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無人機變身空中機器人

   智能程度的提高，讓無人機日益向空中機器人發(fā)展。機器人在空中既要控制自己的姿態(tài)和行動，又要完成預(yù)先指定的任務(wù)，這一切實現(xiàn)起來并不容易。

　　無人機家族是飛機里最為神秘的一支，人們幾乎總是要等到原型機發(fā)布后才能一窺它的外觀，再到正式部署軍隊若干年后，各項性能指標和技術(shù)秘密才會逐漸浮出水面。然而一項大賽卻將它推向了公眾視野，雖然體積小重量輕，而且長相各異，卻代表了世界上該項技術(shù)的最前沿。正是通過這個賽事，無人機被賦予了一個新名字：空中機器人。

　　無人飛機，還是會飛的機器人？

　　11 月9 日落幕的珠海國際航展上，包括“暗劍”、“戰(zhàn)鷹”在內(nèi)的數(shù)十款中國產(chǎn)無人機模型集體亮相，令不少軍事愛好者和媒體記者們“激動不已”。不過，這些無人機多數(shù)還只是概念模型，有的還在試驗階段，不少更被指為“山寨版”。

　　所謂“無人機”，乍聽上去似乎和機器人完全是兩碼事——伸展的機翼、碩大的機體、裝有各種復(fù)雜儀表的駕駛艙⋯⋯自萊特兄弟以后，飛機在人們眼中似乎已形成一種刻板的印象。機器人的模仿對象是人，而飛機的模仿對象卻是鳥，怎么會是一回事呢？然而，今天“空中機器人”的概念已超越了這樣的思維定勢。

　　美國佐治亞理工學(xué)院的教授羅伯特 米切爾森(Robert Michelson)是“空中機器人”概念的發(fā)明者，他認為，無人機本質(zhì)上是各種能在空中自主飛行的飛行器，它本身就是一種特殊的機器人——和地面“機器人”相比，它會飛，卻不具人形；而與無人“飛機”相比，它又像“機器人”一樣，有自己的眼和腦，能自己控制自己的行動。

　　日本雅馬哈RMAX 小型直升機也許是世界上最先進的航模。2008 年9 月，佐治亞理工學(xué)院就是靠它改裝而成的GTAR 無人機，贏得了一項等待了整整7 年的獎金。按照規(guī)則， 無人機必須自己飛行到3000 米外的區(qū)域，找到地面上的一座房屋，確定房屋的門窗位置后，想辦法拍攝到房屋內(nèi)部的照片，并將照片發(fā)回地面站。

　　拋棄無人機背后的遙控器，這小小的要求看似簡單，卻隱含了一個巨大的跨越：智能。讓飛機具有智能，不僅意味著它能自己實現(xiàn)起飛、飛行和降落，還意味著它能拋開人的任何控制，獨立在空中完成掉頭、懸停、認路以及執(zhí)行各種機動任務(wù)。出于競賽規(guī)則及可行性的考慮，參賽團隊最經(jīng)常使用的空中機器人平臺仍是各種航模飛機，只是要將遙控設(shè)備卸下，給飛機重新裝上復(fù)雜的控制系統(tǒng)及各種感應(yīng)器：一臺GPS 定位系統(tǒng)、一臺自動攝像機、幾根天線、密布著的傳感器、以及用來調(diào)整姿態(tài)的慣性測量單元等，還需要給它的機載計算機里輸入一些預(yù)先編好的程序。這無異于給一架飛機的軀殼裝上“眼睛”和“耳朵”，并實施“換腦”手術(shù)，還要讓它們很好地和“身體”與“翅膀”協(xié)調(diào)工作。

　　艱難的超越

　　2008 年11 月，在清華大學(xué)的無人機實驗室里，博士生王冠林所在的團隊也在緊張地準備著一場比賽。12 月初，中國自己的空中機器人競賽就要在中山舉行。王冠林既是清華參賽隊里的大師兄，也是整個空中機器人項目的規(guī)則設(shè)計者之一。

　　“我們和國外的差距至少在10 年以上。”王冠林介紹說，國內(nèi)的比賽還沒有完全擺脫遙控器。今年這已經(jīng)是無人程度最高的一次——飛行階段完全實現(xiàn)自主，但起飛和降落時還需要有人工指令的介入。而在國外，佐治亞理工隊早在1992 年就已經(jīng)實現(xiàn)了這種程度的智能化。

　　為確保飛行階段不能有人工介入，這一年的飛行距離被強制擴大了。飛機起飛后，需穿越一段視距直線長度達3000 米的無人地帶，可能是草地、荒野、農(nóng)田或者水面，除了區(qū)域邊界上有裁判員觀察飛機是否出界以外，任何參賽人員均不允許靠近。這意味著，在飛離視線范圍后只能由飛機自己來完成飛行任務(wù)，直到搜救階段開始。

　　在國內(nèi)比賽史上，這還是第一次超視距的飛行任務(wù)。11 月初，他們從甘肅訂購的機體已經(jīng)到達，其他諸如GPS、攝像機以及各種傳感器也將在陸續(xù)抵達后，按照他們的控制系統(tǒng)設(shè)計，被裝配到機體上去，并將預(yù)先編制好的程序指令輸入機載計算機。

　　中山市火炬國際會展中心，里面的一處寬闊的停車場現(xiàn)在已經(jīng)是一片雜草坪。這里將被用來作為本屆空中機器人組比賽的主場地，3000 米外的另一處場地將作為搜救區(qū)域。屆時，地面上將用醒目的紅色劃上一個2×2 米的“十”字，周圍還將散落著5 個塑料人“傷員”，他們的某些肢體還會不停揮動以模仿呼救者。

　　救援是此次比賽的關(guān)鍵任務(wù)。自主飛行無人機進入搜救區(qū)域后需要尋找到這些“傷員”，確定其經(jīng)緯度坐標，然后向艙外伸出攝像機俯視拍照，并將照片傳回地面站。接著，飛機需要發(fā)現(xiàn)地面的紅“十”字標識，在半徑5 米的圓形區(qū)域內(nèi)投放“救援物資”——一個30 克重的橙色長方形紙盒。所有這些工作完成后，才可以掉轉(zhuǎn)頭返回并著陸。

　　真正能飛的機器人

　　汶川大地震發(fā)生后，由中國兵器工業(yè)集團研制的一種名為“華鷹”號的救援無人機亮相，它重20千克，長約2 米，翼展2.6 米的身體盤旋在災(zāi)區(qū)上空，通過機上裝載的自動攝像機，為地面救援人員及時傳送回了大量清晰的災(zāi)情照片。它起飛后會先盤旋一圈，這是為了檢驗飛行狀態(tài)，然后按照預(yù)先設(shè)定的航線，自動飛往預(yù)定目標執(zhí)行任務(wù)。如果周圍沒有突出的障礙物，它需要一條100 米長的跑道就可以實現(xiàn)自主起降。如果采用遙控，跑道只需要20 米。

　　“華鷹”號是一架固定翼無人機，它依靠氣流和固定的雙翅飛行，不像螺旋機那樣可以依靠頭頂產(chǎn)生的升力懸停在空中，由于機動性不夠，在低飛過程中拍出來的照片清晰度也有限。空中機器人比賽也因此特別設(shè)置了兩個組，將固定翼組和旋翼組分開進行，這也是國際上的慣例。然而旋翼無人機雖然機動性更強，穩(wěn)定性也更難以控制，因此實現(xiàn)起來也要困難得多。“在空中穩(wěn)定懸停就是一個難題。”王冠林介紹說。

　　目前固定翼無人機主要用于執(zhí)行速度較快、距地較高的任務(wù)。它一旦攜帶上武器，就可以實行空中打擊。然而對于拯救人命這樣的任務(wù)，它卻望塵莫及。這也正是目前無論國際還是國內(nèi)，旋翼無人機雖然更具難度，卻更吸引人挑戰(zhàn)的原因之一。

　　南京航空航天大學(xué)副校長梁德旺認為，從整個以戰(zhàn)斗機為代表的軍用飛機發(fā)展史來看，在過去是以活塞式發(fā)動機為動力的亞聲速飛行時代，當前是以噴氣式發(fā)動機為動力的超音速時代，未來則將是無人戰(zhàn)斗機，或者說是無人機的時代。

　　從以消滅生命為主題，到以搶救生命為主題，預(yù)示了軍用無人機和民用無人機在應(yīng)用上融合的趨勢。而從戰(zhàn)斗型無人機到救援型空中機器人，各自并行不悖的兩條脈絡(luò)為這一趨勢的發(fā)展提供了可能。就在不久前，美國宇航局也宣布成立了無人機研發(fā)中心，試圖以空間機器人替代帶輪子的月球車。看來，無人機作為飛機的歷史已經(jīng)行將結(jié)束，隨著智能化的進一步提升，下一代的無人機將成為真正的能飛的機器人。