小热闹背后的大门道

2018-04-16落星

航空知识 2018年1期

落星

南京航空航天大学代表队的“驭风”无人机获得创意赛大奖

浙江安吉，三面青山环绕，翠竹碧绿，入眼皆是美景。澄澈的西苕溪穿城而过，滋润着城市和城市里的人们。安吉县北部的天子湖镇，更是一座山川毓秀，风景宜人的乡村小镇。每年的11月初，小镇的宁静总被来自五湖四海的航空爱好者打破，他们相约于此，展开一场科技与梦想的竞技。

2017年11月10日，“航空工业杯”第五届国际无人飞行器创新大奖赛如约而至。大奖赛每年一届，以“创新+科普”为主题，集科技、趣味、娱乐于一体，共设立竞技赛和创意赛两个竞赛单元。双数年为“小年”，只举办竞技赛;单数年为“大年”，同时举办竞技赛与创意赛。今年的大奖赛适逢“大年”，我们有幸既能观赏到竞技赛选手之间的强强碰撞，又能欣赏到创意赛选手天马行空般的灵感之光。

固定翼赛场竞技穿越展伸手

随着裁判员的一声令下，一架固定翼无人机在跑道上滑跑后顺利起飞，并以极快的速度到达障碍门前，依次穿过方形门洞、绕过带有方向指示器的障碍柱。随着无人机完美完成四次穿越后又回到起跑线，南京航空航天大学的“羲和队”完成了他们的第一轮预赛，并在开赛首日以7秒45的成绩创造新的单程穿越纪录。

固定翼竞技赛的比赛任务为“竞技穿越”，比拼完成任务的速度。全程要求无人机自主飞行，按顺序穿越门洞，并按指示方向机动绕过障碍柱后，安全自主着陆。这就要求给无人机装上“大脑”，不仅能飞上天，还要会思考，能够自动识别障碍物，并制订出最佳规避方案，真正实现来去自如。随着无人机应用领域的不断扩展，为了减少因操作失误而带来的各项损失，对无人机自主避障能力的要求大大提高。

比赛首日，8支代表队中共有5支队伍顺利完成任务，且用时较短，但这并不意味着该项目难度不高。碰到障碍物要绕开，这是最简单不过的道理，一只小狗，一只小猫都知道，但是要让一架“机器”具备猫狗那样的智慧，就不是一件轻而易举的事情了。该项目考察的正是无人机的自主避障能力，即无人机“大脑”的聪慧程度。那无人机的“大脑”是如何工作的呢？据了解，无人机的自主避障技术主要分为雷达系统、超声波声呐技术、TOF（飞行时间技术）、图像识别技术等四种技术类型。此次比赛的参赛队伍大都采用图像识别技术，即通过高清摄像机拍摄高分辨率图像，然后借助图形处理器分析每一帧图像中是否存在障碍物，自主判断是否改变航向。据南航“羲和队”参赛选手介绍，由于飞行速度极快，留给无人机“大脑”进行图像识别的时间只有短短几秒，必须在几帧图像中迅速识别出红绿灯，这相比起静态识别，难度大大提高。为了提高图像识别的准确率，他们将无人机采集到的高清图像传输回地面控制系统，利用地面计算机的图形处理器进行图像识别，大大提高了识别的准确率。

固定翼无人机穿越方形门洞

旋翼赛场精准农业较高下

旋翼竞技赛的比赛任务为“精准农业”，该项目模拟的是无人机进行农药喷洒作业的场景。作业区由一块指示农作物灾害区域的数码显示屏和模拟农作物状况的绘制屏组成，绘制屏上绘有10个代表不同区域的数码框，数码框内随机分布着0到9十个数字。当数码显示屏上显示出某个数字，即代表绘制屏上相应数字指示的区域发生了虫害，无人机需要通过自主识别，判断绘制屏上发生虫害的区域，并对其进行施药。

比赛现场，一架旋翼无人机接收到起飞指令后，悬停在数字显示屏前。50秒后，第一个数字出现了，无人机却迟迟没有动作，一直停留在显示屏前面……（这是被安吉的风景迷倒了吗？）时间一分一秒过去了，第二个数字出现了，无人机还是没有动作。最后，参赛选手不得不切换到手动模式，这等于宣告弃权。遗憾的是，比赛首日大多数参赛无人机都没能准确识别出数字，更无法在指定区域喷洒作业。

“精准农业”考察的是无人机的飞行稳定性和目标识别能力，在后续两天的赛程中，虽然经过程序调整，也只有为数不多的参赛队能够正确识别数字。最终，沈阳自动化研究所的“多旋翼队”精准完成了所有的“农药”喷洒任务，夺得本次旋翼竞技赛大奖。“多旋翼队”选用的无人机平台为八旋翼结构，相较于小型四旋翼平台，飞行更加稳定且载荷更大。赛后“多旋翼队”的参赛选手表示：“我们的视觉识别系统相对于其他团队更加快速，稳定。通过设计优化算法对目标物的定位信息进行优化，得到最精确的目标物信息，从而提高喷洒精度”。

长期以来，农业植保工作多依赖人工，费时费力，工作效率低。随着无人机技术的不断发展，空中无人化农药喷洒方式渐渐进入人们的视野。要实现无人机精准作业，如何检测识别出田间的病虫害，进而针对不同的病虫害进行精准喷洒农药是无人机需要解决的重要难题。同时，无人机如何感知风向、风力、地形、地物进而调整飞行姿态，准确的将农药喷洒在植被上，也是不容小觑的问题。只有解决这些难题，才能在田间真正实现无人机作业。

多旋翼无人机正在给“果树”喷洒农药

创意赛场脑洞大开拼技术

“飞机小半径筋斗后进入大迎角拉起，失速、尾旋，一圈，两圈，三圈，尾旋改出。大家请看！飞机完成了筋斗动作，緊接着，‘苍鹭验证机几乎在原地实现了180度掉头转弯。”来自南京航空航天大学的“苍鹭队”参赛选手正在对他们设计的飞机进行解说，这是一架前体涡流动控制高机动性验证机。参赛选手在无人机的头尖部安装了只有半个指甲盖大小的可控微小扰流片，让机头变成了一个虚拟的方向舵，达到了四两拨千斤的效果，才实现了无人机在空中完美的姿态展示。这就是创意赛的比赛现场，一个小小结构部件的创新就能掀起一场技术变革。

创意赛的比赛分为专业组和非专业组分别进行，鼓励和倡导一切形式的航空科技创新探索。参赛选手脑洞大开，设计出的无人飞行器形状千奇百怪，功能五花八门，但这一切的创意都是以理论知识作为支撑的。2015年创意赛大奖的获得者南京航空航天大学时隔两年，带着他们的新作品，气动矢量喷管控制无舵飞行器——“驭风”，王者归来，再次捧获大奖。作为国内首架仅仅应用高性能气动推力矢量喷管即可同时实现俯仰、滚转与偏航控制的飞行器，“驭风”获得创意赛大奖，算得上实至名归。

在安吉上空飞行的“蜂群编队”是创意赛的另一个看点。“蜂群”作战并不是新鲜事物，早在13世纪蒙古人远征作战时就出现了。“蜂群”作战能够发挥出远超个体累加的战斗力，通过协同实现整体能力的放大，达到1+1>2的效果。西北工业大学“瓜大动力队”的选手们带来的“单兵携带察打一体子母机”，是一款用于打击恐怖分子的单人携带侦察打击一体的无人机，具有携带方便，打击费用低的特点，可以大范围推广应用。另外，由于是子母机的组合，子机体积小，在打击的时候隐蔽性很强，适合打击躲在障碍物或建筑物中的恐怖分子。无独有偶，南京航空航天大学“翱翔蓝天队”研发的“异型异构无人机”，实现了固定翼和多旋翼无人机的协同飞行，固定翼和旋翼之间通过自组织网路进行通信和数据交换，可以有效的实现位置感知和对内避撞，适合战场环境使用。同时能够协同多种飞行器多种队形共同飞行，实现多样化目的，提高工作、作战效率，初步实现“母机带子机”的作战模式。无人机蜂群编队技术在军用领域的应用价值巨大，如果能将这些创意加以验证，并进一步应用于军事领域，想要改变战争规则的梦想就有可能实现。

创意赛赛场上，选手们不仅关注军事领域，在民用领域也不断推陈出新。桂林航天工业学院“空海救援队”带来的“水上漂无人机”聚焦于水面救援领域。作为本赛事最受关注的作品之一，由于“水上漂无人机”需要在水面上进行展示，裁判和观众们欣然移步到池塘边，观看他们的表演。只见体积庞大的无人机起飞后不断在空中盘旋，搜寻落水者。当发现落水者后，“水上漂无人机”缓缓下降，“砰”的一声落入水中，而后改变动力模式，搭载落水者离开。救援无人机应用无人机的高速飞行性能，以及高空独具的开阔视野，能够第一时间快速准确地找到落水者。相比起向落水者空投自动充气救生装具的救援方式，“水上漂无人机”水面救援采用无人机搭载的船体，能够在水面上灵活航行，主动性强，不受风力和水流的影响，且可同时救援1到3个成年人，救援效率和成功率都更高。这样的设计在创意赛赛场上并不是一支独秀，西北工业大学带来的“天龙一号”，可以不受城市中狭小街道和密集建筑群的影响，快速地投入火场作业中。随着无人机愈发普及以及技术水平的完善，它们在抗灾救援中发挥的作用越来越大。但是，救援无人机在续航能力、挂载能力以及稳定性方面还存在技术短板，只有解决了这些技术短板，无人机才能在抗灾救援方面发挥更显著的作用。