近年来，随着无人机技术应用场景不断扩大，无人机的产业规模和市场价值显著增长，成本和功效的优势不断突出，结合人工智能、云计算与大数据等新兴前沿热点，无人飞行器未来将向智能化、集群化方向发展。
无人飞行器是由无人机飞行平台及其有关设备组成的有机整体，具有感知、学习、决策等智能特征，是可自主完成预期使命任务的无人飞行装备。无人飞行器最重要的两个特征是自主性和智能化，本文结合专利技术公开状况、统计数据进行分析，帮助创新主体了解产业行情，提供技术研发思路方向。
1.技术构成
根据产业分工和技术构成，对无人飞行器领域进行技术分解，如图1所示，无人飞行器领域主要分专用芯片、飞控系统、动力系统、传感器应用场景、数据链、图传系统六个方面，其中飞控系统、动力系统和传感器应用场景是无人飞行器的核心技术所在，飞控系统涉及无人飞行器的感知、决策和控制执行相关技术，主要包括飞行姿态控制、智能导航、飞行状态故障监控与飞行器产品测试、飞行器电量管理；动力系统涉及驱使无人飞行器在控制按规定要求完成飞行的结构类技术，主要包括动力组件、旋翼组件、机翼组件、机身、起落架、摆偏转向；传感器应用场景涉及对外部环境信息收集以及对内部运行情况监测等，主要包括运输、巡检、环境、安全、表演等。
2.专利总体发展态势
结合广东省战略性产业集群专利数据库进行检索、分析和统计无人飞行器领域国内专利文献，梳理专利总体发展态势，从全景了解无人飞行器领域产业和技术发展情况，如图2所示。
从2001年至今，无人飞行器领域国内专利申请量共26902项，其中发明公开12965项（48%），实用新型10551项（39%），外观专利3386项（13%）。
图1 无人飞行器技术分解
图2 总体申请趋势
从2001年起，无人飞行器领域专利总体申请趋势经历了试探申请期、缓慢增长期和快速增长期三个阶段。世界上首台无人飞行器诞生于第一次世界大战尾声，利用自动陀螺稳定器使飞机能够保持平衡向前飞行，此后，无人飞行器主要用于军事领域。2005年之前，尽管雅马哈、Aerosonde公司尝试将无人飞行器应用于农业植保、气象探测领域，但总体上无人飞行器的技术研发热度较低，专利申请量也很少。2006年，随着无人飞行器在自然灾害救助、电力设备巡检等更多领域推广使用，国际、包括我国企业开始逐渐重视技术研发和专利成果保护，专利申请量逐年递增。从2015年开始，随着人工智能、大数据、云计算等技术不断发展，推动无人飞行器各环节的技术发展，专利申请量逐年快速增长，预计未来将继续保持快速增长势头。
在无人飞行器三个关键技术中，飞控系统综合了感知、决策、执行层面相关技术，实现飞行器自动、智能完成各项任务，是飞行器的大脑，最受创新主体重视，其专利申请量始终大幅领先另外两个技术环节。动力系统是飞行器的运动承载主体，是飞行器完成各项工作的基础保障，因此其专利布局排行第二。无人飞行器产业发展在于结合各应用场景的特定，适应性完成飞行和其他作业动作，因此在借助传感器识别应用场景环节的优化改进和专利布局热度排在第三。
3.关键环节技术热点方向
检索、统计飞控系统、动力系统、传感器应用场景等国内专利文献，梳理细分技术专利发展态势，从技术层面明确各环节的技术热点方向。
（1）飞控系统
飞控系统环节的改进方向主要涉及智能导航、姿态控制、电能管理和故障监控与测试，按照国际分类号分类，涉及G05D1/10、G05D1/08、B64C39/02等共8779件，参见图3。
图3 飞控系统专利技术分布
如图3所示，涉及G05D1/10分类号（三维的位置或航道的同事控制）的专利申请为5573件（占59%），申请量远领先于其他技术，通过提升无人飞行器的感知控制能力和飞行性能，使飞行器能够自动执行、甚至自动规划最优飞行路径，自主避障，其主要包含了探测、算法、通信等技术，是飞控系统环节最重要的技术方向。G05D1/08分类号（姿态的控制，即摇摆、俯仰角或偏航角的控制）的专利申请为1720件（占18%），姿态控制属于飞控系统环节的热点技术方向，其主要通过感测飞行器自身的三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等飞行状态量，并进行一系列“串级控制”，才能做到稳定悬停，技术复杂度较高，例如无人机的姿态和速度根据俯仰轴和滚转轴来控制无人机的各引擎的控制回路的角命令来控制，无人机沿三个轴的加速度以及无人机相对地面的相对速度被测量并被应用到该模型以估计侧风的水平速度分量，进一步用来产生校正命令，这些校正命令与被施加到该无人机的与俯仰和滚转有关的控制回路的角命令相结合，实现侧风和加速度计偏差的补偿控制。其他分类号涉及如电能管理何故障监控测试等，包括对无人机进行自动返程充电、电量自主规划等技术，直接决定无人飞行器续航能力，对飞行过程中引起的扰动、自主故障排查及诊断分析，为用户排除复杂的故障诊断过程，方便用户快速解决故障问题。
（2）动力系统
动力系统环节的改进方向主要涉及起落架、动力组件、旋翼组件、机身、机翼组件、偏摆转向，涉及分类号B64D27/26(25.52%)、B64D27/24(19.80%)、B64C2712(15.83%)、B64C27/08(6.98%)等共2530件，参见图4。
图4 动力系统环节专利技术分布
由图4可知，动力系统中涉及分类号B64D27/26（以动力装置安装结构为特点的飞机）共450件，申请占比最高，近年的申请量稳居动力系统环节第一位，其中最重要的申请方向为无人家的起落架结构。起落架用于实现无人飞行器的自主稳定起降，其机械强度、折叠收藏方便性、占用空间、底面不平整适应性等性能，是各创新主体最为关注的技术方向，现有无人机多采用模仿蜘蛛腿的六足结构，在起降过程中增加了着陆点可选的空间范围，增强了无人机的地形适应能力，与此同时，采用舵机控制支臂的各个关节，使其可以收缩或者展开，旋翼组件涉及飞行器的旋翼及螺旋桨结构，旋翼的可折叠性、螺旋桨推力、桨翼连接稳定性、拆装维护方便程度，都是重要研发方向，使得无人机同时具备飞行，行走及地形起落自适应的能力，拓展了无人机的功能范围。
（3）传感器应用场景
传感器应用场景环节的主要技术在运输、巡检、环境、安全和表演上，其改进方向主要涉及农林牧渔、物流、巡检、救生消防、娱乐，通过数据库检索发现，涉及无人机触感器技术应用的国内专利共1856条，由于涉及应用场景较多，综合应用传感器较为平均，其中IPC分类号划分排名前五分别为G01C21/16（采用积分加速度或速度的方法，即惯性导航，124条，16.80%）、G05D1/10（三维的位置或航道的同时控制，121条，16.40%）、B64C39/02（其他飞行器以特殊用途为特点的，102条，13.82%）、G01D21/02（用不包括在其他单个小类中的装置来测量两个或更多个变量,90条，12.20%）、G01C21/20（执行导航计算的仪器,77条，10.43%），主要涉及场景中农林牧渔应用是近年专利申请量增速最快并且遥遥领先其他应用场景，是最重要的场景应用方向，农林牧渔领域推广无人飞行器应用主要是植保无人机的使用，如何提高播种、撒药、插秧、驱虫等作业效率和精准程度是无人飞行器研发人员当前最深入考虑的问题，尤其是飞行器上配备喷头、药箱等撒药机构，对药液喷洒均匀性、喷洒精准度都提出了较高的技术要求，因此如何通过触感器建立搜集、分析、判断、反馈的技术通道是未来的重点研发方向。其次的重点应用场景为物流运输应用，尤其是完成物流运输的“最后一公里”，提高了配送效率和自动化程度，其中，货物在机身上的装载、飞行器平稳飞行检测控制、回程自主充电管理，都是重要的研发方向。
4.重点竞争对手
统计近五年的专利申请人排名，识别重点竞争对手，梳理重点竞争对手专利布局情况，分析无人飞行器领域专利竞争态势。
（1）飞控系统
如图5所示，在飞控系统环节近五年专利申请人中，来自广东的大疆公司拥有最多的专利申请，领先后面的竞争对手一倍更多；排在第二位的是北京航空航天大学，第三位是南京航空航天大学，两所高校借助自身在航空航天领域的专业沉淀和优越的研发人才和设备条件，在无人飞行器领域进行了大量技术研发和专利布局。易瓦特、道通、西北工业大学、极飞科技、容祺智能、国防科技大学和天津大学依次排在4-10名。可见，在飞控系统前十的申请人中，有半数来自广东，体现广东创新主体在该环节的创新实力。
图5 全球专利近五年主要申请人排名
图6 全球专利近五年主要申请人排名
（2）动力系统
如图6所示，在动力系统环节近五年专利申请人中，大疆公司同样拥有最多的专利申请，依然是此技术环节的龙头企业。道通排在第二位，但与大疆公司的差距相对飞控系统环节更接近，并且领先第三位的易瓦特较多。极飞科技紧紧跟随排在第四位，后续依次为北京航空航天大学、旋飞航空、巨劲科技、南京航空航天大学、顺丰科技和昊翔公司。在动力系统技术环节的主要申请人中，不乏特定应用场景的无人飞行器供应商，比如农业植保领域的极飞科技、物流运输领域的顺丰科技，他们根据特定场景应用过程中的环境特点，对无人飞行器动力系统进行了大量优化改进。在动力系统环节，有六个申请人来自广东，并且排行榜前四位均被广东企业占据。
（3）利用传感器识别应用场景
图7 全球专利近五年主要申请人排名
如图7所示，在传感器应用场景环节近五年专利申请人中，大疆公司凭借其无人飞行器基础技术的雄厚优势，依然占据申请量第一，但由于特定应用场景的专业性更强，其申请量优势已不明显。极飞科技、华南农业大学依靠农林牧渔领域无人飞行器技术沉淀和专利布局，排在第二、三位且十分接近大疆公司。此后，锐擎航空、巨劲科技、元一航空、兴航智控、容祺智能、山东理工大学和天麒科技依次排列。在应用场景环节，虽然仅有三位广东申请人排进前十排行榜，但牢牢占据前三位置。
5.广东省专利布局
统计无人飞行器领域的广东省专利情况，明确广东省在无人飞行器领域的技术和专利保护情况定位。
如图8所示，在无人飞行器领域，广东的专利申请总量接近9000项，稳居全国第一位置，领先排在第二位的江苏较多。近年来，广东省政府积极落实创新驱动发展战略，明确建设“国家科技产业创新中心”，全省各地因地制宜、发挥优势、突出重点，深入推进创新发展，无人飞行器产业的兴起正是“代表作”之一，省内培育出大疆、极飞科技、亿航等无人飞行器名片企业，推动广东无人机产业的全国技术领先地位，并且重视知识产权高质量保护，布局了大量高价值专利。
图8 全国省市专利排名
图9 广东省专利相对全球占比趋势
如图9所示，在无人飞行器领域中广东省自2013年至今的PCT申请量情况，广东的PCT申请量自2013年起稳步提高，在2018年达到顶峰68件，受全球贸易以及单边保护政策影响，自2019年起PCT申请量稍有下降，然而结合下述各个重要技术的专利布局以及当前PCT申请趋势，仍可体现广东无人飞行器技术在全球范围的重要程度持续强化。
图10 飞控系统环节广东专利情况
如图10所示，在飞控系统环节，广东在智能导航技术的专利申请量最多，远超其他技术，体现广东在该技术方向的研发投入程度。其次是姿态控制和电能管理技术，广东在此两项技术上分别申请超过1000项相关专利。广东在故障监控与测试方向的专利申请量较少，研发布局关注程度较低。此外，广东在四个技术方向上的专利申请量占全球比重均为20%左右，与全球范围的研发和专利布局热点吻合。
图11 动力系统环节广东专利情况
如图11所示，在动力系统环节，广东在起落架技术的专利申请量最多，其次是动力组件、机身和旋翼组件，其中，动力组件、机身方向的申请量占全球比重超过或接近25%，体现其在这两个方向上的技术地位相对较高，属于广东的优势技术方向。此外，机翼组件、偏摆转向专利申请量少，并且占全球比重不足15%，广东在此两项技术方向的全球技术地位相对不强。
图12 传感器应用场景环节广东专利情况
如图12所示，在传感器应用场景环节，广东在农林牧渔技术的专利申请量最多，其次是物流、巡检，其中，这三项技术的申请量占全球比重超过或接近均接近20%，我国作为农业大国、物流大国，对农林牧渔、物流领域的无人飞行器应用需求明显，广东在这些领域的场景应用技术优化投入明显。此外，我国幅员辽阔，气候和地势复杂，导致自然灾害频发，但广东在救生消防领域的专利申请量占全球比重仅10%左右，技术地位相对不高。
综上分析，无人飞行器领域的全球专利布局热点方向聚焦于飞控系统环节的智能导航、姿态控制和电能管理技术，动力系统环节的起落架、动力组件、旋翼组件和机身技术，传感器应用场景的农林牧渔、物流运输和巡检技术，广东省在无人飞行器领域拥有较强的技术实力、专利储备和行业龙头企业，技术研发投入对全球行业贡献突出，近年来技术地位持续增强，尤其是飞行器电能管理、动力组件、机身等方向技术和专利储备优势明显。因此，应进一步加强优势技术的创新工作，稳固创新地位，此外在投入相对不足机翼组件、摆偏转向以及救生消防场景等方向，应迅速调整研发重心，平衡优化在无人飞行器领域的技术链态势。