從黑科技到白科技的自主無人機

趙斌

在科幻小說中，有時為使劇情合理化編劇會空想出一些離奇的科學技術，但這些技術用當今的理論并無法解釋，稱之為“黑科技”。后來，這個詞在網絡上延伸，也泛指高科技發展后更強大的技術，或者現實中某些超乎尋常的厲害事物。在不知不覺中進入我們的生活，或者很快可能成為我們科研利器的無人機（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），似乎很有黑科技的味道。不過，現在看來，無人機的發展完全是建立在真實的技術發展基礎之上的，顯然我們可理直氣壯地稱之為“白科技”——昭然天下的嶄新科學技術。

說到無人機（也稱飛行機器人），大多人想象的一定是那些飛越數千公里執行間諜和作戰任務的現代國防工具。的確，這些飛行機器人，最早就是用于國防的。據說，從20世紀40年代就有了無人機的雛形，是二戰中用于訓練防空炮手的無人靶機，并隨著電子技術的進步在偵查任務中嶄露頭角。本世紀初無人機滲入民用，對社會許多方面的影響初見端倪，包括交通、通信、農業、減災和環保等領域。這是一個偉大的時代，也是機遇與困難并存的時代：這些小型無人機的發展，主要得益于微處理器、傳感器、電池和無線通信單元等電子元器件的小型化和低成本，使其原型和商業化成本直逼智能手機的價格；但是，要使無人機能在指定空間進行自主飛行，還存在巨大的科學與技術挑戰——無人機在空中飛行能量消耗巨大，還必須具備感知復雜環境的智能。

對于環境監測領域來說，航空、航天遙感一直被認為是“高大上”的設備，而如今小型無人機的發展，直接將具備類似功能的設備拖到“低矮挫”的行列，但我們卻非常欣喜有這種變化。裝備了攝像設備的小型無人機，模糊了航空、航天遙感與近地面遙感的界限：小型無人機能夠從地面幾米高處獲取圖像，彌補了衛星因天氣原因無法獲取，或者圖像分辨率低的不足；近地面遙感中，從車載設備獲取圖像的范圍是人類視角，在沒有道路的地方是無法進入的，而會飛的攝像機對這些問題顯然是迎刃而解的。

小尺寸、大麻煩、新挑戰

飛機的飛行過程是最耗能的環節，特別當設備的尺寸縮小時，相對的耗能會更明顯。設備尺寸減小，會減少電磁馬達的功率密度、降低傳動效率。較小的尺寸也意味著較低的雷諾數（雷諾數是表征流體流動特性的一個重要參數，其大小決定了粘性流體的流動特性。雷諾數小，意味著流體流動時各質點間的粘性力占主要地位.呈層流狀態；雷諾數大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流狀態），進而增加了黏滯力，產生更大的阻力系數，減少升力系數。

另外，尺寸問題在最基本的飛行自主性上也帶來很多麻煩：尺寸小，提供的能量不足，續航能力有限，整個飛行時間在數十秒到數十分鐘之間，無法執行高級任務，與載人的飛行器相比并不占優勢。飛行模式也因尺寸問題呈現出更多的挑戰，如空中懸停，不僅需要較大的能量供應，還需要可靠的控制能力，這些需求也隨設備尺寸減小變得更加困難。

然而，減少尺寸的最大好處是帶來了機動性。因此，小型飛機可以用室內控制系統和電腦進行實時跟蹤和控制。當然，這種增強的靈活性，是以犧牲開環穩定性（控制結果不反饋回來影響當前的控制系統）為代價的。內置傳感器和計算系統的自主無人機上實施這些行為也是一個重大挑戰，但目前顯然已經取得了期待的結果。

按需所取的功能定位

為了應對這些挑戰，無人機開發者只得平衡各種取舍，從系統水平考慮整體設計，出現了形態各異的無人機。其中，最常見的形態包括：常規固定翼飛機（固翼機）、旋轉翼飛機（旋翼機），以及仿生設計的撲翼飛機（撲翼機）。瑞士senseFly公司出產的電動航測無人機電子黃蜂（ eBee）就是一種固翼機（圖1），能夠快速飛行，但不能懸停。派諾特（Parrot）公司的四軸飛行器AR.Drone 2.0就是一種旋翼機（圖2），可以懸停，具有高度的靈活性，但一般前行速度要慢許多。在自然界中，撲翼推進這種方式在飛行動物中很常見，是一種有效的飛行形式，但要將這轉化為功能性設計不是一件容易的事情。不過，研究人員現在已能有效地再現自然界許多不同的飛行方式了。如AeroVironment公司的仿生撲翼機納諾蜂鳥（Nano Hummingbird）（圖3）和哈佛只有80毫克的機器蟲（ RoboBee）（圖4），后者沒有內置的能源供給系統，需要拴在一個外部電源上飛行。還有一種可飛可滾的籠封機器人Gimball（圖5），由一個同軸雙螺旋核心組成，放置在一個解耦可自由旋轉的保護球籠中。

有了這些飛機，讓我們設想一個救援場景時這些無人機是如何組合起來進行救援工作的。在救援現場，一架eBee正在空中進行長時間（>40分鐘）飛行，一方面提供救援區的鳥瞰圖像，另一方面為地面救援人員提供通信網絡；一架具有懸停功能的AR.Drone 2.0在檢查建筑等的裂縫和滲漏情況，另一架AR. Drone 2.0從附近的醫院送來了醫療用品；撲翼機編隊RoboBee正準備進入建筑物中尋找化學危險品；籠封機器人Gimball已經深入復雜建筑內部時而飛行，時而滾動，努力尋找生命跡象。

除了不同無人機可以組合起來完成更復雜的功能，還可以考慮單架無人機將空中與地面功能結合起來。比如，讓無人機降落在墻壁和電線上，可更長時間從有利位置監測環境，同時節約能源消耗。無人機在降落后可以在地上用腿移動，或者讓翅膀收起來。也許，未來的無人機可能會使用同一套驅動系統進行飛行控制和地面運動。空中飛行與地面移動所需的速度和轉矩是不同的，可根據具體情況調整翼的形態，這非常類似于吸血蝙蝠用它們強大的前肢進行飛行或行走（圖6）。另外，還可以在懸停無人機上增加輪子，或者在滾籠中嵌入推進系統，這種設計不僅允許無人機在地面上任何方向進行滾動，而且由于轉子受到籠子的保護，也能與障礙物或人進行安全碰撞。

視景技術與自主性

與地面上行駛的車輛定位不同，無人機的位置必須是三維定位，而且還有一個飛行姿態的問題。因此，無人機不能完全依靠GPS信息按預定路線飛行。首先，GPS對高度定位并不準確，特別當飛機飛離地面，高度持續發生變化時，GPS所獲取的定位信息更是存在較大誤差。另外，穿行在城市、森林或建筑物中一般并不能獲得可靠的GPS衛星信號。即使有可靠的GPS信號，為了進行無障礙的飛行，無人機還必須結合精確的三維測繪地圖。可惜的是，如火如荼發展中的汽車導航數字地圖對于無人機來說幾乎沒有什么用，因為這樣的地圖是根據地面道路整理的，并不包括三維信息（自然結構體、建筑物、橋梁、電纜、電線桿等的高度），也不可能保證及時更新地面景觀高度的變化。因此，要實現小型無人機在低空的自主飛行，更重要的是復雜的自主控制能力和額外的傳感器，GPS只是起輔助作用。

于是，人們對小型自主無人機的大多努力，就集中在實現自主反應上了。無人機只有不斷探測周邊環境障礙物的距離，才能獲得更安全和穩定的飛行軌跡。在這個問題上，仿生學又開始發揮其獨特的魅力了。昆蟲視覺依賴于復眼，這是由指向不同方向的視覺感受器所組成的，優點是視野非常大。但復眼只有定焦，分辨率低，與人眼相比，雙目重疊率低，因此無法采用立體視覺來進行距離判定。昆蟲為了完成在復雜環境中的安全飛行，是依靠影像的移動來判定周邊環境的相對位移（也稱為視覺流）。在地面車輛中，一般采用聲納、紅外和激光測距儀等距離傳感器測距，但這種測量需要主動向周邊環境發射能量。而利用視景技術（Vision）則對小型無人機來說可能更是一種很有前途的傳感器形式，由于是接受被動光，不需要主動向環境發射能量，在相同條件下還可以收集更豐富的信息，視野也變得更寬。有人根據生物模型的啟示提出了仿生控制法，不斷調整飛行速度和高度而維持穩定的視覺流信號，這根本不需要采用什么專用傳感器來測量絕對速度，從而消除了一個可能的誤差來源。

無人機的主動自主權還包括協調多架無人機的飛行，這對傳感、通信和控制方面提出了更高的要求。雖然鳥類感知其他鳥類的存在是非常容易的事兒，但要讓無人機感知其他無人機位置卻是非常有挑戰性的。在室內環境中，紅外線雙向通訊用于近距離檢測的技術已經非常成熟，但這種只有數米范圍短距離應用不可能用于戶外環境。因此，目前能在室外應用的多架無人機的協調飛行主要還是依賴相鄰無人機GPS坐標的無線電通信。另外，如果能感知相鄰無人機引擎所發出的聲音方向和強度，則在夜間或在大霧天氣可以補充或取代視覺線索的不足。

隱私、安全與未來

自拍神器在各大景區相繼上演，手機自拍也成為一個新熱點，但這個熱點還未退卻，據說小型無人機自拍的“暗流”已開始在歐洲涌動，一些歐洲人已用無人機為家庭派對或外出旅行制作視頻，是真正“會飛的照相機”，這已經引發了一輪又一輪的隱私爭議。顯然，要發揮小型無人機的社會經濟潛力，不僅僅是將科技進步轉化為可靠的產品，還需要一個監管框架。要讓人們感覺在完全保險的條件下合理運轉，避免隱私泄漏和安全性問題。然而，大多數國家到目前為止似乎對無人機的使用仍缺乏明確法律監管。

目前要將小型無人機的使用從小眾市場擴大到廣泛的民用市場，就取決于這兩個相關的先決條件：在指定空間的自主飛行能力和安全策略，以及取消“在監管人員視線范圍之內”的法律要求。例如，美國聯邦航空管理局（FAA）于2013年頒發了一個民用無人機逐漸融入國家空域系統的路線圖，但在可預見的未來，無法讓無人機真正自治，還需要專業操作人員的操作。

中國作為無人機的生產大國，似乎也缺乏對無人機管理方面的明確規定。當然，無人機的出現所暴露的問題是極其明顯的，人們要么接受，要么拒絕。我們這個時代本來就是一個在隱私暴露和透明度缺失中權衡的時代。技術的超越，會增加透明度，給人們帶來更多的好處，關鍵是這些技術所帶來的好處是否值得我們在隱私權上做一些讓步。個人如果總是以隱私權問題來拒絕新技術的使用，就等于選擇脫離現代生活。另外，我們也應該看到，任何技術從根本上講都是有弱點的，許多壞人也同樣擁有超乎尋常的創造性，任何系統都有可能被黑客攻擊或者被濫用，但這些因素從來沒有阻礙人類對新技術探索的步伐。大力發展無人機技術，開拓無人機的商業利用價值似乎是大勢所趨。

今天已經成型的商用無人機雖然還需要在訓練有素的人員監督下才能完成任務，還遠沒有達到無人機自主控制的能力，因而使得操作緩慢，功能難于擴展，更麻煩的是尚存在許多潛在危險。我們期盼科技的高速發展，可產生新一代的小型自主無人機，并能在合適的監管框架下完成這些遠景。互聯網實現了虛體之間的快速連接，而無人機將實現實體之間的快速互聯。聰明的開發者在這個新的戰場中究竟能挖掘出什么呢？可以預見，從助力現代鄉村到給力智慧城市，凡是需要空中解決方案的地方，都將有無人機的一席之地，無人機應用無疑將滋生更廣闊的藍海商機，你準備好了嗎？