“黑鷹”直升機(jī)以無(wú)人模式完成自主飛行任務(wù)

格雷厄姆·沃里克（華盛頓）

西科斯基公司S-70A“黑鷹”直升機(jī)以無(wú)人模式飛行30min，完成一次自主飛行試驗(yàn)任務(wù)，展示了與眾不同的任務(wù)靈活性和自主處理突發(fā)事件的能力。在試驗(yàn)中，機(jī)載激光雷達(dá)模擬器探測(cè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中的虛擬建筑，“矩陣技術(shù)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)規(guī)劃新的航線，規(guī)避了虛擬障礙物。

2022年2月，西科斯基公司自動(dòng)化技術(shù)取得新進(jìn)展。該公司開(kāi)發(fā)的“矩陣技術(shù)”（Matrix Technology）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)有望在復(fù)雜任務(wù)中發(fā)揮戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，為機(jī)組人員的飛行安全提供支持。

“矩陣技術(shù)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

西科斯基公司（Sikorsky）于2013年啟動(dòng)“矩陣技術(shù)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)計(jì)劃，旨在減少飛行員在執(zhí)行常規(guī)任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)（特別是緊急任務(wù)）中的工作量，以提高旋翼機(jī)的安全性、任務(wù)靈活性尤其是執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)的靈活性。直升機(jī)安裝“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)后，能以無(wú)人模式執(zhí)行任務(wù)。

與此同時(shí)，西科斯基公司開(kāi)發(fā)了一種駕駛艙內(nèi)置模式轉(zhuǎn)換器。模式轉(zhuǎn)換器上標(biāo)注了“2-1-0”檔位，“2”檔表示機(jī)上有兩名操控員，“1”檔表示機(jī)上有一名操控員，“0”檔表示機(jī)上無(wú)操控員。當(dāng)開(kāi)關(guān)被置于“2”檔時(shí)，“矩陣技術(shù)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)協(xié)助兩名操控員執(zhí)行一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)；在“1”檔時(shí)，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)作為一種數(shù)字化自動(dòng)駕駛儀，供一名操控員使用；在0檔時(shí)，機(jī)上無(wú)操控員，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)控制直升機(jī)飛行。

在直升機(jī)飛行中，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)允許操控員設(shè)置高級(jí)任務(wù)目標(biāo)和約束條件，同時(shí)賦予自主軟件重新規(guī)劃任務(wù)的靈活性，以規(guī)避障礙和威脅。該系統(tǒng)采用人性化設(shè)計(jì)，操控員可以坐在S-70A直升機(jī)駕駛艙的后座上，操作平板電腦控制直升機(jī)飛行。

“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)不是人工智能系統(tǒng)，而是操控員向直升機(jī)發(fā)送任務(wù)指令。但是，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的功能，比人類更擅長(zhǎng)處理緊急任務(wù)。例如，當(dāng)一架重型直升機(jī)在低空飛行時(shí)，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車，這時(shí)飛行員必須在數(shù)秒甚至不到一秒內(nèi)做出決策，是緊急降落還是讓直升機(jī)繼續(xù)使用其他無(wú)故障發(fā)動(dòng)機(jī)為飛行提供動(dòng)力，并獲得足夠的空速以減少飛行動(dòng)力。面對(duì)此類突發(fā)事件，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)能夠非常明確地做出決策。在西科斯基公司開(kāi)展的多次模擬試驗(yàn)中，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)幾乎每次都能戰(zhàn)勝人類。

圖1 S-70A“黑鷹”是一種可選駕駛模式直升機(jī)。

S-70A“黑鷹”直升機(jī)發(fā)展概況

西科斯基公司S-70A“黑鷹”(S-70A Black Hawk)于2019年3月首飛，是一種可選駕駛模式直升機(jī)(OPV)，由陸軍退役直升機(jī)UH-60A改裝而成，最大起飛重量6356kg，安裝了全權(quán)限電傳飛行控制系統(tǒng)和“矩陣技術(shù)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。其機(jī)頭下方掛載了激光雷達(dá)傳感器，用于探測(cè)和規(guī)避障礙物。

目前，S-70A“黑鷹”直升機(jī)僅掛裝一臺(tái)激光雷達(dá)，但配置“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)的量產(chǎn)型直升機(jī)將安裝一種帶有多臺(tái)激光雷達(dá)和攝像儀的分布式系統(tǒng)。根據(jù)操控員的實(shí)際需求，分布式系統(tǒng)可提供360°視野覆蓋。

“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”計(jì)劃實(shí)施

美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）項(xiàng)目經(jīng)理斯圖亞特·楊（Stuart Young）介紹，2016年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目辦公室啟動(dòng)“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”（Alias）計(jì)劃，目的是開(kāi)發(fā)一種靈活、可擴(kuò)展自主架構(gòu)，提高現(xiàn)役有人機(jī)的安全性和作戰(zhàn)效能。9種不同型號(hào)的軍機(jī)和民機(jī)已利用“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”開(kāi)展飛行測(cè)試。

“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”負(fù)責(zé)規(guī)劃任務(wù)，提供任務(wù)執(zhí)行的方法并按照人類發(fā)送的指令完成任務(wù)。雖然該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，但擁有諸多優(yōu)勢(shì)。

一是減輕飛行員的認(rèn)知工作量，讓飛行員專注于任務(wù)管理和高級(jí)決策。

二是有望減少培訓(xùn)需求和維護(hù)成本。

三是能將傳動(dòng)控制裝置的運(yùn)行時(shí)間縮短到僅10min。

四是防止壽命有限的部件發(fā)生過(guò)載，將這些部件的使用壽命延長(zhǎng)近一倍而不影響部件性能。

在美國(guó)國(guó)防預(yù)研局“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”計(jì)劃支持下，西科斯基公司正在探索“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)在軍用旋翼機(jī)、軍用固定翼飛機(jī)、商用貨運(yùn)飛機(jī)、設(shè)計(jì)中的未來(lái)電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器和混合動(dòng)力垂直起降（VTOL）飛行器中的應(yīng)用。

目前，西科斯基公司正在將開(kāi)發(fā)的技術(shù)移交給陸軍，以幫助陸軍拓展“未來(lái)垂直起降”（FVL）等項(xiàng)目的自主性需求。美國(guó)空軍對(duì)“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”在洛克希德-馬丁公司F-16戰(zhàn)斗機(jī)中的應(yīng)用也表現(xiàn)出興趣。

“機(jī)組人員駕駛艙內(nèi)置自動(dòng)化系統(tǒng)”計(jì)劃的總經(jīng)費(fèi)為1.5億美元。在6年時(shí)間里，美國(guó)國(guó)防預(yù)研局和西科斯基公司大致分別使用了7500萬(wàn)美元。該計(jì)劃現(xiàn)已接近尾聲，預(yù)計(jì)2022年底結(jié)束。西科斯基公司仍在繼續(xù)使用S-70A可選駕駛模式直升機(jī)和西科斯基公司S-76研究用自主直升機(jī)（SARA）拓展“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)的性能，以開(kāi)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)融合算法和其他功能的算法。

S-70A以有人模式出色完成試驗(yàn)任務(wù)

2021年，S-70A“黑鷹”可選駕駛模式直升機(jī)在亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場(chǎng)參加美國(guó)陸軍“2021項(xiàng)目融合”（PC21）技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，展示了對(duì)抗環(huán)境下的后勤物質(zhì)補(bǔ)給能力。

西科斯基公司在“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)中加裝了一個(gè)開(kāi)放式應(yīng)用程序編程接口。在“2021項(xiàng)目融合”試驗(yàn)期間，陸軍驗(yàn)證了陸軍用戶界面控制直升機(jī)的能力。

美國(guó)陸軍任務(wù)規(guī)劃人員表示，在“2021項(xiàng)目融合”試驗(yàn)中，他們已經(jīng)看到S-70A與機(jī)上安全操控員一起飛行，S-70A實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，期待不久能見(jiàn)證S-70A采用無(wú)人模式自主飛行。

現(xiàn)在，美國(guó)陸軍須要證明，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)擁有足夠強(qiáng)的性能控制S-70A在無(wú)人模式下飛行。

S-70A以無(wú)人模式完成自主飛行任務(wù)

美國(guó)陸軍坎貝爾堡基地位于美國(guó)肯塔基州，是美國(guó)陸軍第101空降師和第160特種作戰(zhàn)航空?qǐng)F(tuán)的駐地，兩者都是“黑鷹”直升機(jī)的運(yùn)營(yíng)單位。

2022年2月5日，西科斯基公司在陸軍坎貝爾堡基地測(cè)試了“矩陣技術(shù)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的性能。首先，2名操控員對(duì)一架跑道上的S-70A“黑鷹”直升機(jī)進(jìn)行模式重置，將轉(zhuǎn)換器上的開(kāi)關(guān)從“2”檔快速旋轉(zhuǎn)到“0”檔后關(guān)機(jī)，然后從駕駛艙出來(lái)，離開(kāi)直升機(jī)。接著，地面操控員操作平板電腦，向“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)發(fā)送指令，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)收到指令后啟動(dòng)輔助動(dòng)力裝置，為機(jī)上無(wú)操控員的S-70A“黑鷹”直升機(jī)充電，并按照檢查清單項(xiàng)目，自動(dòng)對(duì)直升機(jī)實(shí)施飛行前檢查，最后啟動(dòng)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。此后，S-70A“黑鷹”升空，飛行30min后降落在跑道上，并自主停機(jī)。值得一提的是，S-70A“黑鷹”以無(wú)人模式完成了自主飛行任務(wù)。

在試驗(yàn)期間，地面操控員收到S-70A“黑鷹”直升機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)，“黑鷹”直升機(jī)自主執(zhí)行了一項(xiàng)從平板電腦發(fā)出的預(yù)設(shè)任務(wù)。

此次自主飛行任務(wù)其實(shí)是S-70A“黑鷹”直升機(jī)模擬紐約市曼哈頓區(qū)上空的飛行。S-70A未開(kāi)啟激光雷達(dá)，但機(jī)載激光雷達(dá)模擬器探測(cè)了紐約市數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中的建筑物，并將障礙物數(shù)據(jù)發(fā)送給“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)飛行任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃，規(guī)避了模擬障礙物并完成任務(wù)。操作人員在激光雷達(dá)模擬器中加載了數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，并將位置從曼哈頓區(qū)重新定位到坎貝爾堡基地，而“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)中的其他設(shè)備并不清楚建筑物的位置。當(dāng)虛擬障礙物進(jìn)入激光雷達(dá)模擬器的探測(cè)范圍時(shí)，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)會(huì)重新規(guī)劃在建筑物周圍飛行的航線。

圖2 在“2021項(xiàng)目融合”試驗(yàn)中，安全操控員在機(jī)上操作平板電腦控制S-70A“黑鷹”飛行。

圖3 2022年2月5日，S-70A“黑鷹”可選駕駛模式直升機(jī)完成一次自主飛行試驗(yàn)。

西科斯基公司創(chuàng)新部門總監(jiān)伊戈?duì)枴で袪柶剿够↖gor Cherepinsky）稱，此前開(kāi)展全自主飛行試驗(yàn)時(shí)，S-70A“黑鷹”直升機(jī)駕駛艙都有安全操控員。這次試驗(yàn)是一次真正的無(wú)人飛行，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)在試驗(yàn)中展示了與眾不同的靈活性和自主處理突發(fā)事件的能力。

參與試驗(yàn)的S-70A可選駕駛模式直升機(jī)歸屬于西科斯基公司。但是，美國(guó)陸軍已完成一架現(xiàn)役UH60M直升機(jī)的改裝，并給UH60M安裝了電傳飛控和“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)，計(jì)劃2022年4月初開(kāi)展試飛。兩架“黑鷹”可選駕駛模式直升機(jī)可能會(huì)在下一次“項(xiàng)目融合”試驗(yàn)中展示自主協(xié)同飛行能力。

下一步，美國(guó)陸軍將驗(yàn)證“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)的其他能力，即在低能見(jiàn)度環(huán)境中，如何為機(jī)組人員的飛行安全提供支持。

未來(lái)發(fā)展計(jì)劃

西科斯基公司積極與美國(guó)陸軍合作，以交付可選駕駛模式直升機(jī)，并計(jì)劃將“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)定制為一種套件，供UH-60直升機(jī)和F-16戰(zhàn)斗機(jī)等現(xiàn)役軍機(jī)使用，還準(zhǔn)備將“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)的技術(shù)授權(quán)給其他制造商。

西科斯基公司正在與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局合作，開(kāi)展首個(gè)民用系統(tǒng)的適航審定，以期執(zhí)行包括夜間空中滅火和水上搜救在內(nèi)的高風(fēng)險(xiǎn)民用任務(wù)。西科斯基公司沒(méi)有透露民用系統(tǒng)的具體名稱，只透露它是“一架大型貨機(jī)”。但據(jù)航空網(wǎng)站“氣流”（Air Current）報(bào)道，“矩陣技術(shù)”系統(tǒng)控制了一架美國(guó)聯(lián)邦快遞公司（FedEx Express）ATR72貨機(jī)飛行。