無了機的風(fēng)雨百年路

物質(zhì)第四態(tài)

無人機是無人駕駛飛機的簡稱（英語簡稱UAV）。和一般軍用或民用飛機不同的是，無人機上沒有為飛行員設(shè)置的駕駛艙，也沒有操縱桿和儀表盤。但無人機也并非完全不需要人來操控，無人機的使用者需要提前為無人機設(shè)定飛行程序，或者通過遙控裝置遠程控制無人機的飛行。這種無人駕駛的飛機與智能科技新貴——無人駕駛汽車不同，它從形成最初的雛形至今，已經(jīng)有一個世紀的歷史，可隊說是“無人駕駛界”的“老前輩”了。雖然它已經(jīng)一百多歲了，但對于我們來說無人機還很年輕，因為它真正走進我們的生活也不過是最近十幾年的事。今天，我們就來了解一下無人機的風(fēng)雨百年路，看看這位“老前輩”是如何煥發(fā)活力的！

從戰(zhàn)火中走來的軍用無人機

風(fēng)箏是人類早期的航空器之一，古時稱為“鷂”。1887年，英國人道格拉斯·阿奇博爾德把相機放在風(fēng)箏上，形成了無人偵察機的雛形。美西戰(zhàn)爭期間，有人借助風(fēng)箏平臺拍攝了大量照片，為無人機在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用做了先一步試水。

初出茅廬

1909年，美國發(fā)明家埃爾默。安布羅斯·斯佩里發(fā)明了一種名叫“陀螺儀”的裝置，這種裝置安裝到飛機上后，可以測定飛機的飛行方向和姿態(tài)。它是現(xiàn)代飛機自動控制和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組成部分。陀螺儀的出現(xiàn)，吸引了美國海軍，他們希望以此為基礎(chǔ)研發(fā)一種不需要飛行員駕駛的飛行器。1917年，美國海軍研制出無人飛行器——“空中魚雷”，為了提高它的導(dǎo)航精度，美國西電公司還為它開發(fā)了專用的無線電控制系統(tǒng)?！翱罩恤~雷”可以說是現(xiàn)代無人機的鼻祖，它所運用的慣性導(dǎo)航與無線電控制系統(tǒng)，至今仍然是遙控?zé)o人機的核心技術(shù)。

飛行員在進入戰(zhàn)場作戰(zhàn)前，需要像射手射擊靶子一樣，在訓(xùn)練中以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靶機來進行訓(xùn)練。在兩次世界大戰(zhàn)期間，美國、英國和德國都開始將無人機用作靶機，研發(fā)了諸如RAE192、VJ-5等型號無人靶機。美國軍方還發(fā)現(xiàn)，無人機能夠代替?zhèn)髁畋?，在?zhàn)場中方便快捷地傳遞信息。因此，他們在“空中魚雷”的基礎(chǔ)上，研發(fā)了用于傳遞信息的“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面目標(biāo)的想法，于是研發(fā)了TDN-1和TDR-1型無人攻擊機。1944年，TDR-1無人機首次參戰(zhàn)，向布干維爾以南巴拉列群島地區(qū)的日軍目標(biāo)發(fā)動了攻擊。

投入應(yīng)用

“二戰(zhàn)”結(jié)束后，無人機被用于戰(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(wù)后釋放降落傘降落。這種無人機在當(dāng)時也存在一些局限性，比如當(dāng)無人機回收后，要花很多時間對它采集來的照片進行處理和分析。在冷戰(zhàn)期間，美軍發(fā)現(xiàn)無人機除了可以照相外，還可以執(zhí)行另一種形式的搜索任務(wù)：將無人機派往敵人控制的空域后，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(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機在攔截?zé)o人機的過程中，也會暴露自身的部署情況?？梢哉f，無人機出動一次就可以獲取大量敵人防空力量的情報。又因為沒有飛行員駕駛，就算無人機被擊落，損失也并不大。在無人機第一次大規(guī)模實戰(zhàn)應(yīng)用的越南戰(zhàn)爭期間，美軍在戰(zhàn)場上大量使用“螢火蟲”型無人偵察機執(zhí)行這種誘騙偵察任務(wù)。在此期間，美國還發(fā)展出直升機在半空回收無人機的技術(shù)。

進入20世紀80年代后，電子工業(yè)和航天工業(yè)的發(fā)展為無人機帶來了新的發(fā)展契機。此時，軍用無人機的飛行控制技術(shù)出現(xiàn)了兩大分支，即自動飛行控制系統(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(biāo)等信息設(shè)定好，無人機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)位置發(fā)生變化，提前設(shè)定的飛行路線就有可能隨之失效。與自動飛行控制系統(tǒng)不同，指令控制系統(tǒng)將飛行員的位置由飛機上搬到了地面站的控制室中。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?zé)o人機飛行，按照瞬息萬變的戰(zhàn)場形勢靈活改變飛行路線。80年代以后，指令控制技術(shù)逐漸成為軍用無人機飛行控制系統(tǒng)的主流。

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)用提供了支持。在應(yīng)用衛(wèi)星通信前，無人機的飛行距離會受控制信號傳輸距離和山川阻擋等因素的限制。應(yīng)用衛(wèi)星通信技術(shù)后，地面控制室可以將控制信號上傳給太空中的通信衛(wèi)星，由衛(wèi)星中繼放大后再發(fā)送到無人機接收天線上。這樣一來，無人機就可以突破地面障礙物和地平線的限制了。GPS導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用使得控制人員能夠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(dǎo)航自主返航回收。此外，小型攝像機的應(yīng)用改善了無人機的攝像品質(zhì)，指揮官可以實時看到前方的戰(zhàn)場信息，而不必像以往那樣待無人機返回后還要等候照片沖洗完畢。

全面成熟

在20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(yīng)用。兩種美軍現(xiàn)役的明星無人機——“捕食者”和“全球鷹”也在此期間嶄露頭角?！安妒痴摺睙o人機（RQ-1）源自之前研發(fā)的“蚊”-75011型遠程無人機，它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。偵察型的“捕食者”配有光電/紅外偵察設(shè)備，在白天和夜間都能執(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”的新裝備。這種裝備可以發(fā)射無線電信號，并接收大地或目標(biāo)反射信號，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，這種雷達依舊可以出色地完成任務(wù)，回傳清晰的圖像。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(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”無人攻擊機問世，這種無人機體積更大、性能更先進，還能發(fā)射激光制導(dǎo)炸彈等武器。

和“捕食者”相比，“全球鷹”最大的特點在于它使用了噴氣式發(fā)動機作為動力，從而獲得了比“捕食者”更快的飛行速度。美軍本來也打算將“全球鷹”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(wù)并不是十分合適，因此美軍放棄了這一想法。除了“全球鷹”和“捕食者”這類大型無人機外，美軍還研制了小型無人機，如RQ-11“大烏鴉”和“龍眼”無人機。由于這些無人機體形輕巧，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，士兵用雙手就可以就地將無人機放飛，讓無人機提供偵察支援。這樣的無人機使用靈活，特別適合反恐作戰(zhàn)。

在軍用無人機的設(shè)計制造方面，美國使用無人機的時間最長，經(jīng)驗最豐富，是當(dāng)之無愧的王者。近年來，我國在無人機的研發(fā)上也取得了一系列進展，達到了與美國基本相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。目前，中國性能較為先進的無人機有“彩虹-5”“翼龍-2”和“云影”無人機。它們都是同時具備偵察和對地打擊能力的多面手，能夠長時間翱翔在戰(zhàn)場上空執(zhí)行任務(wù)?！安屎?5”無人機采用噴氣式發(fā)動機，機翼下方有6個武器掛載點，可以掛載16枚不同類型的對地攻擊導(dǎo)彈，最大載彈量達1噸。“翼龍-2”無人機也具備較強的偵察和打擊能力，可以配備的偵察設(shè)備有光電監(jiān)視/瞄準裝置、合成孔徑雷達等，可配備的武器有激光制導(dǎo)導(dǎo)彈和炸彈?！霸朴啊睙o人機則是一種具備隱身性能的無人機，前起落架艙艙門采用了鋸齒狀設(shè)計，機頭的光學(xué)窗口也采用了同樣的設(shè)計，以減少雷達波的反射?！霸朴啊睙o人機還可以多機組隊，建立無人機空中作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，利用“蜂群戰(zhàn)術(shù)”對敵人進行打擊。

用途多樣的民用無人機

雖然無人機技術(shù)的發(fā)展源于軍事需求，但目前大家最熟悉的無人機，還是那種有著多個旋翼，可以在空中靈活地運動或懸停，并可進行航拍活動的無人機。這種無人機是自21世紀初以來迅猛發(fā)展的民用無人機的典型代表

無人機的發(fā)展基地

進入21世紀后，由于基礎(chǔ)技術(shù)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，給無人機的普及提供了條件。目前，無人機的“大腦”一般采用高性能FPGA芯片，可以實現(xiàn)雙CPU（中央處理器）的功能，處理各種傳感器傳來的無人機狀態(tài)信息，控制無人機高效飛行。如今，我們的手機大都具有重力感應(yīng)和定位功能，這得益于慣性傳感器和GPS芯片的小型化、廉價化。對于無人機來說，慣性傳感器和GPS芯片也是非常重要的硬件。Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展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。在續(xù)航方面，由于鋰電池技術(shù)的發(fā)展，一塊重量不大的電池就可以讓無人機在天空中飛行很長一段時間。

無人機的迅速興起

2010年，法國Parrot公司發(fā)布了世界上第一款四旋翼無人機AR.Drone。與軍用無人機和傳統(tǒng)民用無人機所采用的固定翼方案相比，這種無人機沒有了翅膀，只有四個被稱為“旋翼”的螺旋槳，為無人機提供升力和前進的推力。這種結(jié)構(gòu)的無人機小巧、穩(wěn)定、機械結(jié)構(gòu)簡單，可以像直升機那樣，不借助跑道垂直起降。不僅如此，它還非常容易控制，操作新手稍加訓(xùn)練便可以操控這種無人機做出各種花式動作。在四旋翼無人機的基礎(chǔ)上，廠商們還設(shè)計出六旋翼、八旋翼無人機。一般來說，無人機的旋翼數(shù)量越多，能夠提供的升力也就越強，可以搭載的載荷越重。

無人機能夠迅速興起的另外一個關(guān)鍵設(shè)備是以GoPro為代表的運動相機。這種相機可以獲得比一般相機更加寬廣的視野，可以拍攝高清晰度的照片或視頻。因為輕便小巧，GoPro特別適合安裝在無人機上，獲得從天空或高處向下的視角，從而讓使用者獲得平時生活中很難獲得的視覺體驗。

目前，在這種小型民用無人機的市場中，市場份額最大的公司是中國的大疆公司。一開始，這家公司的業(yè)務(wù)是研制直升機的控制系統(tǒng)。2010年，AR.Drone的成功也促使大疆公司開始考慮開發(fā)四旋翼無人機產(chǎn)品。2013年，大疆公司推出了DJI Phantom四旋翼無人機。這種無人機操作簡便、飛行穩(wěn)定，還創(chuàng)造性地提供了GoPro相機的接口，這便使得這款產(chǎn)品迅速風(fēng)靡世界。之后，大疆公司在Phantom無人機的基礎(chǔ)上，進行了各種升級換代。例如，他們研發(fā)出了防止相機在拍攝過程中抖動的云臺，讓無人機能夠連續(xù)拍攝出清晰的視頻，且影像質(zhì)量達到了電影級別。這樣的無人機在電影拍攝者中建立了良好的口碑，也帶動了“航拍公司”這一產(chǎn)業(yè)的形成。大疆公司還將民航飛機中使用的黑匣子引入無人機，因此飛行數(shù)據(jù)可以被記錄、分析，飛行的安全性得到提升。

除了四旋翼無人機外，固定翼無人機也在民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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)，因此比四軸多旋翼無人機更適合專業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

本領(lǐng)多樣的無人機

除了航拍的功能外，民用無人機還有多種多樣的本領(lǐng)。我國各大城市道路擁堵嚴重，尤其是在發(fā)生交通事故時，執(zhí)法的警車和救護車也無法到達事故現(xiàn)場。這時，無人機便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。它傳回的圖像還能幫助交通部門更好地疏導(dǎo)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，引導(dǎo)警察實施抓捕。在高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防員可以釋放無人機航拍，快速獲取火災(zāi)蔓延的情況和被困人員位置，準確部署滅火力量。當(dāng)洪水發(fā)生時，無人機可攜帶救生繩或救生圈，并將其投送到被困人員身邊。那些位于偏遠地區(qū)的輸電線路和石油管道，我們也可以派無人機前去進行線路巡檢工作。無人機出動一次就可以巡檢幾十甚至上百千米的線路，減輕了工人師傅們的工作負擔(dān)。

在未來，你在網(wǎng)購之后，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10千米的范圍內(nèi)派送重量不超過10千克的包裹。無人機當(dāng)然不會取代快遞員的工作，它的主要任務(wù)是派送緊急快件和偏遠地區(qū)快件，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)的京東、順豐等網(wǎng)商或物流企業(yè)，都在大量開展無人機配送快遞的業(yè)務(wù)。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遞送藥品。中國郵政在浙江安吉山村地區(qū)也開通了第一條無人機配送航線，嘗試偏遠地區(qū)配送服務(wù)。亞馬遜推出的Prime Air服務(wù)，可以將包裹在30分鐘內(nèi)送交客戶。美國郵政還研制出一種電動郵政汽車和無人機結(jié)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。最近，中國科學(xué)院工程熱物理研究所還成功研制出一種大型貨運無人機，它可以在極短的跑道上起飛、降落，一次可以運輸多達1.5噸的貨物，適合將一批快遞包裹集中運到偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊，使那里的人們也能享受到網(wǎng)購帶來的便利。

無人機作為一種空中平臺，把人們的生活從二維空間擴展到了三維空間，在垂直高度上賦予了生活無限的可能。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人機未來還能夠有更多自主性能，如具備路徑規(guī)劃功能或自主決策能力的自動控制無人機。不僅如此，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會把原先一架一架的無人機聯(lián)結(jié)起來，形成無人機集群，這樣組合在一起的無人機就可以進行協(xié)同目標(biāo)探測和協(xié)同態(tài)勢共享等協(xié)同操作。而隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，無人機不僅本身呈現(xiàn)出集群化趨勢，它們作為空中數(shù)據(jù)節(jié)點，還能通過采集來的大數(shù)據(jù)實現(xiàn)各行各業(yè)的互聯(lián)。走過百年，走進人工智能時代的無人機會以怎樣的面貌再展活力？就讓我們拭目以待吧！