从黑科技到白科技的无人机

从黑科技到白科技的无人机（1）：愿景与需求在科幻小说中，有时为使剧情合理化会空想出一些离奇的科学技术，但这些技术用目前的理论并无法解释，可以称为“黑科技”[1]。最近，我从读刘慈欣的《三体》三部曲开始，陆陆续续又读了他早期写作的《流浪地球》、《镜子》、《混沌蝴蝶》和《球状闪电》等几部小说，慢慢开始理解黑科技这个词汇了。当然，这个词在网络上进行延伸，也开始泛指高科技发展后更强大的技术，或者现实中某些超乎寻常厉害事物[1]。在不知不觉中进入我们的生活，或者很快可能成为我们科研利器的无人机（UAV，UnmannedAerialVehicle），似乎很有黑科技的味道，于是决定好好钻研一下这个技术。巧的是，上月末，Nature周刊有一篇综述文章[2]，从小型无人机的科学、技术和未来几个方面进行了全面探讨。认真拜读，收获颇丰。从今天开始的几篇博文，就是我关于这个话题的读书笔记和思考。不过，说无人机是黑科技似乎不太妥，也许过去可以这么称，但到现在，无人机的发展是建立在真实的技术发展基础之上的，理应称为“白科技”（我没有在网上找到这个词，也许没有必要，因为其含义就是昭然天下的科学技术嘛）。现在，我们正在见证一个伟大的新时代，这个具有自主飞行能力的无人机（似乎也可以称为飞行机器人）时代。说到无人机，我们大多人想象的是那些飞行数千公里执行间谍和作战任务的现代国防工具。的确，这些飞行机器人，最早主要用于国防的。据说，从20世纪40年代就有了无人机的雏形，是二战中用于训练防空炮手的无人靶机[3]。随著电子技术的进步，无人机在担任侦查任务中开始崭露头角。大约从本世纪初开始，无人机开始逐渐渗入到民用，到现在对社会许多方面的变化也开始初见端倪，这些变化包括交通、通信、农业、减灾和环保等领域。在过去几年里，越来越多的实验室一直致力于研究这种小型的人性化无人机，它们可在指定的空间自主飞行，自动避开障碍，还能近距离接近人。一方面，这些小型无人机的发展，主要得益于电子元件（微处理器、传感器、电池和无线通信单元）的小型化和低成本，而这又主要得益于便携式电子设备的发展，这些进步使得小型无人机（小于1公斤）的原型和商业化成本直逼智能手机的价格。但在另一方面，要使无人机在指定空间进行自主飞行，还存在巨大的科学与技术挑战，无人机在空中飞行有巨大的能量消耗，还必须具备感知复杂环境的智能。对于环境监测领域来说，航空、航天遥感一直被认为是认为是“高大上”的设备，而如今小型无人机的发展，直接将具备类似功能的设备拖到“低矮挫”的行列，但我们却非常欣喜有这种变化。装备了摄像设备的小型无人机，也可看做是“会飞的摄像机”，它的最大优点是模糊了航空、航天遥感与近地面遥感的界限：小型无人机能够从地面几米高处获取图像，弥补了卫星因天气原因无法获取，或者图像分辨率低的不足；近地面遥感中，从车载设备获取图像其范围是人类视角，在没有道路的地方是无法进入的，而会飞的摄像机对这些问题显然是迎刃而解的。从更高的社会利益来讲，小型无人机获取的数据可进行基于云层数据的分析，可使农民持续监测作物的生长质量。可以想象，无人机技术的深入和使用，将使现有的农田耕作变得更高效、更节约资源和环境友好。这样的平台也可让建筑公司实时测量工程的进展，将让矿业公司获得精确的可开采量数据，让能源与基础设施企业进行详细的管道、道路和电缆调查，让道路养护公司测量桥梁与隧道磨损的迹象，让物流公司检测船只内部和外部裂缝，让人道主义组织实时评估难民营中变化莫测的状况并迅速找到最合适的援助方式。另外，侦查无人机能够在指定空间飞行，有助于消防和应急机构更快、更安全地进行危险评估，保安公司可藉此监测超出摄像头监控区范围之外的区域，减灾机构可用于检查部分倒塌的建筑物获取有价值的信息（地面反射波对地面机器人检测来说是一个难于克服的障碍，因此无人机有不可取代的优势）。如果利用多架无人机进行协调工作，就能完成单个无人机无法执行的任务，而且持续时间会更长（一些无人机可暂时离开列队去更换电池）。在通讯方面，无人机列队可让救援组织快速部署专用通信网络，比如，在发生灾害的地区，要么地面没有通讯设施，要么地面设施损坏，就可利用携带通讯设备的无人机网络暂时补充或替换其服务。在以信息获取为目的的小型无人机发展的同时，运输无人机也几乎同时发展起来。运输无人机能够在建筑物和人类附近安全起飞和降落，可以完成特殊快递的发送工作，特别对于那些道路网络还没有完全建立起来的地区，可以实现电子商务对基础设施的要求。运输无人机还还可迅速为救援组织提供医疗用品。无人机航拍无人机快递配送无人机进行通讯中继显然，要实现上述这些愿景，需要新的机电整合解决方案和全新的自主控制系统，这样才可保证在指定的近地面空间安全完成任务。根据国际标准化组织的定义，机器人的自主性是能够根据当前状态和传感无需人工干预执行预定任务的能力。这个定义涵盖的范围很广，在不同类型的机器人和用途中需要不同程度的自主性。在有绳机器人自主性的设计中显然不用考虑能源管理的问题，但可移动机器人需要长距离旅行，则必须关注这个问题，必须决定何时终止当前任务并用剩余能量达到最近的充电站。这里所讨论的小型无人机，大致可分为以下三种不同水平的自主性：（1）感官自主性：翻译人类发出的高级指令，如达到给定的高度、执行圆形轨迹航行、移动到全球定位系统的指定坐标或维持其位置，并与平台相关的控制信号（如倾斜、摇晃、偏航角或速度）结合起来，根据GPS路线轨迹执行预定程序。（2）反应自主性（需要感官自主性配合）：在有外部扰动时（如风力或机电故障）保持其当前位置或轨迹；避障；维护安全的预定高度；协调与移动物体（包括其他无人机）之间的距离；起飞和降落控制。（3）认知自主性（需要反应自主性配合）：执行同步定位和制图；解决冲突的信息；规划（如电池充电）；识别物体或人；学习能力。表自主性水平：市场需求、市场供应和市场准备[2]在执行任务时，依靠绝对位置的定位信号和远程控制是不可能的，也无法达到精确控制。今天已经成型的商用无人机还需要在训练有素的人员监督下才能完成任务，还远没有达到无人机自主控制的能力，因而使得操作缓慢，功能难于扩展，更麻烦的是尚存在许多潜在危险。我们期盼科技的高速发展，可产生新一代的小型自主无人机，并能在合适的监管框架下完成这些远景。互联网实现了虚体之间的快速连接，而无人机将实现实体之间的快速互联。聪明的开发者在这个新的战场中究竟能挖掘出什么呢？可以预见，从助力现代乡村到给力智慧城市，凡是需要空中解决方案的地方，都将有无人机的一席之地，无人机应用无疑将滋生更广阔的蓝海商机，您准备好了吗？从黑科技到白科技的无人机（2）：小尺寸、大麻烦飞机的飞行过程是最耗能的环节，特别当设备的尺寸缩小时，相对的耗能会更加明显。随着设备尺寸减小，会减少电磁马达的功率密度、降低传动效率，因为这相对增加了齿轮和轴承间的摩擦。电动汽车的马达可以实现近90%的效率，功率密度达到每千克数千瓦，而对于毫米级别的无人机来说，马达产生的功率密度为每千克数十瓦，效率也低于50%。这减少了小尺度上的飞行性能，意味着电源和配电是需要着重考虑的两个方面。较小的尺寸也意味着较低的雷诺数（雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数，其大小决定了粘性流体的流动特性。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，呈层流状态；雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流状态），进而增加了黏滞力，产生更大的阻力系数，减少升力系数。从另一个角度讲，缩小尺寸将产生较低的升阻比，从而需要更多的相对前进速度对抗阻力和功率损失才能保持飞行状态，就降低了整体能量效率，绝大部分功率用于产生升力维持在空中飞行。同样，尺寸问题在最基本的飞行自主性上也带来很多麻烦：尺寸小，提供的能量不足，续航能力有限，整个飞行时间在数十秒到数十分钟之间，无法执行高级任务，与载人的飞行器相比并不占优势。飞行模式也因尺寸问题呈现出更多的挑战，如空中悬停，不仅需要较大的能量供应，还需要可靠的控制能力，这些需求也是随设备尺寸减小变得更加困难。然而，减少尺寸的最大好处是带来了机动性。转动惯量是飞行器性能的一个重要指标，是飞行器临界长度的度量，如翼的弦长或螺旋桨长度。因此，小型飞机可以用室内控制系统和电脑进行实时跟踪和控制。这种增强的灵活性，是以牺牲开环稳定性（控制结果不反馈回来影响当前的控制系统）为代价的，更需要强调闭环控制。内置传感器和计算系统的自主无人机上实施这些行为也是一个重大挑战，但目前显然已经取得了期待的结果。为了应对这些挑战，无人机开发者只得平衡各种取舍，从系统水平考虑整体设计，出现了形态各异的无人机。其中，最常见的形态包括：常规固定翼飞机（固翼机）、旋转翼飞机（旋翼机），以及仿生设计的扑翼飞机（扑翼机）。这些形态各有优、缺点。瑞士senseFly公司出产的电动航测无人机电子黄蜂（eBee）就是一种固翼机（图1），重约690g，能够快速飞行，但不能悬停。派诺特（Parrot）公司的四轴飞行器AR.Drone2.0就是一种旋翼机（图2），重约380g，可以悬停，具有高度的灵活性，但一般前行速度比固翼机要慢许多。不管是固翼机还是旋翼机，都是依靠空气动力学来控制飞行的，并依靠组件的性能产生推进力，尺寸减小极大地影响这方面的性能。对于更小尺寸的推进器，需要找到一些非常规的驱动替代方法。在自然界中，扑翼推进这种方式在飞行动物中很常见，是一种有效的飞行形式，但要将这转化为功能性设计不是一件容易的事情，昆虫、蝙蝠和鸟类的飞行方式就不完全一样。不过，研究人员已经有效地再现了自然界许多不同的飞行方式，如AeroVironment公司的仿生扑翼机纳诺蜂鸟（NanoHummingbird）（图3）和哈佛只有80毫克的机器虫（RoboBee）（图4），后者没有内置的能源供给系统，需要拴在一个外部电源上飞行。从驱动来看，旋翼机和螺旋桨驱动的固翼机都采用电磁马达，有些扑翼飞行器其实也是采用电磁马达驱动的，只是需要将电机的旋转运动转化为扑翅运动（比如图3中的NanoHummingbird，而图4中的RoboBee则不是）。随着尺寸降低，传动装置的制作工艺难度也开始加大。同以准恒定方式产生升力和推力的固翼机和旋翼机不同，扑翼机的空气动力学比较复杂，涉及到涡旋结构的产生与控制。还有一种可飞可滚的笼封机器人Gimball（图5），重约380g，由一个同轴双螺旋核心组成，放置在一个解耦可自由旋转的保护球笼中。图1固翼eBee图2旋翼AR.Drone2.0图3仿生扑翼NanoHummingbird图4昆虫大小的RoboBee图5笼封机器人Gimball有了这些飞机，让我们设想一个救援场景时这些无人机是如何组合起来进行救援工作的。在救援现场，一架eBee正在空中进行长时间（40分钟）飞行，一方面提供救援区的鸟瞰图像，另一方面为地面救援人员提供通信网络；一架具有悬停功能的AR.Drone2.0在检查建筑等的裂缝和渗漏情况，另一架AR.Drone2.0从附近的医院送来了医疗用品；扑翼机编队RoboBee正准备进入建筑物中寻找化学危险品；笼封机器人Gimball已经深入复杂建筑内部时而飞行，时而滚动，努力寻找生命迹象。除了不同无人机可以组合起来完成更复杂的功能，还可以考虑单架无人机将空中与地面功能结合起来。比如，让无人机降落在墙壁和电线上，可更长时间从有利位置监测环境，同时节约能源消耗。无人机在降落后可以在地上用腿移动，或者让翅膀收起来。也许，未来的无人机可能会使用同一套驱动系统进行飞行控制和地面运动。空中飞行与地面移动所需的速度和转矩是不同的，可根据具体情况调整翼的形态，这非常类似于吸血蝙蝠用它们强大的前肢进行飞行或行走（图6）。另外，还可以在悬停无人机上增加轮子，或者在滚笼中嵌入推进系统，这种设计不仅允许无人机在地面上任何方向进行滚动，而且由于转子受到笼子的保护，也能与障碍物或人进行安全碰撞。从相反角度考虑，也可以将翅膀安装到到地面机器人身上，可使得它们在不平坦的地面上行走时可增加跳跃距离，还能稳定着陆，尽量减少地面的影响。此时，跳跃和飞行部署机制中采用相同的驱