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2013无人机大赛现场记录

发布时间:2018-12-26 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    2013无人机大赛现场记录作者: 赵国庆   在万众瞩目中,第二届中航工业杯无人机大赛于2013年9月15日~25日在北京密云机场如期举行。两年前,在中国航空博物馆举行的第一届无人机大赛上,“灵龙”、“信鸽”、“四舵面飞翼”等优秀作品曾给人连连带来惊喜。而当这份惊喜还未完全减退时,新一轮视觉盛宴又展如今世人眼前。
  一、竞技赛固定翼类
  本届大赛固定翼竞技项目难度较上届有所提高。上届竞赛中要求无人机全程自主飞行,先后完成跑道起飞、通场,然后在固定的模拟航空母舰甲板上自主着陆。而本届竞赛增加了两项内容:搜索指标并空投载荷和甲板触地复飞。
  搜索指标任务要求无人机在起飞后对航线上的三个靶标进行搜索。每轮竞赛前裁判会将三个靶标中的两个设置为红色。无人机必须在识别出红色靶标的基础上,分辨向这两个靶标中心空投一个灌满红色墨水的矿泉水瓶。从技能角度看,该任务除要求无人机具备图像处理与识别功能外,还必须具备判断自身与地面指标相对位置的能力。
  甲板触地复飞任务要求无人机降落至模拟甲板上,并在起落架接地后迅速拉起复飞。该任务看似大略,实际上也潜伏玄机:无人机必须利用传感器“知道”自己触到了地面后才能向上拉起。且这个拉起的时间必须抑制得恰到好处——早了起落架会碰不到甲板,晚了飞机将会冲出甲板。
  除了新增的两个任务外,本届大赛的着陆难度也有大幅提升。当无人机进入着陆航线后,模拟航空母舰会在裁判的指挥下以某个速度向前移动。为此,无人机在着陆时必须利用传感器实时获取航母与自身的相对位置,并准时修正下滑航线。
  可能是由于竞赛内容难度的增加,本届大赛竞技赛固定翼项目的参赛队伍比上届削减很多。而在最后报名参加竞赛的11支队伍中,最后有成绩的仅有5支。沈阳航空航天大学代表队凭借参赛无人机优异的飞行本能和精确的定点着陆最后拔得竞赛头筹(图1~图3),却因未能把握好空投环节,导致竞赛基本分数没有超过800,与大奖失之交臂。最后,本届大赛固定翼项目的大奖空缺,得分最高的沈航“风刃”队取得一等奖。
  二、竞技赛旋翼类
  旋翼类竞技赛是本届无人机大赛新增的项目。该项竞赛模拟直升机在海上并列行驶的船只间执行横向补给运输任务,参赛旋翼无人机需完成两个动平台之间的物品拾取和码放。竞赛要求参赛无人机必须选取旋翼类垂直起降飞行平台,最大特征尺寸不超过2m,起飞重量不超过20kg。无人机载运物品规定为组委会提供的4个重量小于2kg的圆桶,桶上有垂直固定的半圆弧提手。竞赛中无人机需要从规定的旋翼机起降点自主起飞并抵达指标上空后,先飞往一侧动平台拾取区拾取物品,再码放到另一侧动平台指定区域。准则还要求:拾取和码放过程中,旋翼无人机平台的任何部件都不能接触地面、甲板、动平台和其它固定的赛场设施。竞赛包括两轮预赛和第三轮决赛。预赛中动平台一直坚持一个位置不运动,而决赛中动平台会沿着导轨作长距离来去运动。
  基于视频系统进行定位、抓取和移动载重物是该项竞赛最为重要的核心,而巧妙的抓取机构与抓取判断算法在竞赛中也具有重要作用。在竞赛场上能够看到一些有趣的细节:一些无人机只管没有抓起载重圆桶,但因自主飞行算法原因,无人机“自以为”成功抓取并带着虚拟的“圆筒”飞至指标平台放下。也有些无人机虽然将载重圆桶抓起,但由于抓取机构可靠性不高,在飞行途中或不慎将载重物丢下,或在应该投放时没有将载重物放下(图4),而无人机却对此无动于衷继续执行后续的自动指令。
  本届无人机大赛共有11支队伍参与该项角逐,最后有6支队伍获得有效成绩。沈阳自动化所参赛队直升机飞行动作迅速利索,虽然投放抓取机构时有故障,但还是凭借综合优势在预赛中保持领先。新加坡国立大学-南京理工大学结合队虽然在预赛中表现不佳屈居第四,但决赛前该队可能根据现场情况准时修正了抑制算法,在决赛轮中取得了最好的成绩。最后根据预赛与决赛分数相加的竞赛准则,沈阳自动化所取得该项竞赛冠军,新加坡国立大学-南京理工大学结合队取得亚军。与固定翼类竞技赛相似,因为所有参赛队基本分数都没有抵达800分,本届竞赛旋翼类大奖空缺,奖金将累计投入下一届竞赛。
  三、竞技赛像真机
  相对于全程要求无人机自主飞行的固定翼和旋翼类竞技赛,本届大赛还设立了全程由操纵手进行抑制的像真遥控模型演出赛。该项目要求参赛者使用遥控固定翼像真模型飞机,完成起飞、投弹、自选动作演出和钩索着陆。根据模型像真度、起飞和航线飞行情况、空投精确性、自选动作难度和完成质量、钩索动作完成质量等进行打分,最后决出名次。
  参加该项目的像真机型号可谓玲琅满目,除了有F/A-18“大黄蜂”系列这种相对传统的舰载机参赛外,还有YAK-130(图5)、Su-35这样的陆基飞机也改作“舰载机”参与该项竞赛。一架装有涡轮喷气发动机的英国“鹰”式教练机(因该机被英国红箭演出队选为演出机,许多模友喜欢称其为“红箭”,图6)则显得霸气十足。
  但是天有不测风云,23日竞赛当天突然刮起了垂直于跑道的侧风,风速持续在5m/s左右。众所周知,航模飞机的飞行速度一般在20m/s左右,而全尺寸的F/A-18战斗机的着陆速度一般在70m/s左右。如果将竞赛当天模型飞机遇到的侧风按照模型尺寸比率放大,则非常于一架F/A-18在17m/s的侧风下进行着陆。17m/s的风速对应风力为7~8级,在这样的风速下一局部航班都将被取消,由此不难看出竞赛当天天气的恶劣程度。在这样不利的环境下,多架参赛飞机在起降过程中受到了不同程度损伤。最后冠军被中航一飞院的E-2C(该机没有安装机背上的雷达天线罩,实际上称其C-2A运输机更合适,图7)预警机队伍取得。
  四、创意赛
  如果说竞技赛比得的是系统的传感器与软件,那么创意赛比拼的更多的是则飞机本身。参加本届无人机大赛的创意赛队伍共有70多支,创意涵盖飞机气动、结构、抑制、工艺等多个领域。只管本届竞赛奖金额度较第一届有所削减,但并没有太多地打击到参赛队伍的热情。在本届创意赛参赛作品中,不乏许多极具独创性与应用潜力的优秀作品。   1.南京航空航天大学“紫电”等离子体无人飞行器
  南京航空航天大学“紫电队”的参赛机只管其貌不扬,但却潜伏玄机(图9、图10):两侧机翼分辨贴有一前一后两组电极。这两组电极在通电后能通过产生等离子体而影响机翼表面流场,使得飞机在舵面不偏转的情况下实现机翼两侧升力差抑制,从而起到副翼的效果。“紫电”名字的由来,恰是出自电极在黑暗环境下放电会产生紫色电晕的原因。
  在操纵面固定的情况下实现对飞机的姿态抑制,对于飞机隐身设计来说极具吸引力。隐身飞机的操纵面一旦发生偏转,会使飞机外形偏离隐身设计的初始状态,而舵面偏转带来的表面导电不连续和曲率不连续也将造成飞机RCS(雷达反射截面)呈几何关系增加。如果这个问题可以解决,隐身飞机的生存本能够得到极大的提高。
  纵观国外相关研讨,英国克兰菲尔德大学主导的“Demon”无人机验证机项目中,曾在飞机主发动机外,额外又添加一套用以引气进行机翼环量抑制的辅助发动机,以起到替代气动舵面的作用。但整套系统不但重量可观,而且各种阀门导管带来的系统复杂度同样不可小觑。与“紫电”上应用等离子激励器产生气动操纵的系统相比,“Demon”无人机的这套系统简直能够用“傻大黑粗”形容。
  能够肯定,如果可以将“紫电”上的等离子气动抑制技能进一步成熟化而应用于全尺寸飞机,其成果将是十分可观的。
  2.北京航空航天大学自稳定飞翼技能验证机
  飞翼布局飞机在气动和隐身方面的优点现在早已耳熟能详,而飞翼布局飞机由于航向稳定性不足带来的荷兰滚模态发散问题一直都是该布局飞机设计中绕不开的一个结。一般的飞翼布局飞机解决这个问题无非两种方法:在翼尖安装垂直安定面,或者直接给飞机增加电子增稳系统。但这两种方法从性子上来说都可谓治标而不治本,在解决航向安定性不足的同时又带来新的问题——结构增重、系统复杂度增加、飞机可靠性降落等。
  北航“凌霄队”针对飞翼布局飞机航向安定性不足,提出了“第三种解决方法”:完全依靠飞机的气动外形优化,通过合理的气动扭转和上下反角优化分布,真正实现飞机的自然稳定,使飞翼布局飞机不依靠电子增稳系统,也可获得与常规布局飞机相似的飞行品质(图11、图12)。
  这项技能对于军用飞机和民用飞机都具有很大的应用前景。军用飞机依靠该技能可以有效提升飞机的任务可靠性,降低对电子系统的依赖,从而提升飞机在复杂战场上的生存性。民用飞机通过使用这项技能能够提升系统的可靠性,即使在飞机全套电子系统都发生故障的环境下也能留有足够的平安余量,为民用飞翼布局飞机的使用增添一重保险。
  3.南京航空航天大学“独行者”单旋翼飞行器(图13)
  “大刀”对许多航模爱好者来说都不陌生。这是一种特殊的直升机,没有复杂的变距机构,没有相对固定的机身,整架飞行器在位于机翼一侧的动力推动下围绕质心旋转从而产生升力。早在建国初期,我国航模队员就曾利用这种布局的直升机打破过世界纪录。从气动本能上来说,“大刀”是足够诱人的,但由于它时刻都处在自转当中,没有一个部件角速度为0,使得这种飞行器在过去一直不能由人进行有效操纵。
  前未几,美国的洛克希德马丁公司在美国国防部高级技能研讨局DARPA的资助下完成了可控“大刀”的研制,在公开的视频中称灵感来自于“枫树的种子”。本届无人机大赛上,南京航空航天大学的“独行者”队也从枫树上得到了灵感,完成了他们的单旋翼飞行器“独行者”的研制。
  在电子系统的辅助下,“独行者”能够在旋转中获得方向,并根据不同方向连续不时修正偏转机翼后缘的操纵面,从而实如今地面人员的遥控下有效抑制无人机的姿态与航向。从赛场上看,南航“独行者”飞行稳定,可以在操纵手抑制下至指定指标完成定点着陆。因其外形大略尺寸紧凑,所以未来很符合作为单兵无人机在巷战中进行定点侦察。
  除了上面介绍的项目,山西大学能从水底上浮并起飞的“水母”四旋翼飞行器(图14)、北京理工大学设计的能飞能爬的“精灵虫”无人机(图15),以及四川个人选手带来的由3D打印制作的无人机都给各位留下了十分深刻的印象(图16),此外还有很多优秀的作品限于篇幅无法一一详细介绍(图17~图20)。令人遗憾的是,由于赛程安排的原因,创意赛飞行演示几近没有观众参观,场内场外基本便是各个参赛队员的“独角戏”。这样精彩的大戏没人捧场,几多给众创意赛参赛队员留下了一些遗憾。最后,南京航空航天大学“紫电”队以最高分数将本届大赛的唯一一份大奖收入囊中。
  大赛特邀专家勃鲁少夫曾说过:无人机除了一般的军事、农业等用途外,更重要的作用是可以作为一个载体,让年轻人获得学习,获得实践,从而真正明白航空。本届无人机大赛恰是这样一个平台,将全国航空领域的青年人集合到一同,同台演出、切磋本领。他们通过参加竞赛能得到的,绝不不过竞赛奖项本身。青年兴则国家兴,青年强则国家强。透过本届无人机大赛中闪现的各个年轻的参赛队伍能够相信,中国航空工业的明天定会更加辉煌。
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