城市交通問題的空中解決方案
——自主載人飛行器研究綜述

張 丹，吳陳煒，謝安桓

（1.之江實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121；2.約克大學(xué)，多倫多 M3J1P3）

1 引言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)公共汽車快速發(fā)展、小汽車逐漸進(jìn)入家庭；進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著城市面積和人口規(guī)模的迅速擴(kuò)張，交通需求加速增長(zhǎng)，以小汽車為代表的代步工具已然普及。尤其是在北京、上海等一批超（特）大城市、大城市，城市交通呈現(xiàn)高強(qiáng)度使用、高密度聚集態(tài)勢(shì)。由于城市交通供需長(zhǎng)期不均衡，交通擁堵、安全事故、環(huán)境污染等問題日漸凸顯，社會(huì)大眾議論廣泛[1]。解決城市地面交通帶來(lái)的諸多問題，是當(dāng)前城市治理的重中之重。

自1903年萊特兄弟發(fā)明的第一架飛機(jī)試飛成功以來(lái)，人類的飛行夢(mèng)與飛行探索從未止步。經(jīng)過了100多年的發(fā)展，全球航空業(yè)已高度成熟，飛機(jī)已成為人類日常出行的交通工具之一，同時(shí)以多旋翼為代表的小型無(wú)人飛行器近年來(lái)也已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。面對(duì)城市不斷發(fā)展所帶來(lái)的交通擁堵問題，以及城市、山地、森林各類復(fù)雜環(huán)境的救援、特種任務(wù)執(zhí)行等需求，常規(guī)民航客機(jī)、直升飛機(jī)等大型飛行器和各種地面交通工具已無(wú)法滿足人們的出行需求，因此更為輕便、有效、安全的輕型載人飛行器備受人們期望。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出了自由移動(dòng)出行（On-Demand Mobility，ODM）戰(zhàn)略框架，愿景“能夠讓任何人隨時(shí)隨地從一處飛向另一處”。報(bào)告指出，垂直起降（Vertical Takeoff and Landing，VTOL）輕型載人飛行器甚至被認(rèn)為是未來(lái)城市內(nèi)部出行的交通方式之一[2]。美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）則在報(bào)告中提出，自動(dòng)駕駛、垂直起降飛行器（VTOL）發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力。DARPA從安全和成本兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，指出成熟的自動(dòng)駕駛飛行器將免去飛行員繁瑣的儀表操作，大幅減少飛行事故和死亡人數(shù)；將免去飛行員培訓(xùn)成本，并解決飛行員短缺的問題；自動(dòng)駕駛讓飛行器不受天氣條件限制出行，在復(fù)雜的特殊環(huán)境下也能正常飛行[3]。

由此可見，對(duì)自主載人飛行器的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文將對(duì)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)綜述，對(duì)國(guó)內(nèi)外已有成果進(jìn)行分類介紹，闡述該技術(shù)的整體架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)城市交通問題提出空中出行的解決方案。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外對(duì)于自主駕駛載人飛行器的研究較多且相對(duì)較成熟，相關(guān)企業(yè)如空客、奧迪等都陸續(xù)推出過不同類型的自主載人飛行器，相關(guān)資料披露不同型號(hào)的飛行器約有幾十種，其中比較典型的有：德國(guó)Volocopter公司的Volocopter 2x、ASTRO公司的AA360及COAR公司的Kitty Hawk Cora飛行器。

（1）德國(guó)Volocopter公司的Volocopter 2x

Volocopter 2x被譽(yù)為世界上第一臺(tái)二座電動(dòng)垂直起降無(wú)人駕駛飛機(jī)，通過機(jī)艙內(nèi)置面板或移動(dòng)客戶端軟件設(shè)置目的地，飛機(jī)就可實(shí)現(xiàn)自主飛行，2018年1月進(jìn)行首次載人飛行。具體參數(shù)如表1所示。該機(jī)型配備一個(gè)彈道降落傘，如果出現(xiàn)任何問題，可確保安全著陸，獲得了英特爾加速技術(shù)和戴姆勒股份公司的合作支持。

圖1 Volocopter 2x機(jī)型

（2）ASTRO公司的AA360

AA360于2017年5月初開始飛行測(cè)試，歷經(jīng)幾個(gè)月的密測(cè)試，最終在2017年8月完成第一次載人飛行試航。AA360作為電驅(qū)動(dòng)垂直起降飛行器，可運(yùn)送2名乘客，飛行過程中具有低噪音、零排放及低振動(dòng)的特點(diǎn)。且具有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，即使在惡劣的天氣條件下，也能自主飛行。為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，在保證材料強(qiáng)度情況下，飛行器采用密度更小的碳纖維，摒棄傳統(tǒng)的電纜轉(zhuǎn)而使用輕質(zhì)的光纖。

表1 各類型飛行器性能參數(shù)表

圖2 AA360機(jī)型

（3）Kitty Hawk Cora飛行器

Kitty Hawk Cora飛行器是由一家獲得谷歌（Google）創(chuàng)始人拉里·佩奇（Larry Page）投資的飛行汽車初創(chuàng)公司所設(shè)計(jì)，Kitty Hawk Cora采用旋翼垂直起降結(jié)合固定翼巡航的飛行方式，不需要跑道，并具備從屋頂?shù)鹊胤狡痫w的可能性。起飛時(shí)，通過旋翼旋轉(zhuǎn)提供升力抬起飛機(jī)。在空中飛行時(shí)，大部分升力來(lái)源于機(jī)翼。Kitty Hawk Cora使用自動(dòng)飛行軟件，結(jié)合人的監(jiān)管，使沒有受過訓(xùn)練的普通乘客也能夠自由飛行。

圖3 Kitty Hawk Cora機(jī)型

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國(guó)在自主載人飛行器的研究上，走在世界的前列，比較典型的是億航智能、中航工業(yè)和吉利控股集團(tuán)，都推出了各自的載人飛行器。

（1）億航184

2016年國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)上，億航智能推出世界第一款真正意義上的載人無(wú)人機(jī)：億航184，如圖4所示。億航184采用多套獨(dú)立飛行控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，飛行途中會(huì)實(shí)時(shí)采集分析來(lái)自各種傳感器的數(shù)據(jù)，重新規(guī)劃路徑，從而保證將乘客以最快速、最安全的路徑送達(dá)目的地。億航184具體參數(shù)如表1所示，此外還有空調(diào)系統(tǒng)和閱讀燈，配有支持全天候飛行的全自動(dòng)飛控、全電動(dòng)飛機(jī)，還有多個(gè)旋翼備份保障安全，可在1小時(shí)內(nèi)完成充電，螺旋槳收起后，可停在汽車停車位上。

圖4 億航184飛行形態(tài)和折疊形態(tài)

（2）中航工業(yè)賽羚

2015年第三屆天津直升機(jī)國(guó)際博覽會(huì)上，中航工業(yè)推出了賽羚旋翼式汽車， 如圖5所示。賽羚自重為100kg，由旋翼系統(tǒng)、動(dòng)力臂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、車體等部分組成。旋翼系統(tǒng)可收放，展開時(shí)有六副旋翼，通過控制指令，產(chǎn)生縱向、橫向以及航向的操縱力矩。動(dòng)力臂系統(tǒng)用來(lái)聯(lián)接旋翼系統(tǒng)與車體，可以伸縮，將旋翼系統(tǒng)的各種力傳遞到車體?？刂葡到y(tǒng)用來(lái)控制飛行和地面行走的狀態(tài)。行走系統(tǒng)包括車體的底盤、驅(qū)動(dòng)等，可實(shí)現(xiàn)汽車的基本功能。電氣系統(tǒng)僅包含直流電源系統(tǒng)，為整機(jī)提供直流電源。車體用來(lái)聯(lián)接各個(gè)分系統(tǒng)，主要由車身的骨架、外殼構(gòu)成。

（3）吉利Transition

2017年11月，吉利控股集團(tuán)全資收購(gòu)了美國(guó)的Terrafugia。2018年8月1號(hào)，吉利正式宣布，Terrafugia的飛行汽車Transition（如圖6所示）于10月開啟預(yù)定，首批正在量產(chǎn)，將于2019年問世。僅需要40s左右，Transition的機(jī)翼就能完全伸展，且只需要30m的跑道就能夠飛上天空，基本上能夠在任何一條寬敞的馬路上起飛。機(jī)翼收起情況下，Transition可以輕松進(jìn)入家用車庫(kù)。

圖5 賽羚飛行汽車

圖6 Transition飛行形態(tài)和折疊形態(tài)

在安全性方面，Transition配備有安全氣囊、預(yù)緊式安全帶、碰撞潰縮區(qū)等一系列安全裝置，還裝備了降落傘。

3 基本原理與技術(shù)框架

3.1 飛行器的基本原理及分類

從飛行原理和結(jié)構(gòu)看，目前可用于載人的飛行器主要分為：固定翼飛行器、多旋翼飛行器、直升機(jī)、涵道風(fēng)扇飛行器及傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器等。這些類型的飛行器搭載上無(wú)人控制系統(tǒng)，可以在一定程度上改造成無(wú)人駕駛即自主載人飛行器。不同類型的飛行器各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。

表2 各類飛行器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.2 自主載人飛行器技術(shù)框架

從系統(tǒng)組成來(lái)看，自主載人飛行器系統(tǒng)主要包括機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力能源、航電系統(tǒng)、地面控制等，如圖7所示。機(jī)體結(jié)構(gòu)作為飛行器的骨架，包括機(jī)身、機(jī)架和座椅等。動(dòng)力能源包括動(dòng)力系統(tǒng)和電源系統(tǒng)，其中動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)、電調(diào)和旋翼等，是飛行器升力的來(lái)源；電源系統(tǒng)包括電池、電池管理系統(tǒng)和各種電源轉(zhuǎn)換模塊，為飛行器各模塊提供能量，相當(dāng)于飛行器的“心臟”；航電系統(tǒng)是飛行器的重要組成部分，主要包括飛控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、人機(jī)交互等；飛控系統(tǒng)通過運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制，相當(dāng)于飛行器的“駕駛員”；通訊系統(tǒng)是與地面進(jìn)行通訊的媒介，包括數(shù)傳和圖傳通訊；人機(jī)交互系統(tǒng)用于乘客對(duì)飛行器的互動(dòng)。地面控制用于顯示飛行器狀態(tài)，方便地面人員對(duì)飛行器進(jìn)行指揮和控制。

圖7 自主載人飛行器整體組成框架

在操控方面，消費(fèi)型多旋翼無(wú)人機(jī)基本都采用地面遙控設(shè)備對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控操作來(lái)完成目標(biāo)飛行任務(wù)。與此不同的是，自主載人飛行器可擺脫對(duì)遙控操作的依賴，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛飛行，這主要依靠飛行器的飛控系統(tǒng)。自主載人飛行器的飛控系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)自動(dòng)生成合理的軌跡，并通過檢測(cè)周圍環(huán)境障礙物來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，從而控制飛行器安全地飛行。同時(shí)因自動(dòng)駕駛不需要飛行員駕駛，可避免人為誤操作，從而可提高自主載人飛行器的安全性能。

與一般無(wú)人機(jī)的區(qū)別是，自主載人飛行器因?yàn)橐d人，故需要重點(diǎn)關(guān)注安全技術(shù)；自主載人飛行器要廣泛普及，首先需要保證飛行器安全性方面不差于汽車。自主飛行器設(shè)計(jì)上需要考慮安全因素，包括在硬件冗余、抗干擾、故障檢測(cè)及處理等。同時(shí)自主載人飛行器也需要關(guān)注噪聲方面，噪聲不僅僅會(huì)引起地面上人們的反感，更會(huì)引起飛行器上人員的感受。因此需要研究降噪技術(shù)，以降低飛行器的噪聲，保證在人們可接受的范圍內(nèi)。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是整個(gè)自主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的核心，可以理解成自主載人飛行器的“駕駛員”，飛行器的姿態(tài)、位置、懸停、巡航飛行等控制都是依靠飛控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。飛控系統(tǒng)主要包括各種傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、GPS等）和機(jī)載計(jì)算機(jī)兩大部分。各類傳感器相當(dāng)于飛控系統(tǒng)的“眼睛”，用于獲取飛行器姿態(tài)角、位置、速度和高度等參數(shù)，是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其測(cè)量精度也決定了飛行器的控制精度。機(jī)載計(jì)算機(jī)是飛控系統(tǒng)的“大腦”，通過各類傳感器獲取飛行器姿態(tài)位置狀態(tài)，進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出指令給動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)完成相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整等控制動(dòng)作。

飛控系統(tǒng)作為飛行器的核心部件，能自動(dòng)完成飛行器起飛、按設(shè)定軌跡飛行、自動(dòng)返航和自主降落等整個(gè)飛行過程的控制。飛控系統(tǒng)涉及的技術(shù)主要有：飛行器的導(dǎo)航技術(shù)、位姿控制、軌跡規(guī)劃、自動(dòng)避障等。

（1）導(dǎo)航技術(shù)

圖8 自主載人飛行器的控制框圖

獲得高精度、高可靠性的飛行器速度、位置和姿態(tài)是實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行的首要條件。事實(shí)上，每一種傳感器的性能都具有一定局限性，無(wú)法完全滿足飛行器的導(dǎo)航要求。為了同時(shí)滿足高精度、高穩(wěn)定性、高實(shí)時(shí)性的要求，可以選擇將多種傳感器組合在一起，構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以獲得多種信息源，研究如何將這些冗余測(cè)量信息進(jìn)行有機(jī)地信息融合，從而獲得高精度、高可靠性、高魯棒性、高實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航信息，是目前組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題。Fresk E等人[4]基于誤差參數(shù)提出一種可以適用于任意無(wú)人機(jī)位姿估計(jì)的通用框架，利用拓展卡爾曼濾波的平方根公式來(lái)保證協(xié)方差矩陣的半正定性，通過增加計(jì)算的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)解決小型嵌入式系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)范圍問題，同時(shí)整體計(jì)算量保持在一個(gè)較低的水平。Cordeiro T等人[5]提出了一種基于天線陣的姿態(tài)估計(jì)框架，通過ESPRIT算法獲得一對(duì)天線所接收信號(hào)之間的相位差，這種估計(jì)稱為視線矢量測(cè)量，并且結(jié)合到拓展卡爾曼濾波、四元素等姿態(tài)估計(jì)算法中，另外，他們還使用已知的擾動(dòng)模型找到相移均方誤差，來(lái)分析計(jì)算視線矢量的誤差協(xié)方差矩陣。Wu J等人[6]提出了一種基于四元數(shù)的新型姿態(tài)估計(jì)器，它具有磁、角速率、重力傳感器陣列，作者設(shè)計(jì)了一種固定增益互補(bǔ)濾波器進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合，為了避免使用迭代算法，將基于加速度計(jì)的姿態(tài)解算轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng)，基于以上，作者設(shè)計(jì)了一種將陀螺儀和加速度計(jì)融合，不需要迭代的互補(bǔ)濾波器。

（2）位姿控制

位置和姿態(tài)控制是飛控系統(tǒng)中最重要的控制功能，它是飛行器穩(wěn)定飛行和完成各種復(fù)雜的飛行任務(wù)的基礎(chǔ)，其控制效果也決定了軌跡跟蹤精度和抗干擾性能。國(guó)內(nèi)外研究者在這方面開展了大量的研究工作。目前多旋翼飛行器的位姿控制方法主要有PID控制、滑?？刂啤⒎床椒?、LQR控制等[7]，其中PID控制因不依賴模型，且具有一定的魯棒性，一般的開源飛控和消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品采用的都是PID控制算法。

在此基礎(chǔ)上，不少研究者開始結(jié)合現(xiàn)有控制方法來(lái)提高位姿控制性能。Chen F等人提出了一種結(jié)合滑?？刂坪头床娇刂萍夹g(shù)的非線性控制器，提高了系統(tǒng)的魯棒性[8]。Raffo G等人提出一種結(jié)合H∞控制和反步法的控制方法，利用H∞控制保證無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定控制，同時(shí)結(jié)合反演法實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡跟蹤控制[9]。Yacef F等人提出了一種利用自適應(yīng)模糊控制來(lái)逼近未知的非線性反步的方法，該控制方法提高了軌跡跟蹤性能和抗干擾能力[10]。

在飛行過程中，飛行器容易受到內(nèi)外部綜合干擾（如外部陣風(fēng)影響），位姿控制效果也會(huì)受到影響，因此抗干擾飛行也成為了研究熱點(diǎn)。Lyu X等人提出了一種基于擾動(dòng)觀測(cè)器的控制方法，可以提高在受風(fēng)等外部干擾時(shí)的懸停精度[11]；Wang C等人針對(duì)無(wú)人機(jī)負(fù)載變化和變陣風(fēng)干擾問題，提出了一種自適應(yīng)魯棒控制器，可用于一直擾動(dòng)和估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)[12]。Zhang C等人提出了一種用于微型飛行器軌跡跟蹤控制的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，可對(duì)不確定因素進(jìn)行估計(jì)，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力[13]。

（3）軌跡規(guī)劃

與一般的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)不同，自主載人飛行器無(wú)需依賴地面實(shí)時(shí)遙操作，在確定好目的地后，可以進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃，然后自主飛行，這就要求飛控系統(tǒng)具有飛行軌跡在線實(shí)時(shí)規(guī)劃能力。軌跡規(guī)劃基本框架一般包含兩部分內(nèi)容，一部分是路徑搜索，另一部分是軌跡擬合。由于無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃是在三維空間里進(jìn)行的，相比于一般的平面機(jī)器人軌跡規(guī)劃而言，更加復(fù)雜。

作為無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)，軌跡規(guī)劃是當(dāng)前無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)的另一熱點(diǎn)。林鵬宏針對(duì)四軸飛行器多約束條件下的軌跡規(guī)劃，結(jié)合使用基于 RRT 算法的路徑搜索方法和基于模型預(yù)測(cè)的軌跡擬合法，仿真驗(yàn)證該方法的有效性[14]。Li M等人利用基于采樣的RTT算法進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃，來(lái)生成路徑點(diǎn)序列，這種方法與林鵬宏方法類似[15]。Chen Y等人提出一種改進(jìn)型中心力優(yōu)化方法（MCFO），在路徑規(guī)劃過程中，利用粒子群算法和遺傳算法對(duì)原中心力優(yōu)化方法進(jìn)行改進(jìn)[16]。

（4）自主避障

避障系統(tǒng)是自主載人飛行器順利完成飛行任務(wù)的重要安全保障，很大程度上反映了自主載人飛行器的智能水平與實(shí)際飛行安全性。避障系統(tǒng)是指在自主載人飛行器的飛行過程中不斷監(jiān)控物理環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物，根據(jù)對(duì)應(yīng)的深度信息來(lái)規(guī)劃飛行路徑，飛行控制器根據(jù)飛行路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)避障，完成飛行任務(wù)。要實(shí)現(xiàn)避障，最關(guān)鍵的一步是通過傳感器實(shí)時(shí)獲取周邊環(huán)境信息，而獲取周圍環(huán)境信息的傳感器就目前而言可分為超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器以及視覺傳感器等。目前國(guó)際上研究機(jī)構(gòu)和無(wú)人機(jī)公司，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的障礙物識(shí)別展開了深入的研究，主要分為主動(dòng)式避障、被動(dòng)式避障和復(fù)合式避障。

Ramasamy S等人[17]針對(duì)其在飛行器系統(tǒng)感知避障進(jìn)行了深入研究，指出中小型飛行器由于經(jīng)常在地面附近操作，并且由于駕駛員非常有限的觀察和判別能力，進(jìn)一步加劇了發(fā)生碰撞的可能性，他們提出了一種基于激光雷達(dá)的避障系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)包括自動(dòng)避障算法、人機(jī)界面交互、地面控制站。該系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息和跟蹤誤差的實(shí)時(shí)處理，提出了解析模型。Sasongko R A等人[18]提出了一種避障算法，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行路徑上存在障礙物，根據(jù)所識(shí)別的障礙物幾何信息建立受限橢球區(qū)域，基于該橢球區(qū)域計(jì)算避障路徑。隨著自主載人飛行器的迅速發(fā)展，對(duì)障礙物識(shí)別的分辨率、精度、速度的要求也越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)飛行器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能要求也越來(lái)越高，更優(yōu)的傳感器、識(shí)別算法和飛行器動(dòng)態(tài)性能是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

4.2 通信鏈路

無(wú)人飛行器數(shù)據(jù)鏈，主要任務(wù)是將從飛行器上采集到的任務(wù)數(shù)據(jù)傳送給地面站，并將地面站的遙操作指令返回給飛行器。如圖9所示，數(shù)據(jù)鏈主要包括飛行數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)，它們的傳輸通過數(shù)傳系統(tǒng)與圖傳系統(tǒng)完成。

數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)包括調(diào)頻技術(shù)、抗干擾技術(shù)和安全保密技術(shù)等。調(diào)頻技術(shù)是將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳輸信號(hào)，主要方式有調(diào)幅（ASK）、調(diào)頻（FSK）和調(diào)相（PSK）[19]。目前無(wú)人飛行器主要采用線性的調(diào)制技術(shù)，如二相移相鍵控（BPSK）、四相移相鍵控（QPSK）和正交振幅調(diào)制（QAM）等。

抗干擾技術(shù)是為了降低數(shù)據(jù)鏈在傳輸過程中因遠(yuǎn)距離鏈路傳輸帶來(lái)的損耗、遮擋物帶來(lái)的信號(hào)衰落、飛行器高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移以及在復(fù)雜環(huán)境下的干擾和阻塞等問題，目前常采用通?？垢蓴_編碼、直接序列擴(kuò)頻、軟擴(kuò)頻技術(shù)、跳頻、跳時(shí)和擴(kuò)跳結(jié)合技術(shù)等方法[20]。

數(shù)據(jù)鏈的安全性極為重要，它涉及到數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)欺騙和服務(wù)器攻擊等嚴(yán)重問題。目前使用的數(shù)據(jù)鏈安全技術(shù)一般有兩種模式：空-地安全模式和端對(duì)端安全模式[21]?？?地安全模式的優(yōu)點(diǎn)是安全操作對(duì)操作機(jī)構(gòu)而言是透明的，攻擊者很難在空-地網(wǎng)絡(luò)中獲取路由信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但它在地-地網(wǎng)絡(luò)中沒有內(nèi)在的信息安全保護(hù)，不能防止來(lái)自內(nèi)部的攻擊。端對(duì)端安全模式保障了從飛機(jī)到操作機(jī)構(gòu)地面主機(jī)的整條鏈路，即空-地鏈路與地-地鏈路的安全，但它需要操作機(jī)構(gòu)本身進(jìn)行安全防護(hù)。

4.3 地面指揮中心

地面指揮中心是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控和指揮中心，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)與無(wú)人飛行器的有效通訊，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)[22]。基于這些要求，地面站通常包括顯示模塊和控制模塊兩大部分，顯示模塊包括：儀表顯示模塊，故障顯示模塊，跟蹤顯示模塊以及航跡顯示模塊；控制模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃，設(shè)備自主起落，遇險(xiǎn)自動(dòng)返航以及設(shè)備懸停等功能[23]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)人機(jī)的地面站，做出了很多研究[24]。億航智能技術(shù)有限公司（EHANG）針對(duì)旗下的億航184無(wú)人載人飛行器搭建了實(shí)施完備，功能全面的地面調(diào)度指揮中心。

圖9 無(wú)人飛行器數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)疽鈭D

為了更好地控制無(wú)人機(jī)，提升可靠性，無(wú)人機(jī)地面站在設(shè)計(jì)的過程中，往往需要考慮如下技術(shù)：抗干擾技術(shù)，無(wú)人機(jī)定位技術(shù)，信號(hào)快速捕獲技術(shù)以及低仰角高速數(shù)據(jù)接受技術(shù)[25]。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，地面站系統(tǒng)也從一站一機(jī)向一站多機(jī)方向轉(zhuǎn)變[26]。即同時(shí)操控多架無(wú)人機(jī)，這樣既提高了操作效率，也減少了人力成本。

圖10 億航184配套地面指揮中心

4.4 能源系統(tǒng)

飛行器的能源形式大致可以分為燃油、電池和油-電混合三大類。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，包括往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等，其效率僅為20%～30%，遠(yuǎn)低于電機(jī)系統(tǒng)。加上化石燃料的不可再生性，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，以及在短途飛行中的經(jīng)濟(jì)效益劣勢(shì)[27]，“化石燃料+內(nèi)燃機(jī)”的組合被其他更先進(jìn)的能源方式取代也是大勢(shì)所趨。廣義上的電池，如鋰電池、燃料電池、超級(jí)電容等，是燃油的理想替代者之一。盡管電池技術(shù)層出不窮，但是目前還遠(yuǎn)未達(dá)到可以完全替代的程度。另一個(gè)方案是油-電混合，結(jié)合燃油能量密度高和電能高效、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，用燃油發(fā)電驅(qū)動(dòng)飛行器。

在電池技術(shù)中，應(yīng)用最廣的是鋰電池技術(shù)。然而其發(fā)展卻已經(jīng)陷入困境，鋰電池單體的能量密度不足1MJ/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到取代燃油的要求。而僅依靠更先進(jìn)、更復(fù)雜的電芯制造技術(shù)，包括控制電池中活性顆粒的大小形態(tài)以及集電結(jié)構(gòu)等，其能量密度無(wú)法再有大幅的提升[28]。鋰電池技術(shù)需要更基礎(chǔ)、更創(chuàng)新的理論突破。

相比之下，其他的新型能源，如氫能、可再生的生物燃料等，在應(yīng)用廣泛度、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境影響等方面相比于電池都不具備優(yōu)勢(shì)[29]。在可預(yù)見的未來(lái)，電池仍然是最有前景的能源形式。

4.5 安全保障

對(duì)于飛行器整體，需要進(jìn)行狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。可按階段分為飛行前的健康檢查、飛行中的健康監(jiān)測(cè)、失效保護(hù)等方面。在傳統(tǒng)的飛機(jī)等航空裝備中，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)了直升機(jī)完好性與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Health and Usage Monitoring System，HUMS）、飛機(jī)故障預(yù)測(cè)和狀態(tài)管理系統(tǒng)（Prognostics and Health Management System，PHM）、中央維護(hù)系統(tǒng)（CMS）[30]。通過健康監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)可以提升飛行器的任務(wù)可靠性和使用壽命。

隨著無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展[31]，其所帶來(lái)的安全威脅已經(jīng)引起了人們和各個(gè)國(guó)家政府機(jī)構(gòu)的關(guān)注[32，33]，相應(yīng)的無(wú)人機(jī)反制技術(shù)也在不斷發(fā)展。在2016年的315晚會(huì)上，央視演示了黑客入侵一架DJI的精靈無(wú)人機(jī)并完全獲取無(wú)人機(jī)控制權(quán)的過程。無(wú)人機(jī)反制技術(shù)分類舉例如表3所示[34]。

表3 無(wú)人機(jī)反制技術(shù)分類

針對(duì)攔截和干擾，無(wú)人機(jī)的應(yīng)對(duì)策略舉例如表4所示。

表4 無(wú)人機(jī)干擾應(yīng)對(duì)策略

載人方面，目前能大大提升挽救生命概率的方式是加裝整機(jī)降落傘[35]。最著名的整機(jī)降落傘公司是BRS，其產(chǎn)品如圖11所示，在各種飛行事故中已經(jīng)成功挽救了300多生命[36]。

圖11 BRS整機(jī)降落傘[37]

5 其他相關(guān)技術(shù)

5.1 降噪技術(shù)

隨著無(wú)人機(jī)的廣泛運(yùn)用， 無(wú)人機(jī)噪聲問題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)，尤其是起降過程中常常產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。以旋翼無(wú)人機(jī)為例，噪聲來(lái)源主要是旋翼噪聲和電機(jī)噪聲。

南京航空航天大學(xué)宋辰瑤[38]基于聲學(xué)時(shí)域公式建立了旋翼旋轉(zhuǎn)噪聲計(jì)算的方法和模型，實(shí)現(xiàn)懸停和前飛狀態(tài)下旋翼厚度噪聲和載荷噪聲的計(jì)算，分析了槳葉片數(shù)、旋翼轉(zhuǎn)速、旋翼直徑、前飛速度等不同參數(shù)對(duì)旋翼噪聲的影響。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的因素很多，其中換向電流的急劇變化是引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲的主要原因之一。Jiao G[39]提出了一種正弦波代替方波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，使輸出的電流波形為正弦波，有效抑制換向電流的突變，降低了運(yùn)行噪聲。 該項(xiàng)技術(shù)在大疆無(wú)人機(jī)上得到了應(yīng)用，使飛行噪聲降低了4dB。

為了讓無(wú)人機(jī)飛行時(shí)能夠減少噪音，亞馬遜基于仿生學(xué)原理，參照飛鳥翅膀和毛狀植物，在螺旋槳邊緣增加了鋸齒狀設(shè)計(jì)，并且根據(jù)類比思想，參照高爾夫球和潛艇螺旋槳，在螺旋槳表面增加了凸起設(shè)計(jì)，改變表面形態(tài)，起到了降噪的效果。

5.2 人機(jī)交互

圖12 亞馬遜無(wú)人機(jī)螺旋槳降噪方案設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)是指飛行器內(nèi)部，乘客與飛行器及乘客與地面控制中心之間交互的平臺(tái)，其主要任務(wù)有三個(gè)：一是顯示飛行器的飛行狀態(tài)，二是對(duì)飛行器進(jìn)行有限的控制，三是實(shí)現(xiàn)與地面控制中心之間的視頻通訊。人機(jī)交互系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)的功能十分類似，但是又有明顯的區(qū)別：在顯示功能方面，人機(jī)交互系統(tǒng)上顯示的飛行狀態(tài)參數(shù)是精簡(jiǎn)的，只顯示乘客可能關(guān)心的參數(shù)，例如航速、高度等，對(duì)于一些專業(yè)的參數(shù)，只會(huì)在地面站系統(tǒng)上顯示；在控制功能方面，人機(jī)交互系統(tǒng)只能對(duì)飛行器進(jìn)行有限的控制，例如，只允許航跡規(guī)劃、懸停、降落、返航等操作，不允許乘客隨意控制飛行狀態(tài)?；谝陨闲枨?，人機(jī)交互系統(tǒng)通常包括飛行器自身狀態(tài)模塊，飛行狀態(tài)模塊和視頻通訊模塊三大部分，飛行器自身狀態(tài)包括飛行器結(jié)構(gòu)展示圖，燈組控制，溫度控制等，主要展示和控制一些與飛行無(wú)關(guān)的功能；飛行狀態(tài)模塊包括飛行狀態(tài)顯示和飛行控制；視頻通訊模塊利用攝像頭、麥克風(fēng)和視頻通訊軟件實(shí)現(xiàn)多方視頻通話。

圖13 人機(jī)交互系統(tǒng)

5.3 測(cè)試系統(tǒng)

為保證飛行器，尤其是自主載人飛行器穩(wěn)定可靠地完成飛行任務(wù)，對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行功能及性能測(cè)試是飛行器在研發(fā)階段與飛行前后必不可少的環(huán)節(jié)。如圖14所示，飛行器測(cè)試一般包含兩部分內(nèi)容：航電系統(tǒng)檢測(cè)以及綜合性能測(cè)試。

圖14 飛行器測(cè)試系統(tǒng)的一般組成

航電系統(tǒng)檢測(cè)主要涵蓋單板級(jí)、單元級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)的檢測(cè)[40]。其中，系統(tǒng)級(jí)檢測(cè)對(duì)各部分元器件的電信號(hào)、參數(shù)及兼容性等進(jìn)行測(cè)試，是航電系統(tǒng)檢測(cè)中最關(guān)鍵的部分。該技術(shù)目前已發(fā)展到第三代模塊化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[41]，即依靠測(cè)試總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊化的測(cè)試儀器方案，同步結(jié)合虛擬儀器技術(shù)自動(dòng)完成測(cè)試任務(wù)。綜合性能測(cè)試對(duì)象主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)和飛行狀態(tài)等方面，目前已發(fā)展到數(shù)值仿真、半物理仿真與實(shí)物測(cè)試相結(jié)合的方式[42-44]。

相較以往，目前的測(cè)試技術(shù)已能大幅降低研發(fā)周期與成本，但仍存在諸多問題：測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)成本依舊高昂、通用性不足并且缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[45]。因此，如何更加經(jīng)濟(jì)、快速、安全、有效地完成測(cè)試任務(wù)，是未來(lái)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向。

6 未來(lái)展望

1886年，“汽車之父”卡爾·本茨發(fā)明了世界上第一輛汽車——奔馳1號(hào)，汽車從當(dāng)時(shí)18km/h的速度跑到現(xiàn)在，已經(jīng)誕生了百公里加速度只需要3s的超級(jí)跑車以及“特斯拉”為代表的無(wú)人駕駛汽車，成為了當(dāng)今世界最主要的交通工具。縱觀整個(gè)汽車發(fā)展史，先后經(jīng)歷了追求功能與性能的起步階段、追求安全與穩(wěn)定的發(fā)展階段、追求舒適與個(gè)性的成熟階段和追求智能與環(huán)保的繁榮階段。

按照汽車發(fā)展的歷史，我們有理由相信，未來(lái)載人飛行器也將一步一步攻克性能、安全、續(xù)航、能效、環(huán)保等諸多技術(shù)壁壘，達(dá)到隨時(shí)隨地穩(wěn)定地定制化出行（On Demand Mobility）要求。伴隨著人工智能和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的載人飛行器也必將朝著數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的方向演進(jìn)。

歷史的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，技術(shù)的革命必將帶動(dòng)政策的革新。在民用航空器領(lǐng)域，適航政策是整個(gè)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵的一環(huán)。目前我國(guó)已經(jīng)成為了世界上最大的無(wú)人機(jī)生產(chǎn)國(guó)，民航局等部門相繼出臺(tái)了一系列關(guān)于無(wú)人機(jī)管理、規(guī)范、應(yīng)用等方面的法律法規(guī)和通知公告旨在規(guī)范無(wú)人機(jī)市場(chǎng)秩序的政策與文件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅從2017年到2018年8月，我國(guó)出臺(tái)的關(guān)于無(wú)人機(jī)方面的政策已有17條之多。這也體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)于無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)有序、持續(xù)發(fā)展的重視與支持。一方面，民用適航政策需要通過對(duì)民用航空器設(shè)計(jì)、制造、使用和維修等環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)一的審查、鑒定、監(jiān)督和管理，保障民機(jī)的安全穩(wěn)定；另一方面，當(dāng)今快速發(fā)展的無(wú)人機(jī)技術(shù)需要更靈活的適航政策來(lái)推動(dòng)行業(yè)的快速發(fā)展。比如在無(wú)人機(jī)科研領(lǐng)域，需要出臺(tái)專項(xiàng)政策，為研究人員提供試驗(yàn)空間和適航授權(quán)，這也將鼓勵(lì)更多力量投入到無(wú)人飛行器的研究當(dāng)中，促進(jìn)整個(gè)城市空中交通產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

我們可以構(gòu)想這樣一幅面向未來(lái)的美好藍(lán)圖：未來(lái)城市上空不同高度、不同軌跡上會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)無(wú)人駕駛的飛行器，載著乘客高速前往目的地，乘客可以按需定制出行，并且在機(jī)艙中享受各種服務(wù)。城市樓宇等建筑物頂部，會(huì)出現(xiàn)大量自動(dòng)泊機(jī)位和充電樁，城市空中交通生態(tài)建成，人類的出行方式邁入“飛行時(shí)代”，社會(huì)生活方式將再一次發(fā)生變革。