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无人机的前世与今生

--无人机的前世与今生

供稿:上海希廷自动化科技有限公司 2016/5/19 14:04:40

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    无人机在中文里无歧义,且唯一。在英文里,有两个词,同义。一是UAV(Unmanned Aerial Vehicle),直译为无人空中载具;二是RPA(Remotely Piloted Aircraft),直译为遥控驾驶飞机。都是老词,都用,过去军用领域主要用UAV。但美国朋友告诉我,仅仅是近一年来,RPA在美国被更广泛使用,不管是军用还是民用。缘由在于,RPA在技术概念上更确切,更鲜明,因而更普遍适用。

    本文基于RPA概念,加之我在《无人机与航空模型的异同》那篇文章中表明的观点,依任务载荷和遥控驾驶为无人机的两个基本特征,去阐释有关无人机发展的前生、今世与未来。全文较长,分为(上)、(中)、(下)三篇。此为(上)篇。

无人机的前生

    无人机的发展已近百年。有记载的最早的军用无人机的研发,发生在一战时期。1914年,英国军方提出研发一款可执行轰炸任务的无人机。历经三年,制成一种小型上单翼机,虽在2017年飞上天,但未能实现稳定飞行,更不要说投弹,不能算成功。这期间,也有类似研发,如空投鱼雷之类。都不能算作成功的无人机。究其原因,控制技术拖了后腿。20 到40 年代,将退役或过量有人机改作靶机,曾时兴一时。这种靶机将空气动力学、轻型发动机和无线电技术相结合,多有成功;最著名的案例有两件。一是,英国人采用无线电控制技术的“仙后”靶机首飞成功(1933年),随后在 1934年至 1943 年间将 420 套“虎蛾”双翼教练机改装成 DH 82B 型“蜂后”靶机。二是,基于无线电控制和惯性导航系统的进步,雷吉纳德.丹尼和他的无线电飞机公司制造出一款遥控模型机RP-1 ;从 1939 年到二战结束,美军共采购15,000 多架这种遥控飞机,改制成靶机,型号由RP-4 型发展到RP-18 型。(1946年,经再次改进的RP-19/OQ-19 型研制成功,至 1984 年共生产48,000 多架。1952年,无线电飞机公司被诺斯罗普公司兼并,后者也因此成为当今世界最成功的军用无人机研制厂商。)

无人机的前世与今生-工博士

英军士兵在遥控H82B“峰后”靶机丹尼和他的RP-1遥控模型飞机

无人机的前世与今生-工博士

丹尼和他的RP-1遥控模型飞机

    1939 年 10 月,德国研发了一款无线电遥控无人轰炸机,能携带一吨重的炸弹,在向目标投弹后,可返回基地;成为现代无人攻击机的鼻祖。(后在此基础上催生著名的 V-1 导弹)。1941 年,美国海军开展“无人攻击机”计划,目标任务是可携带制导导弹攻击敌空中目标,也可对敌地面目标进行投弹轰炸。从1942年 3 月始,美国海军开始批量采购无人攻击机,并用于实战。但战效很差。

    50 年代中期,美国陆军将RP-71 型靶机改制成无线电控制的AN/USD-1 战场监视机;可认为是世界上第一种实用型无人侦察机。直到80 年代,在越南等多个战场,无人机最重要的用途,还是执行战场监视任务。1991 年沙漠风暴作战中,美军首次使用欺骗敌方雷达系统的小型诱饵无人机。

无人机的前世与今生-工博士

AN/USD-1无人侦察机

无人机的前世与今生-工博士

波音的“秃鹰”

无人机的今世

    20 世纪90 年代,海湾战争后,军用无人机加快发展。1996 年,美国NASA研制出X-36 试验型无尾无人战斗机,赋予该机压制敌防空、遮断、战斗损失评估、战区导弹防御以及超高空攻击等任务。至上世纪末,军用无人机呈现全面而旺盛的需求。

无人机的前世与今生-工博士

以色列飞机公司对无人机技术状况的评估示意(到达六边形顶端越远技术差距越大)

    进入21 世纪后,军用无人机进入发展新阶段,成为空中预警系统的重要组成和执行攻击及空中格斗的新战机品种。前者可称信息类无人机,监视、监测或作为信息中继传输等,已经成为基本成熟的品种。后者统称作战无人机,其中的攻击无人机技术亦较成熟,但空战无人机的实用化尚待时日。

    民用无人机随军用无人机技术的外溢效应而发展。民用无人机强烈地依赖机上任务载荷(设备)的发展。就全球而言,民用无人机在上世纪 80 年代开始尝试应用,至今的扩展应用仅十数年时间。日本的民用无人机开发较早,用于喷洒农药、森林防火、灾害评估等。美国自本世纪以来,开始较大范围地应用,主要是高分辨率传感与气象数据获取、森林火灾评估、环境污染监测和处理等。以色列组建了民用无人机及其工作模式的试验委员会,给部分具备条件的军用无人机发放非军事任务执行证书,并与有关部门合作展开多种民用任务的试验飞行。欧洲在 2006 年制定并实施“民用无人机发展路线图”,并通过泛欧民用无人机协调组织的建立,为解决无人机使用的空中安全和适航问题提供帮助。

    我国民用无人机应用的起步较早,上世纪 80 年代,就将基于军用技术开发的无人机用于地图测绘和地质勘探,逐步扩展到农业喷洒、电力巡检、防灾应急、航拍测绘、中继通信等方面应用。

    近年来,受益于无人机技术的成熟和成本的大幅下降,消费类无人机呈井喷式发展,在航拍、娱乐等市场上,获得大规模应用,并出现了如深圳大疆(2006年成立)为代表的一批民用无人机企业。支持民用无人机发展的主要技术条件是,移动终端的兴起,和芯片、电池、导航与定位器件、通讯芯片等硬件的成熟。

    以芯片为例,目前一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能,以满足导航传感器的信息融合,实现对无人机的控制。Wifi等通信芯片用于控制和传输图像信息,传输速度和质量已可满足视距内传输需求。在导航与定位方面,MEMS惯性传感器从2011年开始大规模应用,6轴、9轴的惯性传感器逐渐取代单个传感器,成本仅几美元;而GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。电池能量密度不断增加,使得无人机在保持较轻的重量下,续航时间可达半小时,可以满足一些基本应用的航时要求;此外,太阳能电池技术使得高海拔无人机可持续飞行一周甚至更长时间。

    自2010年来,飞控系统开源化的趋势使更多的商业企业和发烧友加入无人机系统设计,成为引爆民用和消费无人机市场的“爆点”。德国 MK 公司是多旋翼无人机系统开源的鼻祖。其后 2011 年美国 APM 公司开放无人机设计平台,彻底点燃了市场对无人机系统开发的热情;2012 年以后民用和消费无人机进入了加速上行的通道。至今,国际无人机行业已经形成了 APM(用户最多)、德国 MK(最早的开源系统)、Paparazzi(稳定性高、扩展性强)、PX4 和 MWC(兼容性强)等五大无人机开源平台。强大的开源飞控系统已经使得无人机全面进入“用户友好”时代。现正进行的多平台合作项目,将进一步推动系统开发的可视化和友好化。

    现代无人机的应用日益广泛,概括起来有三大应用领域:军用、民用和科学验证用。支持其应用的是林林总总的各式无人机,包括无人固定翼机、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。


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