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羅上尉設計制造的世界首架無人機
飛行魚雷
二戰(zhàn)期間英國使用的無人靶機
在最近一段時間的新冠肺炎疫情防控工作中，無人機發(fā)揮了許多作用，受到人們的廣泛關注。
無人機是無人駕駛飛機的簡稱（英語簡稱UAV），個頭可大可小。從最初的雛形誕生至今，無人機已經(jīng)走過了一個世紀的發(fā)展歷程，但無人機真正走進我們的生活，在娛樂、環(huán)保、交通等領域大展身手，不過是最近十年的事。
1.百年前先驅探索
19世紀，無線電的發(fā)現(xiàn)和運用給人們遠距離控制機器的運行創(chuàng)造了可能。1898年，物理學家特斯拉向人們展示了通過無線電遙控一條模型船的航行，從而首次實現(xiàn)了遙控技術的應用。當飛機被人們發(fā)明出來并在第一次世界大戰(zhàn)中得到應用后，發(fā)明家們開始嘗試將遙控技術與飛機結合，制成一種無須飛行員親自駕駛的飛機。
早在1909年，美國工程師就發(fā)明了一種名叫“陀螺儀”的裝置，可以測定飛機的飛行方向及機身正以什么樣的姿勢在空中飛行。這種裝置是現(xiàn)代飛機自動控制和慣性導航系統(tǒng)的核心組成部分。這種裝置出現(xiàn)后，美國海軍對此很感興趣，希望以此為基礎研究一種不需要飛行員駕駛的飛行器。當時，美國海軍將其稱之為“飛行魚雷”。為了提高飛行魚雷的導航精度，美國西部電器公司還為它開發(fā)了專用的無線電導航系統(tǒng)。飛行魚雷是無人機最早的雛形之一，而慣性導航與無線電控制技術，至今仍然是遙控無人機的核心技術。
1917年，英國皇家飛行隊的羅上尉制造了一架遙控飛機。這是一架木制結構的飛機，通過安裝在卡車上的彈射裝置起飛。羅上尉本希望可以通過遙控的方式，讓飛機平穩(wěn)飛行一段時間，但在實際的飛行表演中，飛機剛剛起飛就失控了，僅僅飛行了一小段距離便墜落到了地上。雖然試驗遭遇失敗，但由于飛機在飛行過程中的確響應了羅上尉通過無線電發(fā)出的控制信號，因此這次試飛仍然被視為是無人機技術的發(fā)端。
2.戰(zhàn)場上初露鋒芒
飛行員在進入戰(zhàn)場作戰(zhàn)前，需要像使用槍支的射手射擊靶子一樣，在訓練中實際攻擊天空中的靶機，來提升自己的作戰(zhàn)技能。地面的高炮防空部隊也需要用靶機進行訓練。在兩次世界大戰(zhàn)期間，美國、英國和德國都開始了將無人機作為靶機的嘗試。美國軍方還發(fā)現(xiàn)，無人機有可能方便快捷地在戰(zhàn)場上傳遞信息，代替當時還廣泛使用的傳令兵，并在之前飛行魚雷的基礎上研發(fā)了“信使”無人機。
1941年，美國海軍萌生了使用無人機攻擊敵人空中和地上目標的想法，研發(fā)了TDN-1和TDR-1型無人攻擊機。1944年9月至10月間，這兩種無人機在太平洋戰(zhàn)爭中小試牛刀，攻擊了日軍的堡壘和火炮陣地等目標，取得了一定戰(zhàn)果。
二戰(zhàn)結束后，無人機開始投入戰(zhàn)場偵察工作。世界上第一種實用型的無人偵察機是無線電控制的美國AN/USD-1戰(zhàn)場無人監(jiān)視機。這種飛機裝備有一臺可以在白天工作的光學照相機和一臺在夜間工作的紅外照相機，通過火箭助推器起飛，完成任務后釋放降落傘降落。但它拍來的照片還需要復雜耗時的處理和分析工作。
在冷戰(zhàn)和越南戰(zhàn)爭期間，美軍發(fā)現(xiàn)無人機除了照相外，還可以執(zhí)行另一種形式的搜索任務。無人機飛臨敵人控制的空域后，可以誘騙敵人的防空雷達開機，獲得防空雷達的信號特征。敵人的高炮、防空導彈、戰(zhàn)斗機在攔截無人機的過程中，也會將自身的部署情況暴露。一旦無人機被擊落，因為沒有飛行員駕駛，不會引起一系列的后續(xù)問題。在無人機第一次大規(guī)模實戰(zhàn)應用的越南戰(zhàn)爭期間，美軍在戰(zhàn)場上大量使用“火蜂”型無人偵察機執(zhí)行這方面的工作。在此期間，還催生出了直升機在半空回收無人機的技術。
3.新科技助力指令控制
進入上世紀80年代后，電子工業(yè)和航空工業(yè)的發(fā)展為無人機發(fā)展帶來了新的契機。此時，軍用無人機的飛行控制技術出現(xiàn)了兩大分支，自動飛行控制系統(tǒng)和指令控制系統(tǒng)。
自動飛行控制系統(tǒng)需要在無人機起飛前將本次飛行的路徑、高度和偵察目標等信息設定好，無人機依靠這些信息自己完成飛行任務。這種模式雖然看起來比較簡單，但一旦目標位置出現(xiàn)了變化，提前設定的飛行路線就得不到需要的信息了。而指令控制模式，將飛行員的位置由飛機上搬到了地面站的控制室中。得益于視頻圖像技術的發(fā)展，無人機可以通過無線電信號實時將偵察圖像信息傳回控制室，而控制員可以根據(jù)畫面實時操控無人機飛行，根據(jù)瞬息萬變的戰(zhàn)場形勢控制無人機飛行。上世紀80年代以后，指令控制技術逐漸成為軍用無人機飛行控制系統(tǒng)的主流。
此外，衛(wèi)星通信技術和GPS導航技術也給指令控制技術的應用帶來了幫助。在應用衛(wèi)星通信前，無人機的飛行距離受到控制信號傳輸和山川阻擋等因素的限制。應用衛(wèi)星通信技術后，地面控制站可以將控制信號上傳至太空中的通信衛(wèi)星，由衛(wèi)星中繼放大后發(fā)送到無人機接收天線上，從而突破了地面障礙物和地平線的限制。GPS導航技術，可以讓控制人員更準確地獲取無人機的位置，同時，在控制信號因為干擾中斷時，無人機可以使用GPS導航自主返航回收。
4.現(xiàn)代戰(zhàn)爭中代替?zhèn)刹毂?/strong>
在上世紀90年代初的海灣戰(zhàn)爭和21世紀初的伊拉克戰(zhàn)爭中，無人機得到全方位的應用。兩種美軍現(xiàn)役的“明星無人機”——“捕食者”和“全球鷹”也在此期間開始應用。
“捕食者”無人機源自于之前研發(fā)的“蚊”-750II型遠程無人機，正式型號為RQ-1，該機是一種長航時無人機，采用渦輪增壓的螺旋槳發(fā)動機作為動力。最大續(xù)航時間60小時，可在目標上空飛行24小時。偵察型的“捕食者”配有光電/紅外偵察設備，在白天和夜間均能執(zhí)行偵察任務。在“捕食者”上，還裝備有一種被稱作“合成孔徑雷達”的新裝備。這種裝備可以通過發(fā)射無線電信號并接收大地或目標反射信號的方式，繪制出目標的高分辨率圖像。即便在有云層或霧氣遮擋的情況下，這種雷達依舊可以返回與相機照片類似的圖像。從2000年起，美軍開始對“捕食者”進行改進，使它具備了使用武器對敵人進行攻擊的能力。通過在無人機頭部安裝用于指引導彈打擊目標的激光指示器，“捕食者”可以發(fā)射用來打擊坦克、裝甲車等目標的“地獄火”導彈。2006年，攻擊型“捕食者”的升級版MQ-9“死神”無人攻擊機問世，這種無人機體積更大、性能更強，還能發(fā)射激光制導炸彈等武器。
“全球鷹”是一種無人偵察機。和“捕食者”一樣，“全球鷹”也具備使用合成孔徑雷達等多個頻段的偵察設備獲取戰(zhàn)場信息的能力，可以執(zhí)行對陸地目標和海上目標的偵察任務。由于使用了噴氣式發(fā)動機作為動力，“全球鷹”有著比“捕食者”更高的飛行速度。美軍本來也打算將“全球鷹”無人偵察機改裝成攻擊型無人機，但由于“全球鷹”的飛行高度較高，用來執(zhí)行對地攻擊任務并不十分合適，因此放棄了這一想法。
除了“全球鷹”和“捕食者”這類大型無人機外，美軍還研發(fā)了小型化的無人機，如RQ-11“大烏鴉”和“龍眼”無人機。由于這些無人機體積輕巧、便于攜帶，基層部隊可以在日常巡邏中將無人機隨身攜帶，一旦遇到戰(zhàn)斗情況，可以就地將無人機放飛，提供偵察支援，靈活性大大提高，特別適合反恐作戰(zhàn)。
5.民用無人機迅猛發(fā)展
雖然無人機技術的發(fā)展源于軍事需求，但目前大家最熟悉的無人機，還是那種有著多個旋翼，可以靈活地在空中運動或懸停，進行航拍活動的多旋翼無人機。這種無人機是自21世紀以來迅猛發(fā)展的民用無人機的典型代表。
在多旋翼無人機中，四旋翼無人機是最常見的一種無人機類型。它和直升飛機一樣，是通過與機身平行的螺旋槳槳葉產(chǎn)生的升力垂直起飛，既無需機翼，又不用設置跑道來起飛降落，因而體積小巧、使用方便。而和直升機這樣的單旋翼飛行器相比，多旋翼飛行器的螺旋槳無需設置復雜的機械傳動裝置，也不需要尾槳來抵消主螺旋槳帶來的旋轉，因此多旋翼無人機不但具備理想的可靠性，還可以將制造成本控制得比較低，能夠以一般消費者能承受的價格銷售。更重要的是，在內(nèi)部控制程序的配合下，多旋翼無人機的操控相當簡單，非專業(yè)飛行人員短時間內(nèi)就能掌握基本的操作方法，像玩電子游戲一樣操控無人機的飛行，為無人機的普及掃除了障礙。
多旋翼民用無人機能夠迅速興起的另外一個關鍵設備，是以GoPro為代表的運動相機。運動相機可以獲得比一般相機更加寬廣的視野，拍攝高清晰度的照片或視頻，體積重量還十分小巧，特別適合安裝在無人機上，獲得從天空或高處向下的視角。無人機操控手們不但可以在飛行過程中實時享受無人機帶來的視覺體驗，拍攝的高清照片、視頻等還可以進行豐富的后期處理，得到更炫酷的視覺效果。在無人機出現(xiàn)之前，進行航拍需要租用有飛行員駕駛的飛機，不但過程相當繁雜，飛機租用價格也絕非一般人可以承擔。而在無人機出現(xiàn)之后，個人就可以進行日常的業(yè)余航拍活動。在運動會等大型活動現(xiàn)場，無人機也已經(jīng)成了必備的拍攝工具。
進入21世紀后，由于基礎技術的發(fā)展，民用無人機的各個組成部分性能越來越強、重量越來越輕，成本也越來越低，給無人機的普及創(chuàng)造了條件。目前，無人機搭載的高性能FPGA芯片，可以實現(xiàn)雙CPU的功能，處理各種傳感器傳來的無人機狀態(tài)信息，控制無人機的高效飛行。Wifi技術的發(fā)展讓手機上網(wǎng)更方便，也給民用無人機的信號傳輸提供了一種簡單有效的實現(xiàn)方式，可以在一定距離內(nèi)傳輸控制和影像信號。在續(xù)航方面，由于鋰電池技術的發(fā)展，用一塊重量不大的電池就可以讓無人機在天空中飛行一段時間。
除了四旋翼無人機外，固定翼無人機也在民用領域得到了廣泛的應用。與四旋翼無人機或多旋翼無人機相比，固定翼無人機的續(xù)航時間更長，飛行高度更高、活動范圍更大，采用更加可靠的控制系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)，因此比四旋翼無人機更適合專業(yè)生產(chǎn)領域的應用。
6.無人機越來越“萬能”
除了娛樂航拍的功能外，民用無人機還有多種多樣的本領。大城市道路大多擁堵嚴重，在發(fā)生交通事故時，無人機可快速低空飛抵事故現(xiàn)場，第一時間進行執(zhí)法拍攝取證。它傳回的圖像還能讓交通部門更好地疏導擁堵的交通，從而更快到達現(xiàn)場進行事故救援工作。
遇到犯罪分子駕車逃竄時，無人機可以在空中跟蹤罪犯的蹤跡，引導警察實施抓捕。
在高層建筑發(fā)生火災時，消防員可以釋放無人機航拍，快速獲取火災蔓延情況和被困人員位置，準確部署滅火力量。
當洪水發(fā)生時，無人機可攜帶救生繩或救生圈，并將其投送到需要者身邊。
對位于偏遠地區(qū)的輸電線路和石油管道，可以讓無人機進行線路巡檢的工作。無人機出動一次就可以巡檢幾十甚至上百公里的線路，減輕了工人的工作負擔。
未來，在網(wǎng)購之后，人們還可能收到無人機送來的快遞包裹?？爝f企業(yè)計劃用四旋翼或八旋翼無人機，在10公里的范圍內(nèi)派送重量不超過10公斤的包裹。無人機不會取代快遞小哥們的工作，而是會專注于緊急快件和偏遠地區(qū)快件的派送，提高配送效率，減少人力、運力成本。目前，國外的亞馬遜、DHL和國內(nèi)的順豐、京東等快遞物流企業(yè)，都在開展無人機配送快遞的嘗試。德國DHL公司已經(jīng)開始使用無人機，為居住在偏遠海島上的人們送去藥品等必需物資。亞馬遜推出的Prime Air服務，可以將包裹在30分鐘內(nèi)送交客戶。美國郵政還研制出了一種電動郵政汽車和無人機結合的派送模式，由司機駕駛電動郵車到達社區(qū)，再由無人機從郵車上自動取走包裹、送交住戶。2017年，中科院工熱所還成功研制了世界上第一種大型貨運無人機。這種無人機可以在極短的跑道上起飛降落，一次可以運輸重達1.5噸的貨物，特別適合將一批快遞包裹集中運到偏遠的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊，使那里的人們也能享受網(wǎng)購帶來的便利。2018年，中國郵政在浙江安吉山村地區(qū)開通了第一條無人機配送航線，試點偏遠地區(qū)配送服務。
炫彩世界
無人機集群不僅是“表演”
這些年，我們經(jīng)常能夠看到無人機編隊表演的新聞報道。成百上千架無人機，在夜色中通過自身攜帶的彩色燈光設備，組成各種各樣的美麗圖案，甚至還能隨著音樂節(jié)奏的變化翩翩起舞。這種奇觀的出現(xiàn)，得益于無人機集群技術的發(fā)展。
實際上，早在這種表演為人所知之前，無人機集群技術在軍事領域就已經(jīng)得到了發(fā)展與應用。2000年，美國國防部的高級計劃局就啟動了有關研究項目，通過借鑒螞蟻的群體組織方法，研究多架無人機在空中協(xié)同發(fā)現(xiàn)目標的技術。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，無人機集群技術已經(jīng)日臻成熟。在執(zhí)行任務的過程中，集群中的無人機要組織好自己的隊形，在完成任務的同時避免發(fā)生碰撞。同時，無人機之間還要分享所處位置態(tài)勢的感知，一架無人機所觀察到的情況可以被所有無人機掌握。這樣，大量無人機可以在單一操作員的指揮下，完成一架無人機所不可能完成的各種任務。
奇聞軼事
無人機的“奇葩”用途
無人機多樣的功能給了用戶無限的靈感，除了常見的應用外，也有使用者大開腦洞，給無人機找到了一些奇葩用途。
無人機點名：我國一所高校的老師在課堂上利用無人機點名，增加教學的趣味和參與度。小型的多旋翼無人機可以飛到教室的每個角落，通過人臉識別統(tǒng)計學生的出勤情況，還能發(fā)現(xiàn)上課不專心的同學。
無人機拔牙：換牙是每位小朋友都會經(jīng)歷的事情。美國俄勒岡州的一位父親，想到了用無人機將女兒即將脫落的乳牙拔掉的點子。他將女兒搖搖晃晃的乳牙用細繩綁在無人機上，成功地拔掉了這顆乳牙，還用無人機上的攝像機記錄下了這一過程。如此“高科技”的換牙，讓女兒也興奮不已。
無人機涂鴉：涂鴉是城市藝術創(chuàng)作的一種形式。有國外藝術家將噴漆罐裝到了無人機上，從而能夠在一些人不容易到達的建筑外墻上進行涂鴉創(chuàng)作。
需要提醒各位讀者的是，無論您的無人機創(chuàng)意有多么新奇，都要在符合有關法律法規(guī)和社會公序良俗的前提下，才能付諸實施。(李會超)
