自主無人機進軍支線貨運市場

X 翼已瞄準支線貨運市場，正在將一架塞斯納208B“大篷車”多用途渦槳飛機改裝成物流無人機。在自動化技術升級中，該公司為“大篷車”安裝了本公司數字化自動駕駛儀，采用感知與規避系統實現無人機防撞。接下來X 翼將開展無人機適航審定，未來實現無人貨運運營，取消飛行員。

電子商務的發展正在擴大快遞物流的需求，為一些初創企業帶來了市場機會，這些公司希望采用電動技術和無人機等創新手段改變支線航空貨運經濟。

塞斯納208B“大篷車”（208B Grand Caravan，下稱“大篷車”）飛機在支線貨運市場頗受歡迎，位于美國舊金山的初創公司X翼（Xwing）已選定“大篷車”進行無人化改裝，期望通過取消飛行員來降低運營成本，提高運營效率。

2020年X翼已完成A輪融資，募集資金約1400萬美元。這家初創公司正在對一架無人化改裝的“大篷車”進行自主飛行測試，它將成為X翼公司首型商用無人機。X翼已獲得第135部航空承運人合格證，正在計劃啟動支線貨運業務。在提供無人空中物流服務初期，“大篷車”會有飛行員，為后期改裝的無人機適航審定收集數據。

目標市場

X翼的目標定位是支線貨運市場，現在美國支線貨運市場，僅聯邦快遞（FedEx Express）一家就運營超過300架“大篷車”。根據X翼公司計算，如果將“大篷車”多用途渦槳飛機改裝為可選駕駛模式的飛行器，一名飛行員可在地面遠程管理多架飛行器，飛行員利用率提高3倍，運營成本降低20%～30%。

X翼首席執行官馬克·皮耶特（Marc Piette）表示，傳統支線貨運物流運營中飛機和飛行員的利用率都很低，通常是早上飛行一次、晚上飛行一次。如果由操控員在地面操控無人機，一名操控員每天可以操控三架無人機，完全可以解決飛行員利用率低的問題，但在初期運營階段，X翼只允許一位操控員操控一架無人機。

X翼預計，通過航跡優化獲得最高運營效率的航線，使無人機更精確地飛行，還能大幅降低燃油成本。此外，拆掉飛行員所需的系統，“大篷車”無人機將能運載更多貨物；當操控員休息時，減少傳統地理條件的限制。

圖2 X 翼公司技術人員正在進行無人化改裝工作。

無人化改裝技術

X翼正在采取務實的做法，目標是以最短時間，將最少的技術應用到無人化改裝的“大篷車”，使其盡快融入國家空域系統，這項工作不會耗費十年，而是半年、一年或兩年內即能擁有無人化改裝技術。

自2019年12月以來，X翼公司無人化改裝的“大篷車”已完成70多次從起飛到降落的自主飛行。

集成“自主飛行”系統

在“大篷車”無人化改裝中，X翼使用了本公司“自主飛行”（Autoflight）系統，在該系統中，一套多傳感器感知與規避（DAA）系統匹配了一套新型數字化飛控系統（FCS）。“自主飛行”系統能實現無人機從起飛到降落的自主飛行，具有自動防撞功能。據X翼首席技術官馬克西姆·加里爾（Maxime Gariel）介紹，2020年夏天該公司已為“大篷車”增加了自動滑行和剎車功能。

多傳感器感知與規避系統集成了廣播式自動相關監視系統（ADS-B）、機載雷達、攝像機和激光雷達傳感器以及數字地形數據庫收集的數據，可提供空中和地面態勢感知。當與全權數字式自動駕駛儀耦合時，可提供自動防撞功能。

圖3 多傳感器感知與規避系統安裝在“大篷車”支柱與機翼的連接處。

圖4 攝像機影像包括地形數據、飛行符號和目標航跡。

多傳感器感知與規避系統有兩組傳感器，安裝在“大篷車”支柱與機翼的連接處。每組傳感器有兩部視覺攝影機，一臺雷達和一臺激光雷達，一臺紅外熱成像儀，安裝在左機翼，一部遠程攝影機，安裝在右機翼，這些設備為“大篷車”提供+/- 110°方位角視場。

多傳感器感知與規避系統利用廣播式自動相關監視系統收集的數據，識別裝有應答機的飛機，使用雷達探測和跟蹤障礙物，攝像機用于再次確認廣播式自動相關監視系統和雷達探測到的目標，在進近、降落和滑行過程中為GPS提供支持，激光雷達用于探測地面障礙物。

影像數據技術

地面遠程操控員或機上飛行員可在顯示屏觀看攝像機拍攝的影像，顯示屏能呈現廣播式自動相關監視系統和雷達提供的地形信息、平視顯示器符號和航跡數據。點擊觸摸屏可將3D影像旋轉360°，查看飛行器后方和攝像機拍攝范圍之外的交通情況。在顯示屏下半部，視圖自上而下顯示飛行器的位置、當前飛行航線、警戒線和安全飛行航跡帶。X翼根據行業共識標準，采用610m的避讓距離調整飛行器飛行。

視覺系統在飛行的同時采集數據，便于X翼利用傳統傳感器來訓練多傳感器感知與規避系統。X翼稱現在還未依賴視覺系統，未來將提高“大篷車”的可靠性，不再使用視覺系統并降低成本。

軟件及硬件開發

X翼使用現有組件開發了原型機系統，這樣可以集中資源快速開發軟件。目前正與航空航天供應商伙伴合作，開發認證型多傳感器感知與規避系統和數字式飛控系統硬件，以及相關的數據鏈和地面控制站。

技術合作

在美國國家航空航天局（NASA）的一個項目支持下，X翼公司正在與旋翼機制造商貝爾合作，2020年已將多傳感器感知與避撞系統安裝于貝爾APT 70貨運無人機，以開展無人機融入國家空域系統演示驗證。

圖5 APT 70貨運無人機安裝X 翼公司感知與避撞系統開展演示驗證。

圖6 X 翼改裝的“大篷車”在舊金山附近自主著陸。

推進適航審定

X翼公司計劃啟動商業運營時，首先為“大篷車”配備飛行員，并使用多傳感器感知與規避系統向飛行員提出規避操作建議，由飛行員選擇是否采用。獲得美國聯邦航空管理局（FAA）補充型號適航證后，再認證數字化飛控系統，最后認證全耦合系統并實現無人機自主飛行。

首席執行官馬克·皮耶特表示，X翼首先啟動“機上有飛行員”的商業運營，部分原因是能讓該公司完成輕型飛行器的補充型號適航審定（STC），在這些已取證的商用飛行器上加裝多傳感器感知與規避系統收集數據，以后更容易開展無人機適航審定。在接下來的時間里，X翼將讓機上飛行員收集大量數據，一旦獲得足夠的數據，便與美國聯邦航空管理局合作開展無人機適航審定，然后取消飛行員。