未来智讯 > 无人驾驶论文 > 无人机飞越大西洋
    
    研制无人机的初衷
    
    1992年,有一拨来自华盛顿大学、大气物理研究机构等单位的航空爱好者,在美国海军研究部和澳大利亚气象局的支持下,成立了无人机研究小组。
    当时,他们成立该研制小组的目的,并不是为了作越洋飞行,而是想研制一种小型无人机来进行气象探测,因为利用小型无人机的帮助可提高天气预报的准确度,这是气象部门尤为感兴趣的。在以往的气象探测中,通常是利用探空气球携带无线电探空仪升入空中,来获取大气数据,如大气压力、温度、湿度和空气流动情况(风)等。这是各国气象部门常用的方法,也是一种老办法。
    一般来说,放飞这种探空气球,在陆地上进行并不难,是比较简单的。但是,如果要在海上放飞,则只能在轮船上起飞或者用有人驾驶飞机带到空中投放,这样做无疑会大大增加气象工作的费用。据统计,为了完成天气预报,光在陆地上每天大约要放飞1000个带有无线电探空仪的气球,这本身就是一笔很大的投资,而如果在海上放飞就必须利用船和飞机或者利用人造卫星,其花费还要大得多。由于投资太大,对于海洋上空的气象探测,只能采取消极的办法,少进行或不进行。因此,长期以来对海上的天气预报,一直是存在障碍的。小型无人机机动灵活,且成本低,可反复使用,利用它来进行大范围的海上气象探测,无疑是一件廉价和可行的事。这就是这个由爱好者组成的无人机研制小组成立的最初目的。
    研制无人机虽不象研制大飞机那样需要巨大的人力、物力和资金的投入,但必要的研制费用也是不可缺少的。在他们的宣传和努力下,后来研制小组又先后得到了美国、加拿大和中国台湾气象部门,华盛顿大学以及澳大利亚乐器公司的援助,其中包括资金和技术。至于在后来的越洋飞行中,当然还得到了沿途有关政府和部门的帮助。
    
    越洋飞行设想的提出
    
    经过研制小组的努力,无人机研制出来后,截至1998年中已经制造了多架无人机,大多数都携带探空仪上天进行了试飞,累计飞行800多小时,以验证无人机的飞行性能、对各种条件的适应性和采集数据的能力。因为,这些无人机在将来执行大气探测任务时,其飞行范围主要在环太平洋海岸,天气条件十分复杂。如哥伦比亚海岸一带降雨多,甚至还有冻雨;澳大利亚和南中国海常有强雷暴天气等。也就是说,在这些地区各种天气条件都可能发生,要想保证无人机随时都能够起飞作业,就必须适应各种天气条件。为此他们用多架无人机进行了反复试验,也包括长时间的持续飞行。其中有两架无人机持续飞行时间达到了30小时,有好几架无人机超过24小时,尽管飞行距离都不太远,一般不超离起飞点200公里的范围内。正是由于在试飞中更进一步发现这种无人机具有长时间的持续飞行能力,于是他们突发奇想――提出了用无人机飞越大西洋的设想。
    大西洋是一片神奇的海域,曾有不少探险家在这里留下过他们的足迹,其中包括飞行探险家查尔斯・林伯、艾沙巴德・伯努利、约翰・阿罗克和阿托・布朗等。1919年6月14日,阿罗克和布朗二人驾驶一架“威克斯・威姆”号飞机,从圣约翰出发,经过16小时的不着陆飞行,最后降落在爱尔兰海岸的沼泽地上,成为首次飞越大西洋的人。
    不过,用小型无人机飞越大西洋至今无人尝试。现在,他们认为已经有条件,向这一纪录挑战。
    他们之所以能大胆地提出无人机越洋飞行设想,还有一个前提,那就是航空航天科学发展和新技术的应用,在客观上已具备了实现这一目标的条件。事实早已证明,一个新的科学成果或一项新技术的出现,完全有可能使我们原来认为办不到的事成为可能,让其未表现的潜能得到发挥。在小型无人驾驶飞机方面,通过采用新技术设备,完全有可能使它性能更好、能力更强、应用领域更广。比如新型复合材料的大量使用,可以使无人机的结构重量更轻、性能更好;全球卫星定位系统(GPS)的出现,可以使它飞得更远(只要动力系统允许)。
    以往,对于小型无人驾驶飞机来说,要进行越洋飞行简直是不可能的。其原因主要是没有合适的远距离导航设备。在GPS没有出现以前,要进行越洋飞行,人们只得使用诸如罗兰、欧米伽和惯性导航系统等设备。这些设备既笨重又昂贵,对于大飞机来说可能不算什么,但对于重量轻、成本低的小型无人机来说,是很不匹配或者是不能接受的。而GPS技术的发展和广泛应用,则使得人们只需花上几百美元,就可以得到重量低于100克、功率小于1瓦特、可在世界范围内提供精确导航的设备。它的出现,解决了小型无人机的大范围、远距离导航问题,使无人机的越洋飞行成为可能。
    
    越洋无人机的特点
    
    从气动布局来看,该机采用常规布局。流线型的机身上安装着一副外翼段带上反角的机翼。动力装置为一台螺旋桨发动机,安装在机身后部。机翼的展弦比很大,内翼段平面形状为矩形,外段翼尖前缘为弧形,这种形状有利于减小飞行阻力。中段机翼的后缘装有简单襟翼,在降落和起飞时,襟翼向下偏转可以增加升力,以缩短起飞、着陆距离和减小着陆速度。外翼段后缘装有副翼,利用它和尾翼配合使用,可以控制无人机的转弯和滚转。从机翼中段向后伸出了两根复合材料尾撑,尾撑后部上方连接着一个倒V字形尾翼。无论是正V字形还是倒V字形尾翼都可以兼顾水平尾翼和垂直尾翼的作用,利用尾翼后缘舵面的偏转配合,可以控制无人机的俯仰和偏航。为了减小重量和减少阻力,在进行越洋飞行时该机没有安装起落架。
    这种无人机的尺寸很小,翼展2.75米,包括机头空速管全机长约1.8米;重量也不大,只有13.2公斤;但成本却不算太低,每架要花费25000美元,可能是因为设备投入比较大。
    该机的机翼和机身采用了碳纤维蜂窝结构,其它的结构部件则基本采用玻璃纤维复合材料。在机身里装有飞行中所需的一些设备,其中包括一套六通道的L1、C/A码GPS接收机,其GPS天线装在无人机的右边机翼内。为了和地面进行联系,每一架无人机都配有超高频调制解调器,其偶极子天线装在左边尾翼内(见图二所示)。
    每架无人机都配有两台随机携带的计算机。主计算机可控制几种不同的任务,包括通讯、飞行控制、GPS信号处理;而第二台计算机则负责温度、压力、湿度、风速等气象数据的计算。每一台计算机都使用16-MHz、32-bit微处理器。无人机电源由直流发电机提供,该发电机则由无人机发动机驱动。
    飞行控制传感器包括倾斜、偏航陀螺仪和空速管(动静压传感器)。机载计算机利用这些传感器的信号和GPS信号,经过计算发出指令对无人机进行飞行控制。无人机的控制伺服系统控制发动机的油门和操纵面,包括襟翼、副翼和尾翼后缘的操纵面(方向/升降舵)。关于飞行控制的计算,每5秒钟完成一次。
    该无人机的飞行控制回路示意图如图三所示,其中包括两个嵌套的反馈回路。其内环以5Hz运行,通过副翼和方向舵调节偏航率;外环每两秒更新一次GPS位置,以对飞行轨迹进行修正。
    虽然在自动起飞和降落时数据更新是有所不同的,但是在单程飞行中他们却没有使用不同的技术,因为那样将需要更宽的频带,才能满足地面站和无人机间的通讯。
    无人机的速度和位置信息大约每半秒由GPS更新一次。由于GPS接收机和偏航陀螺是无人机轨迹控制中的唯一手段,地面站不能知道它的瞬时方向。无人机只能每5秒通过升降舵调整一次速度,每5秒通过风门调节一次高度。这些操纵自始至终贯穿于整个飞行包线里,包括起飞和着陆。
    总共有四架无人机参加了越洋飞行。四架无人机都是一样的,但名字各不相同,分别称之为“吹笛手”(Piper)、“喇叭手”(Trumper)、“百万富翁”(Millionaire)和“莱玛”(Laima)号无人机。
    
    越洋飞行前的准备工作
    
    虽然前前后后已经过了近三年野外飞行试验,但要想进行越洋飞行,仍然存在不少问题,有不少事要做。
    首先是要保证无人机和各种设备的完好、可靠,尤其是动力和燃油系统必须满足越洋飞行的要求,而实际上要做到这一点是不容易的。为此,他们采取了取消起落架的办法,以减小飞机的重量和阻力。据估算,如果保留起落架的话,其机体重量和飞行阻力比无起落架时要大很多,发动机的耗油率也会相应增加,这样有可能飞不完全程就耗尽了燃油。而取消起落架,既可减轻重量、减小阻力,又可以增加无人机的载油量、延长航程,可以说是一举多得。
    不过,取消了起落架又会带来新的问题,即如何起飞和着陆?解决起飞问题比较好办,他们把无人机装在汽车上(见图四和图五),助跑一段后发射上天,也就是说用发射车起飞。降落则没别的好办法,只能靠自动或人工控制将无人机调整到合适的草地上着陆,尽量减小因着陆时与地面的磨擦给无人机带来的损坏。
    由于对无人机的可靠性一直存有疑虑,再说用小型无人机越飞大西洋也是首次尝试,谁也没有十足的把握。为了确保有成功的机会,他们不得不多准备几架无人机。
    无人机准备好以后,下一步是要选择飞行航线,制定飞行计划,同时要取得沿途各地有关部门的批准。最初的计划,他们是想沿着1919年约翰・阿罗克和阿托・布朗的飞行路线(即从加拿大的纽芬兰到西欧的爱尔兰)作这次越洋飞行的。将起点选在纽芬兰,很快就得到了加拿大有关方面的批准。而终点爱尔兰却没在那么顺利。爱尔兰方面认为:一架无人驾驶飞机在无法跟踪的情况下,要想越洋飞行那是不可想象的。经过一番周折,最后的授权书于8月10日(星期一)送达。由于在爱尔兰没有合适的空域,最终他们把降落地点选在了英国北部的苏格兰。
    整个飞行计划都在8月进行。飞行航线确定下来,并得到当地有关部门的批准后,越洋飞行前的具体准备工作立即开始,负责起飞和着陆的两支队伍立即成立,并分别奔赴相应的地点。
    
    前三次尝试飞行均告失败
    
    8月14日(星期五)晚上,负责起飞的队伍带着“吹笛手”、“喇叭手”、“百万富翁”和“莱玛”4架无人机到达加拿大纽芬兰省的贝尔岛。成员有泰德・马克吉尔(Tad Mcgeer)、罗斯・赫格(Ross Hoag)和克普・杰克逊(Kip Jackson)等。他们都是已有三年以上无人机飞行操纵经验的老队员。
    负责着陆的队伍到达苏格兰的赫布里底群岛是8月13日(星期四),比起飞队伍到达贝尔岛的时间还早了一天。其成员有比尔・威格里提(Bill Vaglienti)、史蒂夫・赫夫门(Steve Huffman)和格莱格・李普斯(Greg Lipski)等。
    8月16日(星期天),起飞点的地面站就已经建立,并对无人机的各种设备进行了测试。当时他们估计,如果老天帮忙,飞行处于顺风状态,飞行时间不超过24小时的话,其能量储备应该没有问题。
    地面站建立在一辆租来的微型厢式货车上(见图六)。无人机由地面站通过一个运行在奔腾100Hz便携式电脑上的DOS程序来控制。便携式电脑对外连接一个地面GPS接收机、一个外部微型控制器和一个用于无人机起飞、着陆远距控制的模拟控制台。在这些外部设备中,微型控制器负责地面站与无人机之间的无线电联络;GPS接收机提供地面站的时空坐标,可为纠正偏差提供参考。
    对于小型无人机来说,风的影响是很大的,尤其是在飞远航程的时候更为严重。按他们的估算,只有在风速大于37公里/小时的顺风条件下,才能保证机上的燃料可供飞完全程。因此,为了顺利地完成计划,他们不得不加倍关注天气预报,因为哪怕是一点点疏忽都有可能致使飞越大西洋的尝试失败。在此次越洋飞行之前,他们根据有关信息已经进行了数月的演习,然而没想到在起飞前还是出了差错。设在美国马里兰州的气象部门的磁盘出了问题,他们所需要的天气预报突然中断。所幸的是故障很快排除,天气预报到8月17日(星期一)凌晨就已经恢复。天气预报是通过英特网传给他们的。
    起飞前,留在华盛顿大学的队员们又对飞行计划进行了一些小的修改。并通过电子邮件发给贝尔岛的地面站。地面站的队员又把每一个飞行轨迹点输入到无人机机载计算机的内存中。
    8月17日早晨7点,第一个被送上蓝天的是“喇叭手”号无人机。半小时后,贝尔岛机场地面站的工作人员便跟踪上了它。此时的风速为55.5公里/小时,和预报的风速几乎一样。不过,该无人机最终还是失踪了。到第二天,经守候在赫布里底群岛的工作人员证实,“喇叭手”并没能到达目的地。
    第二架无人机“吹笛手”是在“喇叭手”出发后3小时起飞的。它失踪的更快,由于一个软件的错误导致无人机产生了过量的副翼偏转而进入螺旋,最后坠入大海。
    后来又发射起飞了第三架无人机“百万富翁”号,不久该无人机也坠入大海,至今不明原因。可能是遇上了非常不利的强气流,也可能是控制系统出了问题。当然也没有必要去搜寻和打捞这架小小的无人机,因为其花费可能要比无人机本身高得多。
    前三架无人机越洋飞行的尝试均告失败,这对他们的打击是很大的,但并没有因此而气馁,反而使大家把所有精力都集中在第四架无人机上,各项工作做到万无一失,成败在此一举。
    
    “莱玛”号成功越大西洋
    
    经过前几次飞行尝试后,一直天公不作美,尤其是靠近苏格兰的大西洋上空逆风带很强,对无人机飞达目的地并安全着陆有很大的威胁。直到8月20日(星期四),天气才开始变好。于是,他们决定抓住机会将“莱玛”号无人机送上天,进行第四次也是最后一次飞越大西洋的尝试。
    8月20日早上7点29分,他们的起飞发射车(见图七)就出发了,飞行前的准备工作也进行得很顺利。起飞队员各就各位后,首先对“莱玛”号的发动机运转情况进行了检查,一切结果都很正常。泰德・马克吉尔通过查看发射车的速度判定无人机发射前的初始速度;克普・杰克逊通过遥控器操纵“莱玛”号无人机,当速度达74公里/小时时,将无人机从发射车上发射起飞。在30秒内,“莱玛”号无人机开始转入自动驾驶。在起飞处地面站可控范围的上空,经过简短的测试后,便将它送入了飞向苏格兰的征程。
    由于该无人机的无线电超高频传输范围只有40公里,地面站人员只能在该范围内对无人机进行了遥测。通过测试,此时机载系统运行良好,风速也和预测的一样。在往后的24小时内,有关天气情况的信息可更新两次,当得到新的天气信息后,他们便利用模拟设备重新计算一下飞越大西洋的航线。经过计算认为,该机将在当地时间13时30分左右到达目的地。当他们将这一信息通过电子邮件告知远在苏格兰的工作人员时,大家都觉得松了一口气,因为在此之前的几次失败已经使得他们有些信心不足了。基本上是在预计的时间内,在苏格兰地面站的计算机上发出了“滴-答”声,这就意味着着陆地面站和“莱玛”号无人机的联系接通了。
    就在“莱玛”号经过一个转弯后,碰巧进入了一个无线电盲区,信号再次从屏幕上消失。此时,无人机大约离着陆地面站44公里左右。寂静再次笼罩着整个着陆地面站,饱受多日苦守煎熬的着陆队员们都感到有些喘不过气来。
    由于无人机有每2秒向地面报告一次位置的功能,着陆地面站的工作人员怕自己的仪器有什么问题,开始和英国民用航空局(CAA)联系,请求帮助搜索。按照CAA的判断,“莱玛”号可能已到达离海岸19公里处。随后无人机与着陆地面站的联系再次建立。地面站的工作人员格莱格重新确定了一下无人机的位置,并开始将它往南维斯特岛上空引导。当无人机飞到着陆地面站的顶上时,比尔在手边的地图上标出了“莱玛”号无人机的确切位置。此时,小亮点已出现在控制计算机的屏幕上,比尔又将无人机从自动驾驶切换到人工控制。然后用遥控器将无人机引导到早已选好的着陆地点,轻轻地将其降落在草地上。当“莱玛”号无人机顺利地降落在苏格兰的着陆点后,队员们都感到异常兴奋,多日的疲劳似乎早已烟消云散了。
    在这里需要指出的是,“莱玛”号无人机在大西洋上空是按照图三所示的飞行控制回路自动飞行的,其实在降落时也是可以采用差分GPS技术进自动着陆的,因为该无人机上已经安装了这种设备。其使用的差分GPS技术进行自动着陆的原理可见图八所示。使用这项技术需要在无人机、GPS卫星和地面站之间建立一套协议关系,随时修正无人机的航迹误差。地面站先要对跑道位置用GPS接受机进行测量,然后经过计算给出跑道的相对位置,并每两秒钟与无人机联系一次,以对无人机的位置和速度进行校正。利用这种方法,其定位的精确度可达到3米左右。
    最后之所以未采用自动着陆,而用人工控制的办法着陆,主要是苏格兰的天气反复无常,使他们不得不取消使用自动驾驶计划,而改用人工控制降落。
    在“莱玛”号安全着陆后,队员们对无人机进行了一些检查,在取出“莱玛”号无人机内的电池前,他们从无人机机载计算机的内存中取出了它的飞行日志。从中他们看到,全程的实测天气资料和国家气象系统的预报是十分吻合的。
    此次“莱玛”号无人机全程飞行3200公里,创造了小型无人机飞越大西洋的壮举,同时也显示了其更为广泛的应用前景。■
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