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无人机变身空中机器人

发布时间:2019-01-13 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    无人机变身空中机器人作者: 成 舸   智能程度的提高,让无人机日益向空中机器人发展。机器人在空中既要抑制自己的姿态和行动,又要完成预先指定的任务,这一切实现起来并不容易。      无人机家族是飞机里最为神秘的一支,人们几近老是要等到原型机发布后才能一窥它的外观,再到正式部署军队若干年后,各项本能目标和技能秘密才会逐步浮出水面。但是一项大赛却将它推向了公众视野,虽然体积小重量轻,而且长相各异,却代表了世界上该项技能的最前沿。恰是通过这个赛事,无人机被赋予了一个新名字:空中机器人。
  
  无人飞机,还是会飞的机器人?
  
  11 月9 日落幕的珠海国际航展上,包括“暗剑”、“战鹰”在内的数十款中国产无人机模型集体亮相,令不少军事爱好者和媒体记者们“激动不已”。只是,这些无人机多数还不过观念模型,有的还在试验阶段,不少更被指为“山寨版”。
  所谓“无人机”,乍听上去似乎和机器人完全是两码事――伸展的机翼、硕大的机体、装有各种复杂仪表的驾驶舱⋯⋯自莱特兄弟以后,飞机在人们眼中似乎已变成一种刻板的印象。机器人的模仿对象是人,而飞机的模仿对象却是鸟,怎么会是一回事呢?但是,今天“空中机器人”的观念已超越了这样的思想定势。
  美国佐治亚理工学院的教授罗伯特• 米切尔森(Robert Michelson)是“空中机器人”观念的发明者,他认为,无人机性子上是各种能在空中自主飞行的飞行器,它本身便是一种特殊的机器人――和地面“机器人”相比,它会飞,却不具人形;而与无人“飞机”相比,它又像“机器人”一样,有自己的眼和脑,能自己抑制自己的行动。
  日本雅马哈RMAX 小型直升机也许是世界上最先进的航模。2008 年9 月,佐治亚理工学院便是靠它改装而成的GTAR 无人机,赢得了一项等待了整整7 年的奖金。按照准则, 无人机必须自己飞行到3000 米外的区域,找到地面上的一座房屋,确定房屋的门窗位置后,想办法拍摄到房屋内部的照片,并将照片发回地面站。
  丢弃无人机背后的遥控器,这小小的要求看似大略,却隐含了一个巨大的跨越:智能。让飞机具有智能,不但意味着它能自己实现起飞、飞行和下降,还意味着它能抛开人的任何抑制,独立在空中完成掉头、悬停、认路以及执行各种机动任务。出于比赛准则及可行性的考虑,参赛团队最经常使用的空中机器人平台仍是各种航模飞机,不过要将遥控设备卸下,给飞机重新装上复杂的抑制系统及各种感应器:一台GPS 定位系统、一台自动摄像机、几根天线、密布着的传感器、以及用来调整姿态的惯性测量单元等,还需要给它的机载计算机里输入一些预先编好的程序。这无异于给一架飞机的躯壳装上“眼睛”和“耳朵”,并实施“换脑”手术,还要让它们很好地和“身体”与“翅膀”协调事务。
  
  艰难的超越
  
  2008 年11 月,在清华大学的无人机实验室里,博士生王冠林所在的团队也在紧张地筹备着一场竞赛。12 月初,中国自己的空中机器人比赛就要在中山举行。王冠林既是清华参赛队里的大师兄,也是整个空中机器人项目的准则设计者之一。
  “我们和国外的差距至少在10 年以上。”王冠林介绍说,国内的竞赛还没有完全摆脱遥控器。今年这已经是无人程度最高的一次――飞行阶段完全实现自主,但起飞和下降时还需要有人工指令的介入。而在国外,佐治亚理工队早在1992 年就已经实现了这种程度的智能化。
  为确保飞行阶段不能有人工介入,这一年的飞行距离被强制扩大了。飞机起飞后,需穿越一段视距直线长度达3000 米的无人地带,可能是草地、荒野、农田或者水面,除了区域边界上有裁判员观察飞机是否出界以外,任何参赛人员均不允许靠近。这意味着,在飞离视线范围后只可由飞机自己来完成飞行任务,直到搜救阶段起初。
  在国内竞赛史上,这还是第一次超视距的飞行任务。11 月初,他们从甘肃订购的机体已经抵达,其他诸如GPS、摄像机以及各种传感器也将在陆续到达后,按照他们的抑制系统设计,被装配到机体上去,并将预先编制好的程序指令输入机载计算机。
  中山市火炬国际会展中心,里面的一处宽阔的停车场如今已经是一片杂草坪。这里将被用来作为本届空中机器人组竞赛的主场地,3000 米外的另一处场地将作为搜救区域。届时,地面上将用醒目的红色划上一个2×2 米的“十”字,周围还将散落着5 个塑料人“伤员”,他们的某些肢体还会不停挥动以模仿呼救者。
  救援是此次竞赛的关键任务。自主飞行无人机进入搜救区域后需要寻找到这些“伤员”,确定其经纬度坐标,然后向舱外伸出摄像机俯视拍照,并将照片传回地面站。接着,飞机需要发现地面的红“十”字标识,在半径5 米的圆形区域内投放“救援物资”――一个30 克重的橙色长方形纸盒。所有这些事务完成后,才能够掉转头返回并着陆。
  
  真正能飞的机器人
  
  汶川大地震发生后,由中国兵器工业集团研制的一种名为“华鹰”号的救援无人机亮相,它重20千克,长约2 米,翼展2.6 米的身体盘旋在灾区上空,通过机上装载的自动摄像机,为地面救援人员准时传送回了大量清晰的灾情照片。它起飞后会先盘旋一圈,这是为了检验飞行状态,然后按照预先设定的航线,自动飞往预定指标执行任务。如果周围没有突出的障碍物,它需要一条100 米长的跑道就能够实现自主起降。如果选取遥控,跑道只需要20 米。
  “华鹰”号是一架固定翼无人机,它依靠气流和固定的双翅飞行,不像螺旋机那样能够依靠头顶产生的升力悬停在空中,由于机动性不够,在低飞过程中拍出来的照片清晰度也有限。空中机器人竞赛也因此特别设置了两个组,将固定翼组和旋翼组分开进行,这也是国际上的惯例。但是旋翼无人机虽然机动性更强,稳定性也更难以抑制,因此实现起来也要困难得多。“在空中稳定悬停便是一个难题。”王冠林介绍说。
  目前固定翼无人机主要用于执行速度较快、距地较高的任务。它一旦携带上武器,就能够实行空中打击。但是对于拯救性命这样的任务,它却望尘莫及。这也恰是目前无论国际还是国内,旋翼无人机虽然更具难度,却更吸引人挑战的原因之一。
  南京航空航天大学副校长梁德旺认为,从整个以战斗机为代表的军用飞机发展史来看,在过去是以活塞式发动机为动力的亚声速飞行时代,当前是以喷气式发动机为动力的超音速时代,未来则将是无人战斗机,或者说是无人机的时代。
  从以消灭生命为主题,到以抢救生命为主题,预示了军用无人机和民用无人机在应用上融合的趋势。而从战斗型无人机到救援型空中机器人,各自并行不悖的两条脉络为这一趋势的发展提供了可能。就在未几前,美国宇航局也宣布成立了无人机研发中心,试图以空间机器人替代带轮子的月球车。看来,无人机作为飞机的历史已经行将结束,随着智能化的进一步提升,下一代的无人机将成为真正的能飞的机器人。

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