从黑科技到白科技的自主无人机

赵斌

在科幻小说中，有时为使剧情合理化编剧会空想出一些离奇的科学技术，但这些技术用当今的理论并无法解释，称之为“黑科技”。后来，这个词在网络上延伸，也泛指高科技发展后更强大的技术，或者现实中某些超乎寻常的厉害事物。在不知不觉中进入我们的生活，或者很快可能成为我们科研利器的无人机（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），似乎很有黑科技的味道。不过，现在看来，无人机的发展完全是建立在真实的技术发展基础之上的，显然我们可理直气壮地称之为“白科技”——昭然天下的崭新科学技术。

说到无人机（也称飞行机器人），大多人想象的一定是那些飞越数千公里执行间谍和作战任务的现代国防工具。的确，这些飞行机器人，最早就是用于国防的。据说，从20世纪40年代就有了无人机的雏形，是二战中用于训练防空炮手的无人靶机，并随着电子技术的进步在侦查任务中崭露头角。本世纪初无人机渗入民用，对社会许多方面的影响初见端倪，包括交通、通信、农业、减灾和环保等领域。这是一个伟大的时代，也是机遇与困难并存的时代：这些小型无人机的发展，主要得益于微处理器、传感器、电池和无线通信单元等电子元器件的小型化和低成本，使其原型和商业化成本直逼智能手机的价格；但是，要使无人机能在指定空间进行自主飞行，还存在巨大的科学与技术挑战——无人机在空中飞行能量消耗巨大，还必须具备感知复杂环境的智能。

对于环境监测领域来说，航空、航天遥感一直被认为是“高大上”的设备，而如今小型无人机的发展，直接将具备类似功能的设备拖到“低矮挫”的行列，但我们却非常欣喜有这种变化。装备了摄像设备的小型无人机，模糊了航空、航天遥感与近地面遥感的界限：小型无人机能够从地面几米高处获取图像，弥补了卫星因天气原因无法获取，或者图像分辨率低的不足；近地面遥感中，从车载设备获取图像的范围是人类视角，在没有道路的地方是无法进入的，而会飞的摄像机对这些问题显然是迎刃而解的。

小尺寸、大麻烦、新挑战

飞机的飞行过程是最耗能的环节，特别当设备的尺寸缩小时，相对的耗能会更明显。设备尺寸减小，会减少电磁马达的功率密度、降低传动效率。较小的尺寸也意味着较低的雷诺数（雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数，其大小决定了粘性流体的流动特性。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位.呈层流状态；雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流状态），进而增加了黏滞力，产生更大的阻力系数，减少升力系数。

另外，尺寸问题在最基本的飞行自主性上也带来很多麻烦：尺寸小，提供的能量不足，续航能力有限，整个飞行时间在数十秒到数十分钟之间，无法执行高级任务，与载人的飞行器相比并不占优势。飞行模式也因尺寸问题呈现出更多的挑战，如空中悬停，不仅需要较大的能量供应，还需要可靠的控制能力，这些需求也随设备尺寸减小变得更加困难。

然而，减少尺寸的最大好处是带来了机动性。因此，小型飞机可以用室内控制系统和电脑进行实时跟踪和控制。当然，这种增强的灵活性，是以牺牲开环稳定性（控制结果不反馈回来影响当前的控制系统）为代价的。内置传感器和计算系统的自主无人机上实施这些行为也是一个重大挑战，但目前显然已经取得了期待的结果。

按需所取的功能定位

为了应对这些挑战，无人机开发者只得平衡各种取舍，从系统水平考虑整体设计，出现了形态各异的无人机。其中，最常见的形态包括：常规固定翼飞机（固翼机）、旋转翼飞机（旋翼机），以及仿生设计的扑翼飞机（扑翼机）。瑞士senseFly公司出产的电动航测无人机电子黄蜂（ eBee）就是一种固翼机（图1），能够快速飞行，但不能悬停。派诺特（Parrot）公司的四轴飞行器AR.Drone 2.0就是一种旋翼机（图2），可以悬停，具有高度的灵活性，但一般前行速度要慢许多。在自然界中，扑翼推进这种方式在飞行动物中很常见，是一种有效的飞行形式，但要将这转化为功能性设计不是一件容易的事情。不过，研究人员现在已能有效地再现自然界许多不同的飞行方式了。如AeroVironment公司的仿生扑翼机纳诺蜂鸟（Nano Hummingbird）（图3）和哈佛只有80毫克的机器虫（ RoboBee）（图4），后者没有内置的能源供给系统，需要拴在一个外部电源上飞行。还有一种可飞可滚的笼封机器人Gimball（图5），由一个同轴双螺旋核心组成，放置在一个解耦可自由旋转的保护球笼中。

有了这些飞机，让我们设想一个救援场景时这些无人机是如何组合起来进行救援工作的。在救援现场，一架eBee正在空中进行长时间（>40分钟）飞行，一方面提供救援区的鸟瞰图像，另一方面为地面救援人员提供通信网络；一架具有悬停功能的AR.Drone 2.0在检查建筑等的裂缝和渗漏情况，另一架AR. Drone 2.0从附近的医院送来了医疗用品；扑翼机编队RoboBee正准备进入建筑物中寻找化学危险品；笼封机器人Gimball已经深入复杂建筑内部时而飞行，时而滚动，努力寻找生命迹象。

除了不同无人机可以组合起来完成更复杂的功能，还可以考虑单架无人机将空中与地面功能结合起来。比如，让无人机降落在墙壁和电线上，可更长时间从有利位置监测环境，同时节约能源消耗。无人机在降落后可以在地上用腿移动，或者让翅膀收起来。也许，未来的无人机可能会使用同一套驱动系统进行飞行控制和地面运动。空中飞行与地面移动所需的速度和转矩是不同的，可根据具体情况调整翼的形态，这非常类似于吸血蝙蝠用它们强大的前肢进行飞行或行走（图6）。另外，还可以在悬停无人机上增加轮子，或者在滚笼中嵌入推进系统，这种设计不仅允许无人机在地面上任何方向进行滚动，而且由于转子受到笼子的保护，也能与障碍物或人进行安全碰撞。

视景技术与自主性

与地面上行驶的车辆定位不同，无人机的位置必须是三维定位，而且还有一个飞行姿态的问题。因此，无人机不能完全依靠GPS信息按预定路线飞行。首先，GPS对高度定位并不准确，特别当飞机飞离地面，高度持续发生变化时，GPS所获取的定位信息更是存在较大误差。另外，穿行在城市、森林或建筑物中一般并不能获得可靠的GPS卫星信号。即使有可靠的GPS信号，为了进行无障碍的飞行，无人机还必须结合精确的三维测绘地图。可惜的是，如火如荼发展中的汽车导航数字地图对于无人机来说几乎没有什么用，因为这样的地图是根据地面道路整理的，并不包括三维信息（自然结构体、建筑物、桥梁、电缆、电线杆等的高度），也不可能保证及时更新地面景观高度的变化。因此，要实现小型无人机在低空的自主飞行，更重要的是复杂的自主控制能力和额外的传感器，GPS只是起辅助作用。

于是，人们对小型自主无人机的大多努力，就集中在实现自主反应上了。无人机只有不断探测周边环境障碍物的距离，才能获得更安全和稳定的飞行轨迹。在这个问题上，仿生学又开始发挥其独特的魅力了。昆虫视觉依赖于复眼，这是由指向不同方向的视觉感受器所组成的，优点是视野非常大。但复眼只有定焦，分辨率低，与人眼相比，双目重叠率低，因此无法采用立体视觉来进行距离判定。昆虫为了完成在复杂环境中的安全飞行，是依靠影像的移动来判定周边环境的相对位移（也称为视觉流）。在地面车辆中，一般采用声纳、红外和激光测距仪等距离传感器测距，但这种测量需要主动向周边环境发射能量。而利用视景技术（Vision）则对小型无人机来说可能更是一种很有前途的传感器形式，由于是接受被动光，不需要主动向环境发射能量，在相同条件下还可以收集更丰富的信息，视野也变得更宽。有人根据生物模型的启示提出了仿生控制法，不断调整飞行速度和高度而维持稳定的视觉流信号，这根本不需要采用什么专用传感器来测量绝对速度，从而消除了一个可能的误差来源。

无人机的主动自主权还包括协调多架无人机的飞行，这对传感、通信和控制方面提出了更高的要求。虽然鸟类感知其他鸟类的存在是非常容易的事儿，但要让无人机感知其他无人机位置却是非常有挑战性的。在室内环境中，红外线双向通讯用于近距离检测的技术已经非常成熟，但这种只有数米范围短距离应用不可能用于户外环境。因此，目前能在室外应用的多架无人机的协调飞行主要还是依赖相邻无人机GPS坐标的无线电通信。另外，如果能感知相邻无人机引擎所发出的声音方向和强度，则在夜间或在大雾天气可以补充或取代视觉线索的不足。

隐私、安全与未来

自拍神器在各大景区相继上演，手机自拍也成为一个新热点，但这个热点还未退却，据说小型无人机自拍的“暗流”已开始在欧洲涌动，一些欧洲人已用无人机为家庭派对或外出旅行制作视频，是真正“会飞的照相机”，这已经引发了一轮又一轮的隐私争议。显然，要发挥小型无人机的社会经济潜力，不仅仅是将科技进步转化为可靠的产品，还需要一个监管框架。要让人们感觉在完全保险的条件下合理运转，避免隐私泄漏和安全性问题。然而，大多数国家到目前为止似乎对无人机的使用仍缺乏明确法律监管。

目前要将小型无人机的使用从小众市场扩大到广泛的民用市场，就取决于这两个相关的先决条件：在指定空间的自主飞行能力和安全策略，以及取消“在监管人员视线范围之内”的法律要求。例如，美国联邦航空管理局（FAA）于2013年颁发了一个民用无人机逐渐融入国家空域系统的路线图，但在可预见的未来，无法让无人机真正自治，还需要专业操作人员的操作。

中国作为无人机的生产大国，似乎也缺乏对无人机管理方面的明确规定。当然，无人机的出现所暴露的问题是极其明显的，人们要么接受，要么拒绝。我们这个时代本来就是一个在隐私暴露和透明度缺失中权衡的时代。技术的超越，会增加透明度，给人们带来更多的好处，关键是这些技术所带来的好处是否值得我们在隐私权上做一些让步。个人如果总是以隐私权问题来拒绝新技术的使用，就等于选择脱离现代生活。另外，我们也应该看到，任何技术从根本上讲都是有弱点的，许多坏人也同样拥有超乎寻常的创造性，任何系统都有可能被黑客攻击或者被滥用，但这些因素从来没有阻碍人类对新技术探索的步伐。大力发展无人机技术，开拓无人机的商业利用价值似乎是大势所趋。

今天已经成型的商用无人机虽然还需要在训练有素的人员监督下才能完成任务，还远没有达到无人机自主控制的能力，因而使得操作缓慢，功能难于扩展，更麻烦的是尚存在许多潜在危险。我们期盼科技的高速发展，可产生新一代的小型自主无人机，并能在合适的监管框架下完成这些远景。互联网实现了虚体之间的快速连接，而无人机将实现实体之间的快速互联。聪明的开发者在这个新的战场中究竟能挖掘出什么呢？可以预见，从助力现代乡村到给力智慧城市，凡是需要空中解决方案的地方，都将有无人机的一席之地，无人机应用无疑将滋生更广阔的蓝海商机，你准备好了吗？