无人自控与产业变局

记：老虎

齐：齐俊桐

齐俊桐，一飞智控（天津）科技有限公司创始人，曾是中科院沈阳自动化所最年轻的博导，现任天津大学机器人与自主系统研究所副所长、教授、博士生导师，以及中国指挥与控制学会无人系统专业委员会委员。

一飞智控（天津）科技有限公司，业内简称一飞，是一家专门研发无人机飞控系统的公司，兼向客户提供无人自动控制的系统解决方案。

记：您怎么就干了這一行，后来怎么又想起下海创业了？

齐： 我从小就有飞行梦，最爱玩的电子游戏都是飞行游戏。高中时空军招飞行员，我特别想去开飞机，结果视力不好被刷了下来。自己就想着既然当不了飞行员，是不是该去研究飞行装备？不过那时行业内还没有无人机的概念。

高中毕业，我考取了天津大学自动化专业，觉得这个专业应该和飞行、控制有些关系。同学们毕业去的单位基本也都是西门子这样的企业，以工业自动化控制为主。我觉得所学知识还搞不了飞机，搞一般的工业自动化控制又不是我的爱好，于是上大三的时候就去问国内工业机器人的摇篮——中科院沈阳自动化所。但得到的回答是：没有无人机相关的研究方向。

特别幸运的是，当时我的导师正好从美国回来，他从事的是无人机领域开创性的工作，那时国内相关研究基础基本是零。他问我愿不愿意干。我同意了，特别坚定，接着就是玩了命地准备考试，进沈阳自动化所时考了所里的最高分。

刚进研究所时，还没有现在流行的多旋翼无人机的概念。一开始，我们只能用电动模型直升机作为实验平台。实验经费也是从其他项目中匀出来的。没黑天没白天地干。2006年，我们的无人直升机实现自主悬停，能自主飞航线了。从这以后才拿到各种项目。大概就是这么一个过程。

说起创业，大环境方面，主要原因是无人系统自动化控制技术已经到了能够产业化的阶段。传统科研单位适合从0到1出成果的研发过程。而科研成果从1到N的产业化，则更适于由企业完成。

没太多别的原因，就觉得研究飞行控制特别好玩。看无人机飞起来就高兴。

记： 2012年12月，有一架无人直升机实施空中架线，首次成功跨越了淮河。解决方案是不是您牵头做的？

齐：对。这个架线项目当时从属于“皖电东送”特高压交流输电线路工程。当时架线无人直升机的起点是安徽淮南市，跨越段全长3 000多米，塔高约200米。

记：和传统方式比较，无人直升机架线的优势体现在哪里？

齐：传统意义上，如果电力架线涉及跨江、跨河，甚至跨铁路、公路，一般都要采取封航、封路等措施，有可能还要临时征用农民土地，对各方的附带经济损失都比较大，一旦工期因此拖延，成本就更高。

如果淮河封航，每小时成本当年就已经达到了十几万到二十几万人民币。而过去靠封航4-6个小时才能完成的任务，我们的无人直升机用29分钟就完成了。没有封航。节约了大量成本。

记：除了要保证无人机持续稳定的飞行姿态，还有哪些技术难点？

齐：高空架线，说起来很容易，仿佛就是让无人直升机拖着缆线导引绳过河，把绳子搭到两岸的电塔顶上就行了。实际上很难。架线作业完全靠无人直升机全自动操作，而且需要一次成功，没有演习的机会。

直升机不断往前飞，导引绳越来越长，绳子重量也越来越大，对稳定飞行姿态的扰动也必然加剧，实际在做变负载飞行。而且，电塔顶部宽度只有两米多。考虑到侧风影响，很有可能绳子搭不到塔顶上。解决办法是，我们在直升机尾部装上了摄像机，由它判定导引绳的摆幅情况，然后直升机会根据所获得的实时数据自动调整飞行姿态。

在直升机上我们还加装了力学传感器，一旦拖拽的绳子被意外卡住，随着绳子变紧，直升机受力也就跟着变大。这时相应数据就会通过传感器传递给直升机。受力达到一定程度，伺服装置就将启动，剪断绳子，保障直升机的飞行安全。

当时还有一个问题，施工电塔边上还有一条带电运行的平行线路，相距仅几十米，可能对无人直升机的控制系统产生电磁干扰。所以我们的飞行控制方案最终关注了两方面，一方面是架线的技术，另一方面是抗电磁干扰的技术。

记：那次成功作业后，有什么心得？

齐：新技术还是会推动产业的变化。我们做所有事的目的就是希望用自动化的设备，改变传统产业的作业模式。比如在精准农业领域。

记：您讲讲农业方面的应用吧。

齐：精准农业也是一飞重点关注的市场领域之一。2011年的时候，我们跟着科技部一个农业信息化的考察团，去新疆看联合收割机、自动播种机这些自动化机械。但是农业喷药领域，自动控制技术才刚起步。传统机械喷药，农机一下地，作物要损失10%-30%。如果靠农民人工喷药，他们身上要穿防护服，同时还要被太阳晒着，特别辛苦。当时我就觉得，无人控制的自动喷药，是不是适合这样的环境？而且当时日本已经用无人机去喷药了，但有关技术对中国实施禁运。我们下决心，要把喷药这个环节的问题解决掉。我们现在做的就是让无人机喷药越来越简单，越来越智能，让人工操作越来越少。

现在播种机、收割机都有自动化设备，不用人开，用北斗卫星实施导航定位。未来精准农业啥样说不好，有可能那时对着大屏幕种地就可以了。用什么专业设备，只需点一下屏幕。无人机完成任务后能自动飞回来，加药、换药、换电池。

如果在有生之年能够推动一个行业的变革，我觉得是一件特别兴奋的事儿。

记：这两年，貌似农业植保无人机概念被炒得很热，但成熟的无人机产品并不多。复杂地形、复杂气候、不规则地块……考验控制算法的研发实力。

齐：是的。从2013年开始，极飞、大疆等业内比较大的公司都开始推出类似的无人机概念。但是真正的无人机元年，我认为从2017年下半年才算开始，农业植保无人机可以干活了。之前那段时间，业内很多同行都有类似的感受，飞行控制技术还不算成熟，农民也不接受。endprint

今年我们已经能从后台看到前方无人机的作业情况，而且也真的派出作业队去实地干活。前年，一天喷药最多200亩，大家已经很累了，回来一算账还是赔钱的。而今年在新疆，作业量已经能够达到800亩一天。飞行控制技术更成熟了，而且作业人数也在减少，800亩地只需一个人操纵无人机，能保证有盈利。

任何技术应用都是由简单向复杂转变的。现在像在新疆这种大地块作业，无人机控制几乎没有任何问题。作业者只需在手机上划出一个区域，无人机自己就把活儿干了。然而无人机毕竟要应对更复杂的环境。比如梯田，以及地势有起伏的地区，这时就要依靠雷达、超声、激光等传感器，让无人机能够判断高度，适应地块的走势，这个问题现在已经基本解决。

如今，无人机判断前后方向的障碍，还存在一些瓶颈。现在能做到10米开外、10厘米大小以上障碍物的判别，还是比较粗糙的。雷达等传感器还不能完全让无人机避开所有障碍物。细小一些的，如电线，无人机就看不到。

记：像突然出现的树枝、电线，无人机靠什么判定它们？会不会影响到飞行作业？

齐：现在针对这些细小的障碍，无人机传感器技术还有待质的提升。但也无需过分担心。无人自动化控制技术没有天花板，其他领域的技术成果可以快速借鉴引用，如无人驾驶汽车等技术。

现阶段为了保证无人机能够正常作业，可以实施人工干预，进行补救。事先按一下记录设备，把无人机暂时看不见的障碍物方位一一记录下来。然后在规划线路时，告诉无人机这里有障碍，基本就可以了。任何一种技术都体现这样一种发展规律，从简单到复杂。无人机控制技术的思路没有问题。该解决的技术问题，只要有需求，市场迟早会自动解决。

记：所以核心还是飞行控制。貌似不少无人机的飞控算法都是开源的。您对业内现状有哪些心得？

齐：各类开源飞控，成本较低，厂商出整机产品也比较快，但人们往往只关注应用层面的“开发”，很少去研究底层代码。出于通用性考虑，目前开源飞控经常号称既适合固定翼飞机也适合旋翼机，实际功能定位其实很粗糙，底层冗余代码特别多，占用了大量系统资源，影响整机性能。很多消费级无人机生产企业已经活不下去，最大的问题就是产品质量问题。采用某些开源飞控，无人机飞炸了机，大家也找不着问题出在哪儿。比较之下，做的比较好的企业，特别是在工业级无人机领域，程序代码都是自己写的。

我们飞控程序的代码都是靠自己一个字一个字码起来的。坚持下来，很有收获。每一个代码我们都能理解它的意义所在，对工作的理解也就更深更透。针对不同用户的需求，我们改进更新的速度就会非常快，一旦出什么问题，做出的判断也会非常准。

现阶段，国内无人机市场还是场马拉松比赛，选手一两年内还不能分出胜负。

记：在无人机培训领域，公司有无考虑？

齐：我们做事的目的，就是希望技术能够推广。无人机，特别是工业级无人机，产业链很长，显然只做产品是不够的，没有合格的人不行。已经有一些单位在进行飞手培训，让他们知道一些基本的无人机操作知识。但针对不同行业的具体需求，实际还需要有二次培训，现在基本由作业队、无人机厂商负责。目前，培训大部分都是依靠教练，就像10年以前驾校里“师傅带徒弟”的模式，每个教练的尺度都不一样，学员水平也就参差不齐。这是因为没有客观的检测设备或检测标准。

所以有厂商就跟我们提出了问题，由我们负责开发培训评估的技术标准。就像现在的驾校，如果倒车时撞杆，系统就会自动判别不合格。无人机培训手段也类似，要做成程序化、标准化、可测量的、可追溯的，形成统一标准。这样也可以为将来人员培训提供技术保障。比如你操作的无人机在飞行的时候，我这边就会自动记录飞行轨迹，并判断最大速度是否过量……这些都要靠数据分析做出评判，是非常中立客观的一套东西。无人机培训市场，“无人”，一定是未来的发展方向。

记：现在业内有各种无人机的“云”概念，一飞的理解是什么？

齐：各类云概念出发点不一样。比如，航管部门可能更重视监管功能。我们干得更多的事儿是和业务相关的，更重视作业应用。当然我们通过云平台，完全可以实现无人机的双向控制。一旦有无人机违规飞行，我能让它降下来。

一飞几年前就已经开发云平台了。我们通过自己的云平台，不但可以看到各类无人机在哪儿，更能实现大数据挖掘功能。每架无人机作业时都会回传很多信息，速度、高度、震动情况……我们就可以从这些信息中挖掘出很多有用的东西。比如，我们可以告诉客户无人机的即时状态，是否已经过载，药是不是加多了，是不是哪个螺丝松了，是不是该保养了。通过大數据，我们还可以知道哪些地块需要喷药，需要多少无人机与之匹配。喷药速度、数量、浓度、效果等等，都一一可查。也就是从数据的角度发现数据的价值。

记：一飞的云平台现在规模有多大？

齐：已经有几千架无人机在云平台上运行。将来的无人机，可能仅仅是数据终端而已。当大家都能够飞的时候，网络才能带来更大的效率和优势。和手机上的滴滴打车软件道理是一样的，手机连接成网，产生最大效益，让打车人知道哪有出租车，让出租车司机知道哪有需求。拿着100架无人机，不知道哪里有需求，是没有意义的。反之，手里掌握需求，却没有无人机，也不行。通过云平台，进行数据挖掘，最终就是要把这些信息融合到一块儿，极大地提高整个产业的效率。

记：一飞为客户提供无人机自主控制产品及解决方案，这期间收获了哪些经验？

齐：客户的机型装上我们的飞控设备以后，还要在我们这里完成测试。在这个过程中，我们发现客户选择的机型有的成熟，有的不太成熟，与客户就可以进行充分的沟通，了解他们对飞行器的需求。无形中，我们也积累了很多硬件方面的经验，知道什么样的飞行器构形是合理的。帮客户做事，给出建议，对我们而言非常值得。

记：一飞还把有人直升机改造为MQ-300这样的无人直升机，体会是什么？

齐：目前，我们还是专注于控制系统研发的一个公司。现实条件是，我们国情很复杂，一种机型不可能满足所有的环境。在新疆这样的大地块，10斤装药量的无人机，可能飞不到地头就得飞回来。而在丘陵山地，可能把大一点的无人机运到地头都成问题。将来一定是不同载荷无人机并存的时代，这也是工业级无人机相关研发的乐趣所在。所以，我们提供飞控产品和解决方案，还要注重适配不同的飞行器和客户需求。endprint