小熱鬧背后的大門道

落星

南京航空航天大學(xué)代表隊的“馭風(fēng)”無人機獲得創(chuàng)意賽大獎

浙江安吉，三面青山環(huán)繞，翠竹碧綠，入眼皆是美景。澄澈的西苕溪穿城而過，滋潤著城市和城市里的人們。安吉縣北部的天子湖鎮(zhèn)，更是一座山川毓秀，風(fēng)景宜人的鄉(xiāng)村小鎮(zhèn)。每年的11月初，小鎮(zhèn)的寧靜總被來自五湖四海的航空愛好者打破，他們相約于此，展開一場科技與夢想的競技。

2017年11月10日，“航空工業(yè)杯”第五屆國際無人飛行器創(chuàng)新大獎賽如約而至。大獎賽每年一屆，以“創(chuàng)新+科普”為主題，集科技、趣味、娛樂于一體，共設(shè)立競技賽和創(chuàng)意賽兩個競賽單元。雙數(shù)年為“小年”，只舉辦競技賽;單數(shù)年為“大年”，同時舉辦競技賽與創(chuàng)意賽。今年的大獎賽適逢“大年”，我們有幸既能觀賞到競技賽選手之間的強強碰撞，又能欣賞到創(chuàng)意賽選手天馬行空般的靈感之光。

固定翼賽場競技穿越展伸手

隨著裁判員的一聲令下，一架固定翼無人機在跑道上滑跑后順利起飛，并以極快的速度到達障礙門前，依次穿過方形門洞、繞過帶有方向指示器的障礙柱。隨著無人機完美完成四次穿越后又回到起跑線，南京航空航天大學(xué)的“羲和隊”完成了他們的第一輪預(yù)賽，并在開賽首日以7秒45的成績創(chuàng)造新的單程穿越紀(jì)錄。

固定翼競技賽的比賽任務(wù)為“競技穿越”，比拼完成任務(wù)的速度。全程要求無人機自主飛行，按順序穿越門洞，并按指示方向機動繞過障礙柱后，安全自主著陸。這就要求給無人機裝上“大腦”，不僅能飛上天，還要會思考，能夠自動識別障礙物，并制訂出最佳規(guī)避方案，真正實現(xiàn)來去自如。隨著無人機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，為了減少因操作失誤而帶來的各項損失，對無人機自主避障能力的要求大大提高。

比賽首日，8支代表隊中共有5支隊伍順利完成任務(wù)，且用時較短，但這并不意味著該項目難度不高。碰到障礙物要繞開，這是最簡單不過的道理，一只小狗，一只小貓都知道，但是要讓一架“機器”具備貓狗那樣的智慧，就不是一件輕而易舉的事情了。該項目考察的正是無人機的自主避障能力，即無人機“大腦”的聰慧程度。那無人機的“大腦”是如何工作的呢？據(jù)了解，無人機的自主避障技術(shù)主要分為雷達系統(tǒng)、超聲波聲吶技術(shù)、TOF（飛行時間技術(shù)）、圖像識別技術(shù)等四種技術(shù)類型。此次比賽的參賽隊伍大都采用圖像識別技術(shù)，即通過高清攝像機拍攝高分辨率圖像，然后借助圖形處理器分析每一幀圖像中是否存在障礙物，自主判斷是否改變航向。據(jù)南航“羲和隊”參賽選手介紹，由于飛行速度極快，留給無人機“大腦”進行圖像識別的時間只有短短幾秒，必須在幾幀圖像中迅速識別出紅綠燈，這相比起靜態(tài)識別，難度大大提高。為了提高圖像識別的準(zhǔn)確率，他們將無人機采集到的高清圖像傳輸回地面控制系統(tǒng)，利用地面計算機的圖形處理器進行圖像識別，大大提高了識別的準(zhǔn)確率。

固定翼無人機穿越方形門洞

旋翼賽場精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)較高下

旋翼競技賽的比賽任務(wù)為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”，該項目模擬的是無人機進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)的場景。作業(yè)區(qū)由一塊指示農(nóng)作物災(zāi)害區(qū)域的數(shù)碼顯示屏和模擬農(nóng)作物狀況的繪制屏組成，繪制屏上繪有10個代表不同區(qū)域的數(shù)碼框，數(shù)碼框內(nèi)隨機分布著0到9十個數(shù)字。當(dāng)數(shù)碼顯示屏上顯示出某個數(shù)字，即代表繪制屏上相應(yīng)數(shù)字指示的區(qū)域發(fā)生了蟲害，無人機需要通過自主識別，判斷繪制屏上發(fā)生蟲害的區(qū)域，并對其進行施藥。

比賽現(xiàn)場，一架旋翼無人機接收到起飛指令后，懸停在數(shù)字顯示屏前。50秒后，第一個數(shù)字出現(xiàn)了，無人機卻遲遲沒有動作，一直停留在顯示屏前面……（這是被安吉的風(fēng)景迷倒了嗎？）時間一分一秒過去了，第二個數(shù)字出現(xiàn)了，無人機還是沒有動作。最后，參賽選手不得不切換到手動模式，這等于宣告棄權(quán)。遺憾的是，比賽首日大多數(shù)參賽無人機都沒能準(zhǔn)確識別出數(shù)字，更無法在指定區(qū)域噴灑作業(yè)。

“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”考察的是無人機的飛行穩(wěn)定性和目標(biāo)識別能力，在后續(xù)兩天的賽程中，雖然經(jīng)過程序調(diào)整，也只有為數(shù)不多的參賽隊能夠正確識別數(shù)字。最終，沈陽自動化研究所的“多旋翼隊”精準(zhǔn)完成了所有的“農(nóng)藥”噴灑任務(wù)，奪得本次旋翼競技賽大獎?！岸嘈黻牎边x用的無人機平臺為八旋翼結(jié)構(gòu)，相較于小型四旋翼平臺，飛行更加穩(wěn)定且載荷更大。賽后“多旋翼隊”的參賽選手表示：“我們的視覺識別系統(tǒng)相對于其他團隊更加快速，穩(wěn)定。通過設(shè)計優(yōu)化算法對目標(biāo)物的定位信息進行優(yōu)化，得到最精確的目標(biāo)物信息，從而提高噴灑精度”。

長期以來，農(nóng)業(yè)植保工作多依賴人工，費時費力，工作效率低。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，空中無人化農(nóng)藥噴灑方式漸漸進入人們的視野。要實現(xiàn)無人機精準(zhǔn)作業(yè)，如何檢測識別出田間的病蟲害，進而針對不同的病蟲害進行精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥是無人機需要解決的重要難題。同時，無人機如何感知風(fēng)向、風(fēng)力、地形、地物進而調(diào)整飛行姿態(tài)，準(zhǔn)確的將農(nóng)藥噴灑在植被上，也是不容小覷的問題。只有解決這些難題，才能在田間真正實現(xiàn)無人機作業(yè)。

多旋翼無人機正在給“果樹”噴灑農(nóng)藥

創(chuàng)意賽場腦洞大開拼技術(shù)

“飛機小半徑筋斗后進入大迎角拉起，失速、尾旋，一圈，兩圈，三圈，尾旋改出。大家請看！飛機完成了筋斗動作，緊接著，‘蒼鷺驗證機幾乎在原地實現(xiàn)了180度掉頭轉(zhuǎn)彎?！眮碜阅暇┖娇蘸教齑髮W(xué)的“蒼鷺隊”參賽選手正在對他們設(shè)計的飛機進行解說，這是一架前體渦流動控制高機動性驗證機。參賽選手在無人機的頭尖部安裝了只有半個指甲蓋大小的可控微小擾流片，讓機頭變成了一個虛擬的方向舵，達到了四兩撥千斤的效果，才實現(xiàn)了無人機在空中完美的姿態(tài)展示。這就是創(chuàng)意賽的比賽現(xiàn)場，一個小小結(jié)構(gòu)部件的創(chuàng)新就能掀起一場技術(shù)變革。

創(chuàng)意賽的比賽分為專業(yè)組和非專業(yè)組分別進行，鼓勵和倡導(dǎo)一切形式的航空科技創(chuàng)新探索。參賽選手腦洞大開，設(shè)計出的無人飛行器形狀千奇百怪，功能五花八門，但這一切的創(chuàng)意都是以理論知識作為支撐的。2015年創(chuàng)意賽大獎的獲得者南京航空航天大學(xué)時隔兩年，帶著他們的新作品，氣動矢量噴管控制無舵飛行器——“馭風(fēng)”，王者歸來，再次捧獲大獎。作為國內(nèi)首架僅僅應(yīng)用高性能氣動推力矢量噴管即可同時實現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)與偏航控制的飛行器，“馭風(fēng)”獲得創(chuàng)意賽大獎，算得上實至名歸。

在安吉上空飛行的“蜂群編隊”是創(chuàng)意賽的另一個看點?！胺淙骸弊鲬?zhàn)并不是新鮮事物，早在13世紀(jì)蒙古人遠(yuǎn)征作戰(zhàn)時就出現(xiàn)了。“蜂群”作戰(zhàn)能夠發(fā)揮出遠(yuǎn)超個體累加的戰(zhàn)斗力，通過協(xié)同實現(xiàn)整體能力的放大，達到1+1>2的效果。西北工業(yè)大學(xué)“瓜大動力隊”的選手們帶來的“單兵攜帶察打一體子母機”，是一款用于打擊恐怖分子的單人攜帶偵察打擊一體的無人機，具有攜帶方便，打擊費用低的特點，可以大范圍推廣應(yīng)用。另外，由于是子母機的組合，子機體積小，在打擊的時候隱蔽性很強，適合打擊躲在障礙物或建筑物中的恐怖分子。無獨有偶，南京航空航天大學(xué)“翱翔藍天隊”研發(fā)的“異型異構(gòu)無人機”，實現(xiàn)了固定翼和多旋翼無人機的協(xié)同飛行，固定翼和旋翼之間通過自組織網(wǎng)路進行通信和數(shù)據(jù)交換，可以有效的實現(xiàn)位置感知和對內(nèi)避撞，適合戰(zhàn)場環(huán)境使用。同時能夠協(xié)同多種飛行器多種隊形共同飛行，實現(xiàn)多樣化目的，提高工作、作戰(zhàn)效率，初步實現(xiàn)“母機帶子機”的作戰(zhàn)模式。無人機蜂群編隊技術(shù)在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用價值巨大，如果能將這些創(chuàng)意加以驗證，并進一步應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，想要改變戰(zhàn)爭規(guī)則的夢想就有可能實現(xiàn)。

創(chuàng)意賽賽場上，選手們不僅關(guān)注軍事領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域也不斷推陳出新。桂林航天工業(yè)學(xué)院“空海救援隊”帶來的“水上漂無人機”聚焦于水面救援領(lǐng)域。作為本賽事最受關(guān)注的作品之一，由于“水上漂無人機”需要在水面上進行展示，裁判和觀眾們欣然移步到池塘邊，觀看他們的表演。只見體積龐大的無人機起飛后不斷在空中盤旋，搜尋落水者。當(dāng)發(fā)現(xiàn)落水者后，“水上漂無人機”緩緩下降，“砰”的一聲落入水中，而后改變動力模式，搭載落水者離開。救援無人機應(yīng)用無人機的高速飛行性能，以及高空獨具的開闊視野，能夠第一時間快速準(zhǔn)確地找到落水者。相比起向落水者空投自動充氣救生裝具的救援方式，“水上漂無人機”水面救援采用無人機搭載的船體，能夠在水面上靈活航行，主動性強，不受風(fēng)力和水流的影響，且可同時救援1到3個成年人，救援效率和成功率都更高。這樣的設(shè)計在創(chuàng)意賽賽場上并不是一支獨秀，西北工業(yè)大學(xué)帶來的“天龍一號”，可以不受城市中狹小街道和密集建筑群的影響，快速地投入火場作業(yè)中。隨著無人機愈發(fā)普及以及技術(shù)水平的完善，它們在抗災(zāi)救援中發(fā)揮的作用越來越大。但是，救援無人機在續(xù)航能力、掛載能力以及穩(wěn)定性方面還存在技術(shù)短板，只有解決了這些技術(shù)短板，無人機才能在抗災(zāi)救援方面發(fā)揮更顯著的作用。

“蒼鷺”前體渦流動控制高機動性驗證機

這些僅僅是本次創(chuàng)意賽的掠影，還有更多的奇思妙想，如飛翔的“板凳”（模塊垂起套件）、爬行的“蜘蛛”（空天雄鷹）、轉(zhuǎn)圈的“瓢蟲”（“瓢蟲”便攜式仿生球形飛行器）等等，迎來了現(xiàn)場觀眾的聲聲喝彩和裁判們的一致贊嘆。

本次大獎賽涌現(xiàn)出的新奇創(chuàng)意中，或許就隱藏著未來無人機的發(fā)展方向。國際無人飛行器創(chuàng)新大賽正是以其開放性、包容性，全力推動國內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新和發(fā)展。在不久的將來，這些創(chuàng)意可能就會出現(xiàn)在我們的身邊，改變我們的生活。

責(zé)任編輯：王潔