像素以上的数码相机不用变焦在20米外拍摄的照片放大后也要以看清销钉。有关高压电的影响问题，德国检测机构有一个专业测试报告（见附件）。就实际应用中的测试来说，去年某省超高压曾经测试用我们的md4-1000抵近1100kv特高压线路（带电状态），最近时到达1米处，测试的结果是在这个上距离上微波通讯会中断，甚至机载摄像机也死机，但是飞行器遥控仍然是有效的，可以控制飞行器离开线路或降落，强有力的证明了我们飞控系统的稳定性。这是其他多旋翼无人机产品不具备的！4、microdrones md4 1000型 技术参数爬升速率：7.5m/s巡航速度：15.0m/s最大功率：1000w机身自重：2650g任务载荷：800g（推荐）任务载荷：2000g（最大）起飞重量 ：5550g（最大）机身尺寸：1030mm（对角电机轴距） 遥控距离：5000m 飞行时间 ：60分钟/块电池（视负载、环境、操控方式不同）环境温度 ：-3050c（电池除外） 工作湿度 ：90%抗风能力 ：五级以下（12m/s）抗雨能力：暴雨、大雪 飞行半径： 5000m飞行高度：1000m（相对高度）；工作海拨： 平原型：3000m 高原型：5000m （二）电力巡线用固定翼无人机适用于：大面积范围的线路巡视实现多种任务载荷：根据任务需要可搭载照相机、摄像机进行长途输电线路巡检工作。固定翼无人机特点是飞行速度快，覆盖范围广，所以适合大范围、远距离的输电线路巡检工作。如上图所示，方式一，可以设置两个地面导控站，无人机在a点起飞-b点降落，这样单架次巡检距离可以达到60km左右。方式二，只需设一个地面导控站，在a点起飞20km到达b点，然后返回a点。3 质量控制 地面控制站软件著作权证书 md4系列无人机电磁兼容性测试报告 无人飞行器系统软件著作权证书 四旋翼无人机专利证书 md4系列无人机接近高压传输线路测试报告 以上资料见附件4 售后服务 对于无人机产品，碳纤维机体部件质保期为2 年，集成电路板及电子元件的质保期为1 年，机载设备和周边设备（数码相机、摄像机、遥控器、地面站终端电脑等）的质保期为1 年或以原生产商的质保规定为准，锂聚合物电池的质保期为1 个月。 客户购买产品后，我公司提供3天的专业现场培训。5 配置清单与报价产品类别名称型号价格备注电力无人机系统固定翼黑鹰系列黑鹰155万gis采集用无视频传输系统航测gis数据后处理软件25万元黑鹰295万元gis采集+视频实时传输四旋翼md4系列md 4 1000110万元标准配置其他选配设备：1、订制监控型红外热成像仪参数：氧化钒非制冷式焦平面阵列，814m，3838m，320240，25hz，pal，netd：50mk25(f0.7时)，光学焦距：20-38mm，-40+60仪器价格：187,380.002、订制测温型红外热成像仪参数：热成像组件：814m 640480非制冷fpa，视场：3022.5，测温范围：20 200 ，测温精度： 2，功耗：常温4w，视频输出：标准复合视频，rs232热像仪控制，物理接口：hr10a-10p-12p 具备红外热成像测温检测功能，可以在无人机载热像仪上存储记录全画幅16bits温度数据，专为md4系列四旋翼无人机设计，系统设有防摔保护系统，可以在飞机上实时测温，并有多种测温功能以及图像显示功能价格：294,760.00黑鹰系列设备清单产品清单附加说明 件号：bu01-000-001-013型号：avian-p品名：航空测绘系统包含：1架无人机飞行载具1具信号控制盒(pc版双天线)1具折叠弹弹射架(5kg)avian-pc 附属配件总成地面导控站软件售后保修(一年)飞行教育训练增配：支持摄像功能的尾翼（画质：1080 p）不含：地面导控站所需笔记本电脑avian-pc 所属配件总成包括：(各项数量均为1，除非有特別标示)(1)sony rx1全画幅数字相机及配件(2)e-150全向型天线及pa-868m09-nf指向型天线 (导控端)(868mhz，u-band)(3)t-520便携三脚架(4)s.p.pro-lb6平衡式充电器(5)载具電池组(20ah)(6)充电线束组(pc版)(7)avian维修包(8)弹射绳組(17m)及拉力磅表(40kg)(9)avian-p操作說明书及影带(10)avian飞机旅行箱md 4-1000型无人机清单md 4-1000型飞行器系统md4-1000小型无人飞行器更高级的垂直起降四旋翼无人飞行器系统：全碳机身，飞控板、导航版、io板，4只250w的外转子无刷电机、紧密结合的gps/ins包含三维磁力计、2.0b can总线支持、可拆卸的机载设备云台，可支持全自动waypoint导航自动驾驶飞行，与md4-200的机载设备兼容设计，折叠式支臂，前后旋翼x2，左右旋翼x2，起落架，夜间飞行led指示灯，特制运输箱waypoint 自驾飞行系统使飞行器按照规划航线飞行并执行多种规定任务指令，可自动起降遥控设备数字编码远程遥控/飞行数据接收器（2012版）含发射单元，接收单元，除遥控功能外，带3.5寸液晶屏，实时接收并显示多种重要的飞行数据，飞控人员可以脱离地面站系统独立操作，902mhz-928mhz，10mw-1000mw，内置锂离子电池，充电器，铝合金壳体，小型化，轻量化视频与数据链路传输系统（发射端）数字视频及数据链路传输系统发射端600mhz，含发射机及天线，全碳纤维屏蔽外壳视频与数据链路传输系统（接收端）数字视频及数据链路传输系统接收端接收机，天线，全向天线数字视频及数据链路传输系统定向接收天线含定向天线、支架、连接线地面工作站系统军用级三防一体化地面工作站套装强固式全配置标准军用级笔记本电脑，通过美军标 mil-std-810g 和 ip65 两项认证，英特尔 酷睿 i5-520m 处理器 2.4ghz，15.6 tft lcd hd 阳光下可读的多点触控显示屏，2gb ddr3，sata 硬盘 320 gb，led 背光照明薄膜键盘，1进4出专业视频分配放大器，视频采集卡，9芯，8700mah，全镁铝合金机壳，防震可插拔硬盘，抗震耐摔设计，工作温度： -20c 到 60c 机载任务设备单电型数码相机（仅适用于1000型飞行器）1600万像素，支持1080p视频拍摄，16mm f2.8镜头，16gb的记忆卡，可控制俯仰和滚转的双轴自稳相机云台，在地面上可实时查看空中取景高清摄像机（仅适用于1000型飞行器）3coms，1080p，12倍光学变焦，32g内置存储器，支持外加sd卡存储，可控制俯仰和滚转的双轴自稳相机云台，在地面上可实时查看空中取景1000型周边组件1000型锂聚合物电池组6s2p锂聚合物电池，22.2v，12200mah1000型二位电池充电箱完全独立的两位电池平衡充电仓，20a/400w大功率充电器x2，军标安全箱，轻触式控制键。具有充电电流调节和温度保护、过流保护、短路保护等多重保护功能通用组件电池分析仪便携式，可测试电池组内每片电池芯电压数据u盘8g，用户手册，说明书，软件备份6、其他要说明的资料一直被模仿，从未被超越microdrones md4系列四旋翼无人机的技术与研发德国 microdrones 公司于 2005年10月成立，2006年 4月在德国推出 md4-200型四旋翼无人机系统，在全球无人机市场哄动一时，至今已累计销售超过 700套。2010年初，microdrones发布更大的 md4-1000型四旋翼无人机系统，短短两年已累计销售超过 400套。毫不夸张地说，是 microdrones在全球无人机领域开启了四旋翼无人机的时代。2011年上半年完成了 md4-1000在中国的本地化生产。自 2009年启动在中国市场的销售以来，累计销售超过 200套 md4系列四旋翼无人机系统，客户遍及军队、武警、公安、消防、石油、电力、海洋、遥感和科研院所等多个行业，得到行业客户的一致认可。正如 microdrones在欧洲所做的那样，安尔康姆在中国开启了四旋翼无人机的时代。随着 md4系列四旋翼无人机系统在世界及中国无人机市场的热销，四旋翼无人机展现了广阔的市场应用前景，随之而来，无论在欧洲、北美、亚洲还是在中国，都出现大量的市场跟随者，推出各种各样的多旋翼飞行器产品，有的针对玩具航模市场，有的针对行业应用市场。由于四旋翼无人机是全新的技术应用，涉及到的专业技术非常复杂，空气动力学、材料力学、航空器设计、集成电路设计、imu技术、飞行控制软件技术、无线通讯技术、计算机技术、电动机技术、电池技术等等，一般客户很难全面了解其中的技术细节，加之市场上各种多旋翼产品鱼龙混，各种信息真伪不清，在信息不对称的环境下，因而也很难判断四旋翼无人机系统的优劣，难免会被误导，从而做出错误的判断。我们将从多个方面介绍 microdronesmd4系列四旋翼无人机的技术要点和研发状况，通过这些介绍，您将能够全面了解 microdrones和安尔康姆的研发能力，系统把握多旋翼无人机的关键技术，澄清市场上流传的一些错误认识，相信这将有助于您做出正确的决策。一、多旋翼无人机的关键技术四旋翼飞行器的控制原理并不复杂，这一控制原理已经被研究出来 90多年，制造出一个能升空的四旋翼飞行器并不难，所以市场上既有 md4这样的专业四旋翼无人机，也有大量四旋翼航模玩具正如固定翼飞行器一样，有上亿美元一架的全球鹰战略无人机，也有几百元一架的航模。与四旋翼玩具的游戏娱乐用途不同，专业的四旋翼无人机是用来搭载各种专业设备执行各种任务的，有时无人机搭载的专业设备比无人机本身还要昂贵很多倍，有时无人机承担的紧急任务涉及到国家安全不容有失，飞行器应用目的的不同，使得专业无人机的技术要求与普通航模的技术要求完全不在一个数量级上。就专业四旋翼无人机来说，必须做到最高的系统可靠性、最好的飞行安全性、最强的环境适应性、最佳的自动驾驶功能、最大的载荷能力、最长的续航时间和最低的操控难度。要达到这些苛刻甚至矛盾的技术要求，必须突破几个航空级的关键技术门槛。1、旋翼 四旋翼无人机是一种特殊的垂直起降飞行器，其旋翼的空气动力学特性既不同于固定翼飞行器的旋翼，也不同于传统直升机的旋翼，不能直接照搬其他飞行器的旋翼到四旋翼无人机上；同时，由于每种四旋翼无人机的电机特性、结构重心的设计，负载要求和飞行控制算法不同，同样也不能把一种四旋翼无人机的旋翼照搬的另一种四旋翼无人机上使用。否则，不但旋翼无法实现最佳的空气动力学效能，降低飞行器的动力效率，影响飞行的稳定性，导致电机寿命的下降甚至在空中直接烧毁电机造成坠机事故。这要求飞行器的设计者必须对四旋翼无人机的空气动力学特性有深入的研究和专业的旋翼设计经验，才有可能做出针对特定四旋翼无人机的优秀的旋翼设计。2、电机电动机被发明出来比四旋翼飞行器还要早得多。表面上看，电机设计是一个成熟的技术，没有什么门槛，但其实不然。专业四旋翼无人机采用电池供电，而大容量动力电池技术目前在全世界都是一个产业瓶颈，要达到更长的续航时间，必须尽可能提高电机的输出效率将电能更多地转化为动能而不是热能；在保证飞行器机动性要求的前提下，必须尽可能降低电机转速，从而减少电机的耗电。专业四旋翼无人机的作业环境比航模玩具要复杂恶劣的多，高温、尘土、水汽、盐雾都可能造成电机的损坏，有时在高温酷暑的天气下连续飞行作业时间可能长达七、八个小时，而航模飞机连续飞行一般不超过一个小时，这些都对电机的可靠性提出极高的要求。由于动力电池放电时并不是一个平滑的线性曲线，输出电压与电池之间有复杂的关系，加之同样的锂聚合物电池由于配方的不同，放电特性也会有差异，这要求在设计电机时必须考虑飞行器配备的动力电池的放电特性。根据四旋翼飞行器的负载设计以及对飞行器飞行姿态的稳定性和操控灵活性的平衡要求不同，对电机的动力输出特性要求也不同。综上所述，专业四旋翼无人机使用的电机必须根据不同的飞行器设计专门的电机，这样才能达到最低的能耗、最高的效率、最长的寿命、最好的质量和最强的适应性。3、机体结构与材料 所有的飞行器在进行结构和材料设计都需要强调足够强的强度与尽可能轻的重量的平衡，四旋翼无人机也不例外，由于四旋翼无人机采用电池供电，为最大程度延长续航时间，对机身重量的要求更加苛刻。目前常见的四旋翼机体材料有碳纤维材料、玻璃纤维材料和铝合金材料，其中碳纤维材料的强度与重量比最高。不过，就碳纤维材料机体来说，由于不同的材料等级、结构设计和加工工艺差异，最初级的工艺是采用成品碳纤维板材和管材切割拼凑组合，最高级的工艺则是最大程度采用特殊的碳丝碳布开模糊制，最后制造出的碳纤维机体产品会有天差地别。4、飞行控制模块 专业四旋翼无人机的头脑是其飞行控制模块，飞行控制模块包括飞行控制软件算法、各种姿态传感器和控制器局域网络（can）。四旋翼无人机飞行控制的原理并不复杂，但是优秀的飞行算法并不是只了解控制原理就能编写出来的，专业四旋翼无人机作为一种飞行器，并不是只在实验室静空环境飞行，它面临的各种真实空中环境非常复杂，不同的风力变化、不同的温度、不同湿度、不同的电磁环境、不同的空气密度、不同操控水平等等。优秀的四旋翼无人机飞行控制软件算法需要优秀的软件设计师基于长时间的实际飞行经验积累不断完善不断改进才有可能开发出来。另一方面，飞行器控制软件并不像 windows这样通用型操作系统软件，什么电脑硬件都可以兼容，优秀的飞行器控制软件算法一定是专用软件，是与特定的飞行器硬件相对应的，波音 747的飞行控制软件并不能用于波音 737，否则不可能达到最佳的飞行控制效果。只有航模飞行器的控制软件才会由于飞行控制要求不高和降低制造成本的目的采用通用型软件。对专业四旋翼无人机的飞行控制软件来说也如此，它在设计时必须针对特定的姿态传感器特性、特定的旋翼空气动力特性、特定的电机动力输出特性，只有这样才能做到最优化的效果。如果把四旋翼无人机控制软件算法比作人的大脑，各种姿态传感器就是人的五官。四旋翼无人机要在空中准确判断自己的姿态，必须通过三轴加速度计判断自己的位移、通过三轴陀螺仪判断自己的角度、通过 gps定位仪判断自己的位置、通过磁力计判断自己的方向、通过气压计判断自己的高度，还需要通过温度计和湿度计对前述各种传感器的数据进行修正判断。随着消费电子技术的发展，很多航模级别的四旋翼飞行器都采用智能手机上使用的消费级姿态传感器来降低成本，而专业级的四旋翼无人机一定是采用航空专业级的姿态传感器，因为只有航空专业级的姿态传感器才能满足更高的精度、更快的刷新频率、更好的适应性和更强的可靠性。专业级的飞行控制软件是根据采用的元器件专门设计的，元器件变化即会带来版本做相应的更改，而不可能一种飞行控制软件版本同时针对千差万别的不同硬件版本。如果把四旋翼无人机控制软件算法比作人的大脑，各种姿态传感器比作人的五官，那么控制器局域网络就是人的神经系统。各种姿态传感器实时检测各种姿态信息、飞行遥控信息、电机的转速信息、电压的变化信息等等将大量数据输入到飞行控制模块的处理器，由飞行控制软件进行计算，再将姿态响应的指令输出给电机控制系统，这一复杂的数据传输与处理过程需要先进的控制器局域网络支持才能保证数据之间的协调传输、并行处理、快速可靠的响应和良好错误检测能力。一般航模级别的四旋翼飞行器没有这样复杂的控制器局域网络，只有专业级的四旋翼无人机才会在开发时加入这种广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境的控制器局域网络（can）。5、自动驾驶软件专业四旋翼无人机与航模四旋翼飞行器的一个重要区别就在于前者经常要执行超视距飞行任务，因此必须拥有自动驾驶软件。目前市场上很多航模级别四旋翼飞行器都声称可以通过规划航线自动驾驶，但是优秀的自动驾驶软件并非这么简单。除了通常的航线飞行功能，还需要结合用户的任务需要，结合更强的gis（地理信息系统）功能，实现更友好的人机交互，从而帮助用户轻松地完成自动驾驶任务设定，这些都需要开发者对四旋翼无人机用户的需求和使用习惯有更深的了解。6、安全功能设计飞行器的第一要求，对专业四旋翼无人机来说也是一样。实际上四旋翼无人机实际飞行时的环境往往比载人飞行器更复杂，可能在人群聚集的头顶飞行，可能在密集的楼宇间穿行，可能在高压电塔间贴近飞行，可能会受到无线电干扰这些都要求专业的四旋翼无人机必须要充分的安全性设计，除了飞行器自身质量和可靠性外，还应当有更多应对特殊情况的安全性设计，比如要俱备专业的黑匣子飞行数据记录仪，比如紧急情况的自动降落，比如快速一键返航等等。二、microdrones的研发实力与产品技术 负责 md4系列四旋翼无人机飞行控制模块的是 microdrones公司的总设计师udo先生，udo曾经在ibm开发部门工作十几年，在复合姿态传感器（imu）自动控制领域是欧洲最顶尖的专家，在四旋翼无人机飞行控制模块开发有丰富的经验和高深的造诣。同时 udo的团队还具备专业的电机设计经验，有能力根据特定无人机的技术要求设计专门的高效率电机。负责 md4系列四旋翼无人机机体结构和旋翼设计的是 microdrones的股东之一 schbeler公司，schbeler是德国著名的无人机复合材料设计制造公司，在欧洲同行业排名为前三名，主要业务是为高速无人机开发涡喷发动机碳纤维复合材料涡轮和 f1赛车的碳纤维复合材料车体，在碳纤维复合材料飞行器机体设计方面有着卓越的技术实力。负责 md4系列四旋翼无人机自动驾驶软件的是 microdrones的股东之一德国 siegen大学，siegen大学自动化控制和软件专业在全德大学排名位居前列。目前全世界所有从事四旋翼飞行器产品开发的公司当中，只有microdrones公司同时具备 imu飞行控制开发、碳纤维结构开发、自动驾驶软件开发、电机设计开发四种核心技术能力，核心技术的完整度独步天下。基于这样强大的核心技术实力和德国人特有的严谨，microdrones的 md4系列四旋翼无人机产品在过去 6年当中经受了全世界超过 1200个客户实际应用考验，品牌和市场占有率世界第一。2012年，microdrones合作开发出面向未来的 airshield tm四旋翼无人机空中局域网络，可以支持最多2048架md4系列四旋翼无人机在空中集群飞行，每架飞行器在空中都可以通过无线网络感知其他飞行器的位置与状态，自动避让和自动起降，可用于军事、应急、消防、环保等行业的特殊任务需要。目前 microdrones公司正在积极开发更大型的 md4-3000型四旋翼无人机和倾转翼电动无人机，这两种全球领先的无人机新产品将在 2014年面市，届时必将在全世界无人机界带来巨大震撼。与此同时，microdrones还在进行四旋翼载人飞行汽车的开发。1、md4系列四旋翼无人机的旋翼 md4系列四旋翼无人机的旋翼是由德国顶尖的 schbeler公司专业设计的，其设计过程非常复杂，首先要根据飞行器的负载要求、电机输出特性和空气动力学要求，使用价值数十万元的专业航空器设计软件设计出从旋翼根部到尖部每一个截面的形状，然后寻找合适的碳纤维材料，实验合适的成型工艺，制作出的旋翼样品后进入风洞进行多次测试，再根据测试结果进行设计和工艺上的修正，试制出小批样品进行实际飞行测试，经过多次调整改进后，最后才完成世界领先的 md4四旋翼无人机旋翼的开发工作。相比之下，市场上的竞争对手们由于不具备旋翼的核心开发能力，只能采用通用型的成品旋翼或抄袭别的飞行器上的旋翼作为自己飞行器的旋翼，其效率完成不可同日而语。md4-200四旋翼无人机的旋翼只有 3层碳布，薄如蝉翼，但是由于使用了极特殊的高模量 12k单向碳布（该种碳布属于军事级的碳布，用于核反应堆），强度之高、重量之轻和效率之高达到惊人的平衡，该项工艺目前在同行业还无第二家公司可以做到。md4-1000四旋翼无人机的旋翼是中空型变桨距设计，同样具有最轻的重量和最佳的空气动力效率，目前这种中空型旋翼生产工艺在世界上也只有极少数无人机公司能够完全掌握。根据中国军警用户的需求，历时 8个月的严谨开发过程，schbeler公司 2012年 4月份开发出高原型旋翼，使得 md4系列四旋翼无人机的工作海拔从原来的 3000米大幅提高到 5000米以上。经过在西藏地区实地测试，md4-1000型四旋翼无人机在高海拔飞行达到与平原地区飞行一样飞行特性，成为是世界上第一款能够在 5000米高海拔正常工作的四旋翼无人机。2、md4系列四旋翼无人机的电机 md4系列四旋翼无人机配备的低转速高响应外转子无刷盘式电机由microdrones技术团队根据飞行器的整体技术要求专门设计，并由德国最著名的高精电机制造公司 plettenberg开发生产的。md4系列四旋翼无人机的电机生产材料要求非常高，比如电机轴承的平均无故障时间（mtbf）要求高达 10万小时，对生产工艺的要求要达到近乎完美的苛刻，其制造成本是市场同类电机的 10倍以上。由于 md4系列四旋翼无人机电机的苛刻技术要求，在安尔康姆提供全套德国电机制造数据和样机的情况下，中国最好的高端精密电机制造商用了长达 8个月的时间才制造出合格的电机，其电机制造难度之高可见一斑。电机行业专家评价“其技术指标已经达到教科书上的理论指标，几乎是不可能实现的”。就 md4-1000四旋翼无人机专用电机而言，其效率达到惊人的 93%以上，也就是说，驱动电机的电能有 93%被转化为动能，只有 7%转化为热能，而市场上同类电机的效率一般不超过 40%。这使得在同等电池容量和起飞重量下 md4系列四旋翼无人机拥有更低的能耗和更长的飞行时间，结合microdrones专业设计的旋翼，在同等机身自重和电机功率下，md4系列四旋翼无人机拥有更大的起飞重量，也就是可以搭载更重的任务载荷。同时，由于md4系列四旋翼无人机的电机只有微乎其微的散热，这使得可以将电机完成封闭在电机舱内，飞行器因此拥有更好的防水性能，在暴雨下仍可以安全飞行，同时也拥有更好热红外隐身效果。优秀的电机设计只是一个方面，另一方面，microdrones在电机生产组装过程中的质量控制也极其严格。第一步，电机到达生产线后，每个电机都要进行1个小时的通电运转测试，在此过程中，使用 microdrones开发的专用电机检测软件对电机的功率、电流、效率、热量、异响等指标进行监测与分析，只有通过检测的电机才能进入下一步组装流程。第二步，接下来是电机的匹配，必须根据飞行器四个不同位置对电机性能要求挑选出 4个各种指标最匹配的电机组成一组。第三步，每组电机安装到飞行器上之后，在室内再进行 2个小时地面大功率运转测试，检测各种电流和转速下的性能变化。第四步，室外 2小时空中飞行测试，检测在重载荷情况下急升降快速平飞和静止悬停下电机的性能和可靠性。在整个生产组装过程中，电机的任何一项指标通不过检测都会被淘汰，从而确保交到用户手里的飞行器电机性能绝对稳定质量绝对可靠，不会因为电机故障导致飞行事故。在我们针对军用要求的可靠性测试中，microdrones的电机每天 24小时连续不停地高功率负载运转，已经连续无故障运转超过 2400小时以上，目前仍在连续运转测试当中。过去 6年来，microdrones四旋翼无人机从未发生过因电机质量原因导致的飞行事故。3、md4系列四旋翼无人机的机体结构与材料 md4系列四旋翼无人机的机体结构、材料选择、生产工艺全部由德国schbeler公司设计，机体结构的空气动力特性全部经过风洞测试，材料全部采用特殊的碳纤维布材、板材和生产制剂（包括树脂、固化剂，脱模剂等），模具也是采用极特殊的德国 pu材料，而不是国内常规的铝合金或钢材，以保证制作过程中不会因为热胀冷缩导致部件精度发生偏差。值得一提的是，md4系列四旋翼无人机的碳纤维制作工艺采用特殊的常温固化，而不是常见的高温固化，这也保证了机体不会因为固化过程中高温而发生精度变化。基于这些特殊的材料和工艺生产出的四旋翼无人机机体，重量和强度达到完美的平衡。目前市场上同类产品当中，在相同起飞重量下，md4系列四旋翼的机身重量是最轻的，从而尽可能让飞行器的有效任务负载能力达到最大。4、md4系列四旋翼无人机的飞行控制模块 microdrones的飞行控制技术是全世界四旋翼无人机系统中最先进、最可靠的，这一领先地位从未被超越。自从 2006年 microdrones首次发布 md4-200，6年来，基于上千个用户长期使用的反馈和深厚的技术经验积累，md4系列四旋翼无人机飞行控制模块一直在持续更新，从而不断提高飞行姿态的精度，不断提高飞行安全性，不断降低人员操控难度。飞行控制软件版本从最初的 1.0版，经过 20多次更新，目前已经升级到 2.8版。飞行控制软件中一键返航、动态锁定这些功能都是 microdrones在业内首创的。microdrones的飞行控制原理与市场上其他竞争产品有本质上的不同。microdrones采用电机转速控制与姿态反馈控制相结合的复合控制算法，而市场上竞争产品只采用单一的姿态反馈控制算法。当飞行器姿态发生变化时，microdrones的飞行控制器能够根据姿态传感器反馈的信息和电机转速的变化直接输出相应的精确电机转速调整指令，一步到位将飞行器姿态调整到正确的位置。而竞争产品的飞行控制器在收到姿态传感器反馈的信息后，只能输出增加电机转速或减少电机转速的指令，直到收到姿态传感器反馈已经矫枉过正的信息，再输出反向指令调整，经过多次反复才将姿态调整到趋近正确的位置。两者的差别在于 microdrones的飞行控制在复杂的空中姿态变化中总是可以快速精确一步调整到位，而竞争产品的飞行器控制只能在反复修正中逐步趋近调整到位，这就使得在同样的风力同样的飞行器功率下，microdrones飞行器的姿态控制更加稳定，有效抗风能力更强。microdrones的飞行控制器能做到这一点，是因为 microdrones的电机和旋翼都是专门一体化设计的，在生产过程中同时要求每个电机每个旋翼都有完美的一致性，控制系统能够事先精确了解电机在不同转速下的动力输出变化数据，从而做到指哪儿打哪儿。而竞争产品的电机和旋翼并非专门一体化设计，也无法保证电机和旋翼的产品一致性，飞行控制器无法预知电机在不同转速下的动务输出变化数据，因为也没有办法对电机转速进行精确调整。aahrs（姿态、高度及航向参考系统）集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、温度计等多种高精度传感器，在没有差分的情况下，gps定位精度达到 1米多。md4系列四旋翼无人机的飞行控制模块是目前业内唯一采用了先进的控制器局域网络（can）总线的飞行控制系统，2.0b can总线系统极大地提高姿态数据的协调传输、并行处理、快速可靠的响应和良好错误检测能力。以imu（惯性测量装置）为例，市场上同类产品大多采用智能手机上的廉价消费级imu，这种 imu只能常温下使用，遇到高温和低温环境就会发生重大误差，从而影响飞行器的姿态准确性，甚至可能导致空中坠机。而 md4系列四旋翼无人机采用航空工业级的 imu，从-30c到 50c都可以保证传感精度的准确性。基于 microdrones卓越的飞行控制算法和先进的 aahrs系统，md4系列四旋翼无人机即使在空中翻转超过 120度角，仍然可以瞬间自动修正，从来没有发生过因为大风导致空中翻转坠落的事故，拥有行业内最强的抗风能力。2013年，md4系列四旋翼无人机的复合姿态传感器硬件还将有一次重大升级，全面采用世界领先的军用级 imu，传感器精度和刷新速率提高 5倍，同样在没有差分的情况下，gps定位精度将从现有 1米提高到惊人的厘米级，定位时间从现有的 40秒加快到 3秒。5、md4系列四旋翼无人机的自动驾驶软件 md4系列四旋翼无人机是全世界第一个内置专用 waypoint自动驾驶系统的四旋翼无人机产品。根据用户实际使用中的需求变化，经过 6年的持续升级完善，md4系列四旋翼无人机的 waypoint自动驾驶软件已经成为业内功能最强大、人机交互最友好的自动驾驶软件，软件整合了 gis（地理信息系统）和 ars（航空遥感）功能，无需专业知识，操作者只需通过鼠标就可以快速完成航线规划和包括 360度全景拍摄、环绕拍摄、沿航线定距、定点拍摄等多种空中自动拍摄模式的设置；您可以在 googlearthtm上进行航前预览和航后的回放飞行航线；飞行器可以自动被设定在特定区域飞行，避免突破敏感的军事空域；也可以自动选择最优航线返航。目前，microdrones正在开发在飞行器飞行途中更改航线任务规划的功能，预计 2013年将正式发布。6、md4系列四旋翼无人机的安全功能设计从一开始，microdrones就是按照航空工业的标准而不是航空模型的标准开发 md4系列四旋翼无人机，航空工业标准的重要目标之一就是追求飞行器最高的安全性。md4系列四旋翼无人机拥有优秀的安全设计，任何时候操作者只要停止遥控器操作，飞行器就会自动稳定悬停在空中。如果遥控器信号中断时间超过 30秒，飞行器就会自动返回起飞地点，或者按照应急预案缓慢原地降落到地面。电池电量过低的时候，飞行器也会自动进入紧急迫降模式，缓慢原地降落，从而避免电量完全中断从空中直接坠落。遇到特殊情况，操作者也可以通过遥控器随时发出指令让飞行器按最短路径自动返航。md4系列四旋翼无人机的地面站系统集成了 microdrones自主研发的 mdcockpittm座舱仪表软件，可以实时接收并查看包括电池电压、坐标、高度、方向、姿态、飞行时间、飞行速度、飞行路径、距起飞点的距离、环境温度、风速、电机工作状态、遥控器信号强度、gps状态、电机转速、遥控通道状态等50多项遥测飞行数据，操作者可以像飞行员一样了解飞行器在空中的各种情况，遇到各种危险情况，地面站软件会自动语音报警提醒操作者注意。md4系列四旋翼无人机是目前业内唯一带有全功能“黑匣子”飞行数据记录仪的四旋翼无人机。飞行数据记录仪能够以每秒 125次的速率记录超过 80种详尽的飞行数据并输出飞行数据分析报告，操作人员可以通过这些飞行数据记录对飞行器在空中遇到的各种异常情况进行分析判断，及时发现可能的飞行