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無人機(jī)已經(jīng)走過了一個世紀(jì)的發(fā)展歷程，民用無人機(jī)迅猛發(fā)展

在最近一段時間的新冠肺炎疫情防控工作中，無人機(jī)發(fā)揮了許多作用，受到人們的廣泛關(guān)注。

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)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(jī)已經(jīng)走過了一個世紀(jì)的發(fā)展歷程，但無人機(jī)真正走進(jìn)我們的生活，在娛樂、環(huán)保、交通等領(lǐng)域大展身手，不過是最近十年的事。

1.百年前先驅(qū)探索

19世紀(jì)，無線電的發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用給人們遠(yuǎn)距離控制機(jī)器的運(yùn)行創(chuàng)造了可能。1898年，物理學(xué)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(shí)現(xiàn)了遙控技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)飛機(jī)被人們發(fā)明出來并在第一次世界大戰(zhàn)中得到應(yīng)用后，發(fā)明家們開始嘗試將遙控技術(shù)與飛機(jī)結(jié)合，制成一種無須飛行員親自駕駛的飛機(jī)。

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(jī)的飛行方向及機(jī)身正以什么樣的姿勢在空中飛行。這種裝置是現(xiàn)代飛機(jī)自動控制和慣性導(dǎo)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(chǔ)研究一種不需要飛行員駕駛的飛行器。當(dāng)時，美國海軍將其稱之為“飛行魚雷”。為了提高飛行魚雷的導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)。飛行魚雷是無人機(jī)最早的雛形之一，而慣性導(dǎo)航與無線電控制技術(shù)，至今仍然是遙控?zé)o人機(jī)的核心技術(shù)。

1917年，英國皇家飛行隊(duì)的羅上尉制造了一架遙控飛機(jī)。這是一架木制結(jié)構(gòu)的飛機(jī)，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(jī)平穩(wěn)飛行一段時間，但在實(shí)際的飛行表演中，飛機(jī)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(yàn)遭遇失敗，但由于飛機(jī)在飛行過程中的確響應(yīng)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(jī)技術(shù)的發(fā)端。

2.戰(zhàn)場上初露鋒芒

飛行員在進(jìn)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(xùn)練中實(shí)際攻擊天空中的靶機(jī)，來提升自己的作戰(zhàn)技能。地面的高炮防空部隊(duì)也需要用靶機(jī)進(jìn)行訓(xùn)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(jī)作為靶機(jī)的嘗試。美國軍方還發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)有可能方便快捷地在戰(zhàn)場上傳遞信息，代替當(dāng)時還廣泛使用的傳令兵，并在之前飛行魚雷的基礎(chǔ)上研發(fā)了“信使”無人機(jī)。

1941年，美國海軍萌生了使用無人機(jī)攻擊敵人空中和地上目標(biāo)的想法，研發(fā)了TDN-1和TDR-1型無人攻擊機(jī)。1944年9月至10月間，這兩種無人機(jī)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(biāo)，取得了一定戰(zhàn)果。

二戰(zhàn)結(jié)束后，無人機(jī)開始投入戰(zhàn)場偵察工作。世界上第一種實(shí)用型的無人偵察機(jī)是無線電控制的美國AN/USD-1戰(zhàn)場無人監(jiān)視機(jī)。這種飛機(jī)裝備有一臺可以在白天工作的光學(xué)照相機(jī)和一臺在夜間工作的紅外照相機(jī)，通過火箭助推器起飛，完成任務(wù)后釋放降落傘降落。但它拍來的照片還需要復(fù)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(jī)除了照相外，還可以執(zhí)行另一種形式的搜索任務(wù)。無人機(jī)飛臨敵人控制的空域后，可以誘騙敵人的防空雷達(dá)開機(jī)，獲得防空雷達(dá)的信號特征。敵人的高炮、防空導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)在攔截?zé)o人機(jī)的過程中，也會將自身的部署情況暴露。一旦無人機(jī)被擊落，因?yàn)闆]有飛行員駕駛，不會引起一系列的后續(xù)問題。在無人機(jī)第一次大規(guī)模實(shí)戰(zhàn)應(yīng)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(jī)執(zhí)行這方面的工作。在此期間，還催生出了直升機(jī)在半空回收無人機(jī)的技術(shù)。

3.新科技助力指令控制

進(jìn)入上世紀(jì)80年代后，電子工業(yè)和航空工業(yè)的發(fā)展為無人機(jī)發(fā)展帶來了新的契機(jī)。此時，軍用無人機(jī)的飛行控制技術(shù)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(jī)起飛前將本次飛行的路徑、高度和偵察目標(biāo)等信息設(shè)定好，無人機(jī)依靠這些信息自己完成飛行任務(wù)。這種模式雖然看起來比較簡單，但一旦目標(biāo)位置出現(xiàn)了變化，提前設(shè)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(jī)上搬到了地面站的控制室中。得益于視頻圖像技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)可以通過無線電信號實(shí)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(shí)時操控?zé)o人機(jī)飛行，根據(jù)瞬息萬變的戰(zhàn)場形勢控制無人機(jī)飛行。上世紀(jì)80年代以后，指令控制技術(shù)逐漸成為軍用無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的主流。

此外，衛(wèi)星通信技術(shù)和GPS導(dǎo)航技術(shù)也給指令控制技術(shù)的應(yīng)用帶來了幫助。在應(yīng)用衛(wèi)星通信前，無人機(jī)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(yīng)用衛(wèi)星通信技術(shù)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(jī)接收天線上，從而突破了地面障礙物和地平線的限制。GPS導(dǎo)航技術(shù)，可以讓控制人員更準(zhǔn)確地獲取無人機(jī)的位置，同時，在控制信號因?yàn)楦蓴_中斷時，無人機(jī)可以使用GPS導(dǎo)航自主返航回收。

4.現(xiàn)代戰(zhàn)爭中代替?zhèn)刹毂?/p>

在上世紀(jì)90年代初的海灣戰(zhàn)爭和21世紀(jì)初的伊拉克戰(zhàn)爭中，無人機(jī)得到全方位的應(yīng)用。兩種美軍現(xiàn)役的“明星無人機(jī)”——“捕食者”和“全球鷹”也在此期間開始應(yīng)用。

“捕食者”無人機(jī)源自于之前研發(fā)的“蚊”-750II型遠(yuǎn)程無人機(jī)，正式型號為RQ-1，該機(jī)是一種長航時無人機(jī)，采用渦輪增壓的螺旋槳發(fā)動機(jī)作為動力。最大續(xù)航時間60小時，可在目標(biāo)上空飛行24小時。偵察型的“捕食者”配有光電/紅外偵察設(shè)備，在白天和夜間均能執(zhí)行偵察任務(wù)。在“捕食者”上，還裝備有一種被稱作“合成孔徑雷達(dá)”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(biāo)反射信號的方式，繪制出目標(biāo)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(dá)依舊可以返回與相機(jī)照片類似的圖像。從2000年起，美軍開始對“捕食者”進(jìn)行改進(jìn)，使它具備了使用武器對敵人進(jìn)行攻擊的能力。通過在無人機(jī)頭部安裝用于指引導(dǎo)彈打擊目標(biāo)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(biāo)的“地獄火”導(dǎo)彈。2006年，攻擊型“捕食者”的升級版MQ-9“死神”無人攻擊機(jī)問世，這種無人機(jī)體積更大、性能更強(qiáng)，還能發(fā)射激光制導(dǎo)炸彈等武器。

“全球鷹”是一種無人偵察機(jī)。和“捕食者”一樣，“全球鷹”也具備使用合成孔徑雷達(dá)等多個頻段的偵察設(shè)備獲取戰(zhàn)場信息的能力，可以執(zhí)行對陸地目標(biāo)和海上目標(biāo)的偵察任務(wù)。由于使用了噴氣式發(fā)動機(jī)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(jī)改裝成攻擊型無人機(jī)，但由于“全球鷹”的飛行高度較高，用來執(zhí)行對地攻擊任務(wù)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(jī)外，美軍還研發(fā)了小型化的無人機(jī)，如RQ-11“大烏鴉”和“龍眼”無人機(jī)。由于這些無人機(jī)體積輕巧、便于攜帶，基層部隊(duì)可以在日常巡邏中將無人機(jī)隨身攜帶，一旦遇到戰(zhàn)斗情況，可以就地將無人機(jī)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(jī)迅猛發(fā)展

雖然無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展源于軍事需求，但目前大家最熟悉的無人機(jī)，還是那種有著多個旋翼，可以靈活地在空中運(yùn)動或懸停，進(jìn)行航拍活動的多旋翼無人機(jī)。這種無人機(jī)是自21世紀(jì)以來迅猛發(fā)展的民用無人機(jī)的典型代表。

在多旋翼無人機(jī)中，四旋翼無人機(jī)是最常見的一種無人機(jī)類型。它和直升飛機(jī)一樣，是通過與機(jī)身平行的螺旋槳槳葉產(chǎn)生的升力垂直起飛，既無需機(jī)翼，又不用設(shè)置跑道來起飛降落，因而體積小巧、使用方便。而和直升機(jī)這樣的單旋翼飛行器相比，多旋翼飛行器的螺旋槳無需設(shè)置復(fù)雜的機(jī)械傳動裝置，也不需要尾槳來抵消主螺旋槳帶來的旋轉(zhuǎn)，因此多旋翼無人機(jī)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(fèi)者能承受的價(jià)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(jī)的操控相當(dāng)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?zé)o人機(jī)的飛行，為無人機(jī)的普及掃除了障礙。

多旋翼民用無人機(jī)能夠迅速興起的另外一個關(guān)鍵設(shè)備，是以GoPro為代表的運(yùn)動相機(jī)。運(yùn)動相機(jī)可以獲得比一般相機(jī)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(jī)上，獲得從天空或高處向下的視角。無人機(jī)操控手們不但可以在飛行過程中實(shí)時享受無人機(jī)帶來的視覺體驗(yàn)，拍攝的高清照片、視頻等還可以進(jìn)行豐富的后期處理，得到更炫酷的視覺效果。在無人機(jī)出現(xiàn)之前，進(jìn)行航拍需要租用有飛行員駕駛的飛機(jī)，不但過程相當(dāng)繁雜，飛機(jī)租用價(jià)格也絕非一般人可以承擔(dān)。而在無人機(jī)出現(xiàn)之后，個人就可以進(jìn)行日常的業(yè)余航拍活動。在運(yùn)動會等大型活動現(xiàn)場，無人機(jī)也已經(jīng)成了必備的拍攝工具。

進(jìn)入21世紀(jì)后，由于基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，民用無人機(jī)的各個組成部分性能越來越強(qiáng)、重量越來越輕，成本也越來越低，給無人機(jī)的普及創(chuàng)造了條件。目前，無人機(jī)搭載的高性能FPGA芯片，可以實(shí)現(xiàn)雙CPU的功能，處理各種傳感器傳來的無人機(jī)狀態(tài)信息，控制無人機(jī)的高效飛行。Wifi技術(shù)的發(fā)展讓手機(jī)上網(wǎng)更方便，也給民用無人機(jī)的信號傳輸提供了一種簡單有效的實(shí)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(shù)的發(fā)展，用一塊重量不大的電池就可以讓無人機(jī)在天空中飛行一段時間。

除了四旋翼無人機(jī)外，固定翼無人機(jī)也在民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與四旋翼無人機(jī)或多旋翼無人機(jī)相比，固定翼無人機(jī)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(jī)更適合專業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

6.無人機(jī)越來越“萬能”

除了娛樂航拍的功能外，民用無人機(jī)還有多種多樣的本領(lǐng)。大城市道路大多擁堵嚴(yán)重，在發(fā)生交通事故時，無人機(jī)可快速低空飛抵事故現(xiàn)場，第一時間進(jìn)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(dǎo)擁堵的交通，從而更快到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行事故救援工作。

遇到犯罪分子駕車逃竄時，無人機(jī)可以在空中跟蹤罪犯的蹤跡，引導(dǎo)警察實(shí)施抓捕。

在高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防員可以釋放無人機(jī)航拍，快速獲取火災(zāi)蔓延情況和被困人員位置，準(zhǔn)確部署滅火力量。

當(dāng)洪水發(fā)生時，無人機(jī)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(yuǎn)地區(qū)的輸電線路和石油管道，可以讓無人機(jī)進(jìn)行線路巡檢的工作。無人機(jī)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(fù)擔(dān)。

未來，在網(wǎng)購之后，人們還可能收到無人機(jī)送來的快遞包裹?？爝f企業(yè)計(jì)劃用四旋翼或八旋翼無人機(jī)，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(jī)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(yuǎn)地區(qū)快件的派送，提高配送效率，減少人力、運(yùn)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(jī)配送快遞的嘗試。德國DHL公司已經(jīng)開始使用無人機(jī)，為居住在偏遠(yuǎn)海島上的人們送去藥品等必需物資。亞馬遜推出的PrimeAir服務(wù)，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(jī)結(jié)合的派送模式，由司機(jī)駕駛電動郵車到達(dá)社區(qū)，再由無人機(jī)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(yùn)無人機(jī)。這種無人機(jī)可以在極短的跑道上起飛降落，一次可以運(yùn)輸重達(dá)1.5噸的貨物，特別適合將一批快遞包裹集中運(yùn)到偏遠(yuǎn)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(jī)配送航線，試點(diǎn)偏遠(yuǎn)地區(qū)配送服務(wù)。

炫彩世界

無人機(jī)集群不僅是“表演”

這些年，我們經(jīng)常能夠看到無人機(jī)編隊(duì)表演的新聞報(bào)道。成百上千架無人機(jī)，在夜色中通過自身攜帶的彩色燈光設(shè)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(jī)集群技術(shù)的發(fā)展。

實(shí)際上，早在這種表演為人所知之前，無人機(jī)集群技術(shù)在軍事領(lǐng)域就已經(jīng)得到了發(fā)展與應(yīng)用。2000年，美國國防部的高級計(jì)劃局就啟動了有關(guān)研究項(xiàng)目，通過借鑒螞蟻的群體組織方法，研究多架無人機(jī)在空中協(xié)同發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，無人機(jī)集群技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。在執(zhí)行任務(wù)的過程中，集群中的無人機(jī)要組織好自己的隊(duì)形，在完成任務(wù)的同時避免發(fā)生碰撞。同時，無人機(jī)之間還要分享所處位置態(tài)勢的感知，一架無人機(jī)所觀察到的情況可以被所有無人機(jī)掌握。這樣，大量無人機(jī)可以在單一操作員的指揮下，完成一架無人機(jī)所不可能完成的各種任務(wù)。

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