无人机有效载荷指南：类型、用例、最 佳建议

无人机的用途就像生存工具包中的瑞士军刀一样广泛。同一型号的无人机可以勘察新建筑工地、监测工业管道的热信号，以及检测混凝土储罐的裂缝。

同一架直升机为何能有如此多用途？这得归功于无人机载荷。

什么是无人机有效载荷？

无人机有效载荷是无人机 (UAV) 可以承载的额外重量 — 摄像机、传感器或其他货物。有效载荷被吊到无人机机身上，并通过驾驶应用程序进行远程控制，从而扩大了无人机可以执行的任务范围。

商用无人机配有支架、托架或万向架，以便紧密安装有效载荷和连接线。机载可编程控制器可实现无人机、有效载荷和控制器应用程序之间的连接，便于管理。

一些有效载荷架构是闭源的，而另一些则是开源的，允许使用提供的 SDK 进行自定义控制。例如，DJI 为大多数企业模型提供了Payload SDK，允许将第三方有效载荷与无人机硬件集成，以实现额外的功能，例如额外的万向节控制、导航功能或定位精度。

同样，无人机制造商可以适应有效载荷底座的变化，以集成第三方有效载荷。Voliro拥有一个开放的有效载荷架构，可用于额外的有效载荷，超出了我们目前的无损检测工具范围。其他公司不支持此类定制。在选择企业无人机时请考虑这一点。

无人机可以承载多少重量？

商用无人机的有效载荷能力在 150 克/5 盎司至 30 公斤/67 磅之间，具体取决于其尺寸、功率和飞行特性。

影响无人机有效载荷能力的因素

l结构设计。框架的尺寸和形状以及框架材料都会影响无人机的有效载荷能力。固定翼无人机具有更坚固的结构，可以支撑更大的有效载荷。

l电机配置。六旋翼和八旋翼等配备更多电机的无人机可以更好地分配负载，从而提升更重的货物。电机位置还可确保飞行过程中升力和稳定性更加平衡。

l推力。企业无人机的有效载荷能力更高，因为它们可以通过旋翼尺寸和机身配置提供额外的推力。

l动力系统：电池容量越大，提升力就越大（飞行时间也越长）。一些工业无人机还配备混合电动/汽油动力系统，可增加额外的提升力。

别忘了：无人机的起重能力和机动性之间存在直接关联。每架无人机都有特定的重心，以确保稳定性和性能。安装的有效载荷会改变重心，从而改变无人机在三个轴（俯仰、偏航和滚转）上的操作。原生有效载荷通常会解决这个问题，但第三方有效载荷可能会影响无人机的性能。

是否有可能增加无人机的有效载荷能力？

从技术上讲，是的。如果你能增加无人机的功率和推力，你就能增加它的有效载荷能力。然而，在实践中，这需要对机身、旋翼和螺旋桨进行大量的定制。后续的性能测试也是必要的。所以，一开始就选择一架高载荷无人机可能更好。

无人机载荷的热门类型

无人机有效载荷市场充满了一些优 秀的原生和第三方选择。

原生有效载荷由无人机制造商定制，以最 佳地匹配特定的无人机型号。有些是原生嵌入的（例如，摄像头系统）。其他是可安装和可互换的（例如，几个不同的超声波探头）。

由无人机制造商以外的人开发的无人机兼容工具和配件称为第三方有效载荷。它们可以吊装到有效载荷无人机上，但可能需要定制和集成才能进行适当的控制。

以下是以下类别中一些最 好的无人机有效载荷：

lRGB 相机

l热像仪

l超声波探头

l多光谱传感器

l气体探测器

lDFT 仪表

lLiDAR 系统

l磁力仪

l防雷系统测试仪

l辐射传感器

RGB 相机

最 好的无人机配备顶 级彩色摄像头。根据使用情况，型号可以配备高清视觉检查摄像头、多焦点摄影测量摄像头和用于土地测量的广角镜头。

最 新款无人机配备带有互补金属氧化物半导体 (CMOS) 传感器的摄像头。得益于片上处理和单独像素读取，CMOS 传感器的功耗更低，从而延长了无人机的飞行时间。它们还提供更快的图像捕获和读取速度、更宽的动态范围、更高的清晰度和更高的帧速率。

此外，CMOS 还允许在传感器芯片上轻松集成额外电路，例如放大器、降噪或贝叶斯滤波器，以获得更好的镜头质量。例如， ANAFI Ai 无人机嵌入了 48 MP 1/2” CMOS 传感器，配备 Quad Bayer 彩色滤光片图案，可提供更高清晰度的图像和更宽的动态范围。

ANAFI Ai 镜头配有 6 个非球面镜片，针对低光学眩光进行了优化。来源：鹦鹉

变焦范围是无人机摄像机的另一个重要特性。如果您计划使用无人机进行资产完整性检查，请寻找具有混合变焦摄像机的型号，结合光学和数字变焦机制以扩大范围。10 倍到 20 倍变焦是相当标准的。

最 好的巡检无人机（例如 DJI Mavic 3 Enterprise）拥有 56 倍变焦。为了获得更清晰的图像，请寻找具有更大传感器尺寸（例如 1 英寸、APS-C）的无人机相机，因为它提供更好的低光性能和动态范围。更大光圈（例如 f/2.8 或更低）和高 ISO 感光度等功能也可以改善低光条件下的镜头捕捉效果。

总体而言，无人机并不缺乏原生和第三方摄像系统，因此选择取决于您需要的规格。

红外和热像仪

光电 (EO)/红外 (IR) 摄像机有效载荷是另一种流行的附加装置。热成像在搜索和救援以及无人机巡逻任务中非常有用，可以快速检测人类的存在。热成像无人机还有助于灭火和环境监测。

在资产管理中，EO/IR 系统有助于检测温度变化，表明存在损坏、磨损或性能异常。热成像无人机电力线检查有助于识别过热的线路和组件，或检测变压器中的异常热模式——这两者都预示着即将发生故障。

热信号异常也可能表明热交换器和工业锅炉出现堵塞。在石油和天然气领域，热无人机有助于管道检查物质泄漏。例如， Skydio X10配备嵌入式 FLIR Boson 传感器和基于 CMOS 的成像装置，可提供灵敏度略低于 30 mK 的辐射读数。

DJI Zenmuse H20T是另一种流行的有效载荷选择，它结合了 20 MP 变焦相机、12 MP 广角相机、1200 米激光测距仪和 640×512 像素辐射热像仪。此外，您还可以从 Gremsy 找到出色的热无人机相机。新的VIO系统结合了 640×512 辐射热像仪、4K 变焦传感器和集成的 2400 米激光测距仪。

超声波探头

传统上，无损检测需要面对一系列后勤和准备方面的挑战，以确保能够轻松进入测试结构。准备工作本身甚至超过了检测成本。

专业的无损检测 (NDT)无人机（如 Voliro T）无需脚手架或起重设备即可进行资产测试。Voliro 三旋翼无人机专为六轴运动而设计，可以安全地悬停在建筑物附近，并施加 30 N 的稳定力和几 Nm 的扭矩，以使用无人机改装的超声波测试探头进行点对点测试。

我们的有效载荷范围包括：

l超声波换能器 (UT)具有回波到回波和脉冲回波功能，可测量壁厚，分辨率为 0.02 us（5900 m/s 时为 0.06 mm）。它还配有方便的耦合剂涂抹器。

l高温 UT 有效载荷具有相同的特性，但经过硬化处理，可在高达 260°C/500°F 的温度范围内工作，以收集正在使用的资产的读数（例如，检测活跃火炬烟囱的腐蚀情况）。

l电磁声换能器 (EMAT) 厚度计在腐蚀和肮脏的表面上提供 2-150 毫米的测量范围，在这些表面上耦合剂的应用具有挑战性。

借助 Voliro T NDT 有效载荷，检查团队在资产检查上花费的时间减少了 2 至 4 倍，收集的数据却增加了一倍。Mistras Group在不到两个小时内就检查了180 英尺的火炬烟囱，收集了 200 多个厚度测量值。在另一个案例中，Bilfingers借助 Voliro 为其客户节省了超过 165,000 美元的运营成本（人工、脚手架和设备），仅用 1.5 天就完成了烟囱检查，而标准检查时间为 25 天。

多光谱传感器

多光谱传感器在精准农业和环境监测中有着巨大的用途。与步行或车辆巡逻相比，无人机可以在更短的时间内覆盖更多的地面。而且成本低于包机。借助多光谱传感器有效载荷，您可以频繁捕获植被指数数据，以识别因害虫、疾病或缺水而受到压力的区域。

同样，多光谱相机有助于捕捉潜在矿藏的光谱特征并绘制地形特征。在活跃的矿场，多光谱无人机有助于评估环境影响并监测库存管理效率，以避免事故发生。

购买无人机多光谱相机时，请考虑支持的光谱库数量、波长和带宽。具有高光谱和空间分辨率的型号也能提供更清晰的图像，失真更少。动态传感器范围允许在光线不足的情况下捕捉更好的视觉效果。最后，全局快门可防止视频出现运动模糊。

一些最 好的无人机多光谱传感器包括：

lSenetra 6X 多光谱。重量轻（仅 250 克/8.8 盎司！）的传感器集五个 3.2MP 全局快门多光谱成像仪和一个 20MP RGB 成像仪于一体。

lRedEdge-P . 符合 NDAA 标准的系统，具有五个窄带多光谱波段，配备科学级滤光片，输出分辨率为 60 米/200 英尺处 2 厘米/0.8 英寸。

lMicaSense Altum。12 MP 高分辨率全色传感器和 Boson 320 x 256 33.5 厘米/像素热传感器的组合。

气体探测器

石油和天然气行业的最 佳无人机配有嵌入式或可安装的气体嗅探器。巡检无人机可以轻松配备用于检测一氧化碳、二氧化氮和硫化氢的电化学传感器或用于监测红外光吸收的红外传感器。

但是，如果你想要更精 确的测量结果以用于可持续发展报告，那么基于激光的气体检测仪可能是更好的选择。最 新型号使用吸收光谱法来识别和测量气体浓度。与其他方法相比，可调谐二极管激光吸收光谱法 (TDLAS)可以以高精度和更远的距离检测出最 低的气体浓度。

我们推荐的气体检测有效载荷：

lFLIR MUVE C360。可安装的多气体探测器（CO、Cl2、O2、NO2、H2 S、SO2、LEL），带有集成通气管，延伸到螺旋桨外以对未受干扰的空气进行采样。通过 USB-A 配件（平板电脑）和 UAS 电源端口和串行（C360）进行远程控制。

lLaser Falcon 甲烷检测仪。2 级激光，用于检测甲烷和含甲烷气体，检测距离可达 60 米/100 英尺。提供自动 GPS 时间同步功能，用于生成报告（时间、泄漏浓度、GPS 坐标等）。

lU10 甲烷探测器。基于 TDLAS 的甲烷探测器可探测距离最远 100 米/329 英尺且浓度低于 5ppm.m 的气体。

干膜厚度计

定期检查保护涂层对于防止金属结构腐蚀、储罐泄漏和一般退化至关重要。正确使用和及时重新涂层是所有行业的合规要求。

传统上，数字 DFT 测量仪是手持式的（如值得信赖的 Elcometer 设备），因此检查员必须爬上去进行测量。Voliro的解决方案允许团队在地面上收集高保真点测量数据。

我们的 DFT 探头符合适用的 EN ISO 和 ASTM B 标准，具有 0-1500 微米（用于磁感应）和 0-700 微米（用于涡流检测）的双重测量模式。测量范围分别为 0 – 1.5 毫米 / 0 – 60 密耳和 0 – 0.7 毫米 / 0 – 30 密耳。

Voliro 的全方位自由度和高情境感知能力使涂层干燥前检测成为可能。EnerTrans团队规模较小，一天内就检测了 10 多个输电塔，检测过程在涂层施工后立即进行，节省了重复检查和设备调试的时间。

激光雷达系统

光探测和测距 (LiDAR) 系统可为资产摄影测量和无人机土地测量提供更高的定位精度。传统摄影测量依靠 RGB 相机捕捉连续的照片阵列以进行 2D/3D 建模。这种方法可能会遗漏更精细的细节，例如电线或植被下的地形特征。

LiDAR 系统使用激光脉冲来绘制资产地图。距离数据与传感器的位置和方向（由 GPS 和 IMU 提供）相结合，确定每个激光脉冲的反射点。组合起来的各个点会创建高密度点云——3D 空间模型。

与依赖图像匹配和三角测量来推断距离的摄影测量法不同，LiDAR 提供高保真距离测量，从而提高模型精度。它对照明条件的依赖性也较低。LiDAR 测绘可以在夜间、高对比度照明下或在缺乏独特特征的均匀表面上进行，例如单色沙丘。

然而，LiDAR 模型缺乏摄影测量模型的照片真实感。这就是为什么许多无人机公司将 RGB 和 LiDAR 结合成一个传感系统的原因。DJI Zenmuse L2有效载荷集成了 Livox LIDAR 传感器、高精度 IMU 和 20MP 4/3 CMOS RGB 测绘相机。该系统可以在 10% 反射率和 100 klx 下探测 250 米/820 英尺范围内的物体，在 50% 反射率和 0 klx 下探测 450 米/1480 英尺范围内的物体。

YellowScan还拥有一系列与无人机兼容的 LiDAR 系统。Voyager是一个受欢迎的选择，其工作范围高达 440 米/1444 英尺，精度为 0.5 厘米/0.2 英寸，精度范围为厘米级。它还与一系列 RGB 相机兼容。Surveyor Ultra是一种重量轻、更实惠的选择，在高达 140 米/460 英尺的高度提供 3 厘米/1.2 英寸的精度和 2.5 厘米/1 英寸的准确度。

磁力仪

无人机安装的磁力仪为地面勘测带来了更大的深度（双关语）。通过测量磁场，您可以在施工期间检测地下管道和地下设施。

或者确定有前景的勘探地点进行开采。MWH Geo-Surveys在几乎世界每个角落部署了载有磁力计的无人机，从安第斯山脉到阿拉伯半岛，进行矿产勘探。总的来说，该公司创建了覆盖超过 8,000 平方公里的详细正射影像和 DSM 地图。

该团队更倾向于使用激光泵浦铯蒸气磁力仪来测量无人机，因为它们在动态环境中具有最 高的灵敏度、最 高的精度和实时数据采集能力。而且它们不需要测量区域的物理表面，这意味着您可以将无人机悬停在更高的高度以避免碰撞。

无人机量子磁力仪也是加拿大SBQuantum公司正在开发的一种新发明。该团队正在研发一种无人机兼容的磁性设备，由量子杂质和钻石驱动。传感器的核心是一颗实验室培育的钻石，含有碳和氮使其旋转，本质上使其成为一个非常小的磁铁。其磁场测量的幅度和方向提供了高精度，没有零点。

也就是说，您仍然拥有许多适用于无人机的优 秀传统磁力仪，例如：

lMagArrow。独立式磁力计系统，具有轻质保护壳，内含 MFAM 磁传感器、GPS 和 IMU。MFAM 是一种双传感器模块，灵敏度范围高达 0.005nT/√Hzrms，工作范围为 20,000nT 至 100,000nT。

lMagNIMBUS。QuSpin QTFM Gen-2 原子全场磁力仪传感器，放置在机械自缩臂上，可在非常靠近地面的地方操作。

lMagDrone R3。该套件包含一个传感器管，带有两个内置 3 轴磁通门（每个分辨率为 150pT）、一个带有内置 SD 卡的数据记录器、可充电电池和一个集成 GPS。要求无人机有效载荷至少为 1 公斤/2.2 磅。

防雷系统 (LPS) 测试工具

只要运行良好，防雷系统 (LPS) 每年可防止数十亿次潜在损害。传统上，LPS 测试需要绳索操作或升降平台搭建，导致停机时间延长，尤其是在风力涡轮机上。带有有效载荷的无人机可以消除这些问题。

Voliro T 配备 LPS 测试探头，可将检查时间平均缩短至 20-30 分钟。对于风力涡轮机，转子可以在任何方向停止。Voliro 的角形 EN 62305-3 LPS 探头可与氧化雷电接收器连接，进行高空测量。测量电流为 0.30 A（电阻 <20 Ω）。

可再生能源资产管理公司Skyspecs借助 Voliro，每天用较少的人员检查 10-12 台风力涡轮机。我们的高精度 LPS 探头可检测出 3 至 4 倍以上的缺陷，从而实现更好的风力涡轮机维护。

辐射传感器

在处理天然放射性物质 (NORM) 及其副产品的行业中，操作安全至关重要。无人机安装的辐射传感器可在核能、采矿、化学和废物管理设施中实现远程剂量场测量和监测。通过使用无人机探测和绘制辐射热点，团队可以更好地规划干预措施并最 大限度地减少人体暴露。

同样，无人机也可用于对前核电站或放射性物质区域进行退役调查。塞拉菲尔德是英国前核电站，它使用配备辐射探测有效载荷的 Elios 无人机对所有地上和地下建筑物（共计 1000 栋建筑物）进行调查并绘制 3D 地图，然后才允许人员进入。

其他一些适用于无人机的优 秀辐射传感器包括：

lKromek SIGMA 25/50。轻量级型号，伽马探测体积为 32.8cm3 / 2 in3，输出为 54 光子/keV。TN15是另一款出色的中子探测型号，无需冷却，可在室温下运行。

lSPIR-Explorer 传感器。结合了两个闪烁体辐射探测器，提供 0.001 µSv/h 至 10 Sv/h（0.1 µR/h 至 1000 R/h）的剂量测量范围。还提供实时核素识别和每种核素的计数率。

其他类型的无人机有效载荷

除上述之外，无人机还可以配备其他有效载荷，例如：

l带有投放机制的篮子、滴管和盒子等投放系统，用于商业投放或医疗用品分发。

l农业有效载荷，包括作物喷雾器、施肥机和种子分配器，以及作物健康监测传感器（例如高光谱或近红外传感器）。

l无线电中继和移动网络扩展器等通信设备 安装在系留无人机上，以扩展偏远地区的连接。

l公共安全工具，如泛光灯、扬声器、应急信标、烟雾探测器或爆炸物预防传感器，旨在嗅探危险材料。

选择无人机有效载荷时需要考虑的事项

要选择市场上最 好的装备，请考虑：

l主要用例。确定应用程序的关键硬件要求（例如，高清视频片段、热灵敏度、超声波测试）。比较有效载荷特性，例如分辨率、精度、检测范围等。

l兼容性。确保有效载荷适合无人机安装系统和控制接口。

l重量。请勿超出制造商建议的有效载荷重量限制，以避免性能问题。

l电源要求。确认无人机可以为有效载荷提供足够的电力，而不会冒电池耗尽的风险。

l耐用性。如果使用情况需要，请选择坚固、耐高温和耐风雨的有效载荷。

l数据处理。检查有效载荷是否支持数据流和/或具有足够的板载存储空间。确保您的分析软件与有效载荷数据格式兼容。

l培训。更先进的有效载荷系统可能需要额外的飞行员培训。选择具有足够技术文档和培训支持选项的选项。