民用無人機(jī)故障／事故原因分析

谷全祥 蔡琰 吳強(qiáng)

民用無人機(jī)在運(yùn)行過程中可能面臨多種威脅，由此導(dǎo)致故障/事故。特別是在民用無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域快速擴(kuò)展，裝備數(shù)量急劇提升的背景下，亟需針對(duì)各種威脅因素及可能導(dǎo)致的故障/事故進(jìn)行分析，為開展民用無人機(jī)飛行安全測試提供依據(jù)。

無人機(jī)事故頻發(fā)

由于民用無人機(jī)與軍用無人機(jī)在技術(shù)機(jī)理和事故原因上具有很高的相似性，可以從軍用無人機(jī)大規(guī)模裝備后的早期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)的事故頻次進(jìn)行觀察。

裝備軍用無人機(jī)數(shù)量最多、累計(jì)操控飛行時(shí)間最長的當(dāng)屬美軍，其無人機(jī)事故亦最多，相對(duì)最具典型性。據(jù)2014年《華盛頓郵報(bào)》一篇詳細(xì)研究美國軍方報(bào)告的文章稱，自2001年9月至2013年底，美軍無人機(jī)共發(fā)生418起重大事故。其中194起被列為“甲級(jí)”事故（即整架無人機(jī)嚴(yán)重受損或報(bào)銷，涉及金錢損失數(shù)字超過200萬美元），224起被列為“乙級(jí)”事故（金錢損失數(shù)字由50萬美元至200萬美元不等）。從絕對(duì)數(shù)上看，這一數(shù)字和同一時(shí)期美軍有人駕駛飛機(jī)的事故相當(dāng)，而從事故率上看，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人駕駛飛機(jī)。美國空軍相關(guān)資料稱，“捕食者”無人機(jī)在服役初期，墜毀率一直居高不下，每飛行10萬小時(shí)就發(fā)生13.7起A類事故。2009年以來，隨著空軍使用經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，“捕食者”無人機(jī)的A級(jí)事故率下降到每飛行10萬小時(shí)發(fā)生4.79起。而更為先進(jìn)的“死神”無人機(jī)的A級(jí)事故率為每10萬小時(shí)3.17起。即便如此，它們的事故率遠(yuǎn)高于有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)。F-16和F-15的10萬小時(shí)的A級(jí)事故率分別為1.96和1.47起。2013年6月，美國陸軍安全官員稱，在過去9個(gè)月，陸軍無人機(jī)墜毀率是陸軍有人駕駛飛機(jī)的10倍。實(shí)際數(shù)字還要大得多。約55%的“獵人”無人機(jī)在訓(xùn)練和作戰(zhàn)行動(dòng)中因各種原因失事，至少38%的“影子”無人機(jī)也曾發(fā)生重大事故。

近年來，隨著民用無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展，特別是消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的急劇攀升，各類民用無人機(jī)事故頻發(fā)。2017年1-10月，加拿大交通部共收到1596起無人機(jī)事故的報(bào)告。

故障，事故原因分析

一般來說，導(dǎo)致民用無人機(jī)飛行事故的主要因素導(dǎo)致包括：操縱錯(cuò)誤/失誤、機(jī)械故障、軟件故障、通信故障、電磁干擾、地磁紊亂、全球定位系統(tǒng)（GPS）受到干擾、惡劣天氣、機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等。

操縱錯(cuò)誤/失誤

主要包括操作員不掌握操縱方法、不了解飛行原理、缺乏常識(shí)（尤其是電子特性知識(shí)方面）、技能/經(jīng)驗(yàn)不足、失誤等。例如民用無人機(jī)產(chǎn)品說明書強(qiáng)調(diào)視線內(nèi)飛行，保證遙控器發(fā)射電波的傳播，避免其他物體遮擋造成信號(hào)丟失/信號(hào)減弱。但實(shí)際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)因遙控鏈路被遮斷而導(dǎo)致炸機(jī)。

某無人機(jī)資訊網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，從201 3年到2016年的1800條消費(fèi)級(jí)無人機(jī)事故中，85%以上的無人機(jī)事故是由于用戶操作不當(dāng)引起的，只有少部分是因?yàn)椴考ъ`或其他不可抗力發(fā)生。由于操縱錯(cuò)誤/失誤導(dǎo)致的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)產(chǎn)品常見事故主要包括以下三種情況：

（1）超視距飛行時(shí)發(fā)生側(cè)邊或后邊撞擊;

（2）用戶在啟用姿態(tài)模式后操作不穩(wěn)而導(dǎo)致撞擊;

（3）用戶對(duì)功能理解有偏差，導(dǎo)致返航撞擊或者其他事故。

對(duì)于第一視角飛行控制的大中型無人機(jī)更容易出現(xiàn)失誤。盡管無人機(jī)都安裝有攝像頭和高科技傳感器，但這些儀器永遠(yuǎn)無法完全取代坐在駕駛艙內(nèi)的飛行員的感官。有專家指出，飛行員的前庭器官猶如一個(gè)小型的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，人類依靠它來感知自身的運(yùn)動(dòng)。無人機(jī)的操作員由于位于地面，無法親自感受無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)，操縱起來自然沒有在飛機(jī)座艙里那樣精確。因此，無人機(jī)操作員必須經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)，取得資格后，才能實(shí)際操作。工作期間，還要經(jīng)常參加各種操作培訓(xùn)。即使這樣，仍避免不了失誤，特別是在操作無人機(jī)降落時(shí)發(fā)生操縱感受偏差而導(dǎo)致事故。

機(jī)械故障導(dǎo)致事故

機(jī)械事故是導(dǎo)致無人機(jī)失控的主要因素之一，多在于電池脫落、關(guān)鍵連接部件失效、動(dòng)力傳輸部件失靈等。

以可折疊的GoPro公司推出的Karma無人機(jī)為例。據(jù)Recode中文站2016年1月7日?qǐng)?bào)道，被視為大疆消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品重要競爭對(duì)手的Karma無人機(jī)可能突然失去動(dòng)力從空中掉落，導(dǎo)致?lián)p壞。GoPro公司召回了所有Karma無人機(jī)，而用戶均獲得了全額退款。公司首席執(zhí)行官尼克·伍德曼（NickWoodman）在美國國際消費(fèi)電子展（CES）上表示，故障是由于“基本的電池固定問題”。

2009年3月20日，一架“死神”在加利福尼亞州訓(xùn)練時(shí)墜毀，事故原因是燃油系統(tǒng)的一個(gè)溫控閥出現(xiàn)故障，事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)該閥門是專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，并不適用于飛機(jī)，由于未經(jīng)過充分的、各種飛行環(huán)境的測試，導(dǎo)致這一缺陷沒有在交付前顯示，從而在實(shí)際飛行中遭遇了事故。

軟件故障

機(jī)載系統(tǒng)的軟件故障也是無人機(jī)發(fā)生事故的原因之一。2007年12月10日，美國一架登記號(hào)為A008的A160T“蜂烏”無人直升機(jī)在加利福尼亞州試飛時(shí)墜毀。波音公司的事故調(diào)查委員會(huì)確定，飛行試驗(yàn)事故發(fā)生的原因是在飛行過程中，飛行計(jì)算機(jī)內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)更新被停止，傳感器對(duì)控制系統(tǒng)的反饋失效，導(dǎo)致飛機(jī)失去了飛行控制，幾乎是垂直撞向了地面，最終導(dǎo)致無人機(jī)墜毀。

通信故障

澳洲皇家墨爾本理工大學(xué)和埃迪斯科文大學(xué)的一個(gè)研究小組表示：無人機(jī)事故頻發(fā)的罪魁禍?zhǔn)资羌夹g(shù)故障。研究小組分析了2006 - 2016年期間澳大利亞發(fā)生的150起無人機(jī)事故，他們發(fā)現(xiàn)其+64%的事故是由于無人機(jī)失靈造成。而在大多數(shù)案例中，通信故障問題導(dǎo)致無人機(jī)發(fā)生事故。無人機(jī)主要依靠無線傳輸進(jìn)行導(dǎo)航和控制，但這些通信鏈接非常脆弱，容易因各種形式的干擾而中斷。

無人機(jī)主要依靠無線傳輸進(jìn)行導(dǎo)航和控制，但是通信鏈接容易因各種形式的干擾而中斷。理論上，出現(xiàn)通信鏈路短暫中斷時(shí)，無人機(jī)會(huì)根據(jù)程序沿一個(gè)圓形或者其他預(yù)定軌跡飛行，直到通信鏈接恢復(fù)。在最壞的情況下，它們會(huì)自動(dòng)返回發(fā)射基地。但記錄顯示，情況并不都是如此。在超過1/4的最嚴(yán)重?zé)o人機(jī)墜毀事故中，都發(fā)生了通信鏈接崩潰或丟失的問題。

此外，通信鏈路中的時(shí)滯也是由于很多無人機(jī)需要經(jīng)過衛(wèi)星進(jìn)行控制，由地面控制站到衛(wèi)星再到無人機(jī)，然后無人機(jī)的信息反饋到衛(wèi)星再反饋到地面站，如果在這個(gè)環(huán)節(jié)中因通信故障發(fā)生較長時(shí)滯，會(huì)導(dǎo)致飛行員在很多情況下無法做出及時(shí)、正確的決策，最終釀成大錯(cuò)。

電磁干擾

2011～2014年期間，某超高壓輸電公司用無人機(jī)進(jìn)行輸電線路巡檢過程中，出現(xiàn)了多次的失控現(xiàn)象，失控后無人機(jī)在空中發(fā)生不規(guī)則螺旋式旋轉(zhuǎn)下降，操控人員經(jīng)過多次模式切換與緊急調(diào)整均無效，無人機(jī)約1min后高空墜落。

故障發(fā)生后經(jīng)過調(diào)查分析，排除由于人員誤操作造成墜機(jī)的可能。后經(jīng)研究和事故排查認(rèn)為：事故可能是高壓線電磁場導(dǎo)致無人機(jī)定向發(fā)生故障，產(chǎn)生原因是浪涌磁場和地磁場紊亂所致。

地磁紊亂

電子羅盤作為無人機(jī)產(chǎn)品的重要組成部件，以地磁場作為指北的參考依據(jù)，承載著為無人機(jī)引導(dǎo)絕對(duì)方位的功能。對(duì)于多旋翼類飛行器，電子指北針元件是相對(duì)關(guān)鍵的部件，對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定飛行有著重要的作用。在實(shí)際使用中，鋼鐵制船舶、建筑、含鐵量較大的山體可能導(dǎo)致局部范圍地磁紊亂，導(dǎo)致無人機(jī)電子羅盤工作不正常。同時(shí)，由于無人機(jī)內(nèi)部電子羅盤和其余電子元器件距離較近，當(dāng)無人機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)排布不合理時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電子羅盤受到磁場干擾。無人機(jī)在失去定向功能后往往發(fā)生自轉(zhuǎn)，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)很可能導(dǎo)致失去平衡而墜地。

GPS受到干擾

民用無人機(jī)需要GPS等衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，以穩(wěn)定懸停、盤旋和按照指定航線飛行。但是，在實(shí)際使用環(huán)境中，GPS天線可能被屏蔽，或被附近電磁場干擾，甚至被他人惡意干擾，進(jìn)而導(dǎo)致無法正常使用。

惡劣天氣

惡劣天氣常導(dǎo)致無人機(jī)事故發(fā)生，民用無人機(jī)如此，軍用無人機(jī)亦然。在軍用無人機(jī)方面，惡劣天氣原因?qū)е聣嫏C(jī)事故也比比皆是。2001年11月2日，美國空軍一架“捕食者”在阿富汗“持久自由”行動(dòng)中墜毀?？哲娫谛侣劙l(fā)布會(huì)上披露，可能是天氣惡劣所致。惡劣的戰(zhàn)區(qū)環(huán)境可能對(duì)無人機(jī)造成嚴(yán)重傷害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，環(huán)境因素造成的飛行事故約占23.2%。洛克希德·馬丁公司的報(bào)告稱阿富汗和伊拉克荒漠中的沙礫能像細(xì)菌一樣鉆進(jìn)無人機(jī)暴露的儀表設(shè)備和動(dòng)力艙中。美國第4機(jī)械化步兵師曾在伊拉克戰(zhàn)場征戰(zhàn)9個(gè)月，使用的“先鋒”“探索者”“銀狐”等戰(zhàn)術(shù)無人偵察機(jī)因氣候原因損失達(dá)數(shù)十架之多。

機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足

2017年6月28日，F(xiàn)acebook公司的“天鷹座”（Aq uila）無人機(jī)在接近美國亞利桑那州尤馬的地方，遭遇“結(jié)構(gòu)故障”，所幸此次事故沒有造成人員傷亡，但無人機(jī)本身受到嚴(yán)重?fù)p壞，已經(jīng)不再適航。

美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)的調(diào)查顯示，無人機(jī)由于右側(cè)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)性問題，在完成96min飛行測試后降落時(shí)發(fā)生事故。Facebook無人機(jī)在降落時(shí)只能通過自動(dòng)化模式進(jìn)行。無人機(jī)通過分析風(fēng)速和氣溫等信息自動(dòng)調(diào)整最佳降落方法。無人機(jī)降落時(shí)，操作員估計(jì)風(fēng)速約為7kn.，但實(shí)際風(fēng)速卻突然增加至18kn.。自動(dòng)降落系統(tǒng)因?yàn)闊o人機(jī)的機(jī)頭角度過低，提升空速并轉(zhuǎn)動(dòng)右翼，由于右翼結(jié)構(gòu)不足而導(dǎo)致?lián)p壞。開展安全性測試勢在必行。

當(dāng)前，許多民用無人機(jī)本身缺乏足夠的測試，在沒有排除機(jī)械缺陷、軟件缺陷、通信缺陷等問題時(shí)匆匆忙忙交付客戶，導(dǎo)致實(shí)際使用中故障頻發(fā)，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。為此，加強(qiáng)民用無人機(jī)安全性測試（包括飛行測試和時(shí)間積累測試）勢在必行。

測試環(huán)境是安全性測試的必備條件和基礎(chǔ)。民用無人機(jī)的測試環(huán)境分為地面模擬空中環(huán)境和空中實(shí)際飛行測試環(huán)境。在民用無人機(jī)測試環(huán)境及方法研究中，應(yīng)當(dāng)秉承頂層輸入、逐步細(xì)化、循環(huán)迭代的思路有序開展：

第一步，頂層輸入，開展民用無人機(jī)事故搜集和分析，開展民用無人機(jī)故障視圖、事故視圖和測試視圖的研究，作為測試環(huán)境研究的原始輸入和測試大綱研究的主要方向。

第二步，開展測試環(huán)境建設(shè)方案的細(xì)化研究，并根據(jù)民用無人機(jī)在各個(gè)環(huán)境的使用作業(yè)特點(diǎn)，開展測試視圖的深化和細(xì)化研究，形成具體的、具有操作性的測試大綱。

第三步，在民用無人機(jī)飛行安全性測試環(huán)境建設(shè)過程中不斷與頂層輸入開展交流和反饋、研究，逐步完善測試大綱。