無人機是無人駕駛飛機的簡稱(Unmanned Aerial Vehicle),是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置的不載人飛機,包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器,如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。從某種角度來看,無人機可以在無人駕駛的條件下完成複雜空中飛行任務和各種負載任務,可以被看做是「空中機器人」。
按照不同平臺構型來分類,無人機可主要有固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三大平臺,其它小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等。固定翼無人機是軍用和多數民用無人機的主流平臺,最大特點是飛行速度較快;無人直升機是靈活性最強的無人機平臺,可以原地垂直起飛和懸停;多旋翼無人機是消費級和部分民用用途的首選平臺,靈活性介於固定翼和直升機中,但操縱簡單、成本較低。按不同使用領域來劃分,無人機可分為軍用、民用和消費級三大類。
飛控子系統是無人機完成起飛、空中飛行、執行任務和返場回收等整個飛行過程的核心系統,飛控對於無人機相當於駕駛員對於有人機的作用,無人機最核心的技術之一。飛控一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分,實現的功能主要有無人機姿態穩定和控制、無人機任務設備管理和應急控制三大類。
機身大量裝配的各種傳感器是飛控系統的基礎,是保證飛機控制精度的關鍵,在不同飛行環境下、不同用途的無人機對傳感器的配置要求也不同。未來對無人機態勢感知、戰場上識別敵我、防區外交戰能力等方面的需求,要求無人機傳感器具有更高的探測精度、更高的解析度,因此國外無人機傳感器中大量應用了超光譜成像、合成孔徑雷達、超高頻穿透等新的科學技術。而未來無人機的發展要求障礙迴避、物資或武器投放、自動進場著陸等功能,需要高精度、高可靠性、高抗幹擾性能,因此多種導航技術結合的「慣性+多傳感器+GPS+光電導航系統」將是未來發展的方向。
不同用途的無人機目前廣泛採用的動力裝置為活塞式發動機,但活塞式只適用於低速低空小型無人機;對於一次性使用的靶機、自殺式無人機或飛彈,要求推重比高但壽命可以短(1-2h),一般使用渦噴式發動機;低空無人直升機一般使用渦軸發動機,高空長航時的大型無人機一般使用渦扇發動機,美國全球鷹重達12噸;而消費級微型無人機一般使用電池驅動的電動機,起飛質量不到100克、續航時間小於一小時。隨著渦輪發動機推重比、壽命不斷提高、油耗降低,渦輪將取代活塞成為無人機的主力動力機型,太陽能、氫能等新能源電動機也有望為小型無人機提供更持久的生存力。
現代數據鏈技術的發將推動無人機數據鏈向著高速、寬帶、保密、抗幹擾的方向發展,無人機實用化能力將越來越強。往前看,隨著機載傳感器、定位的精細程度和執行任務的複雜程度不斷上升,對數據鏈高科學枝術提出了很強的要求,未來隨著機載高速處理器的突飛猛進,預計幾年後現有射頻數據鏈的傳輸速率將翻倍,未來在全天候要求低的領域可能還將出現雷射通訊方式。
從美國制定的無人機通信網絡發展戰略上看,數據鏈系統從最初IP化的傳輸、多機互連網絡,正在向衛星網絡轉換傳輸,以及最終的完全全球信息格柵配置過渡,為授權用戶提供無縫全球信息資源交互能力,既支持固定用戶、又支持移動用戶。
戰爭是無人機發展的頭號牽引力,20世紀末經歷三大技術發展浪潮。無疑無人機發展的初期是為了純粹的軍事用途:一戰時期英國研製的世界第一款無人機被定義為「會飛的炸彈」,二戰時期德軍已經開始大量應用無人駕駛轟炸機參戰;二戰後無人機研發的中心出現在美國和以色列,用途延伸至戰地偵察和情報搜集,無人機被派往朝鮮、越南和海灣戰場協助美軍和以色列軍隊作戰。正是由於無人機在偵查方面低成本、控制靈活、持續時間長的天然優勢,各國軍隊相繼投入大量經費研發無人機系統。
無人機技術在20世紀末經歷了三次發展浪潮、真正進入了第一個「黃金時代」:1990年後,全球共有30多個國家裝備了師級戰術無人機系統,代表機型有美國「獵人」、「先驅者」,以色列「偵察兵」、「先鋒」等;1993年後,中高空長航時軍用無人機得到迅速發展,以美國「蒂爾」無人機發展計劃為代表,在波赫戰爭中大放異彩;20世紀末,旅團級固定翼和旋翼戰術無人機系統出現,其體積小、價格更低、機動性好,標誌著無人機進入大規模應用時代。
早期的航空技術解決的是無人機能夠飛行的問題,而20世紀80年代以來現代技術的發展為無人機更高的飛行性能、更好的可靠性提供了條件。自主飛控技術、急劇攀升的計算機處理能力推動無人機向智能化發展,真正成為「會思考」的空中機器人;高速寬帶網數據鏈實現無人機組網和互相連通,無人機編組、空地裝備聯合成為可能;材料科學和微機電技術進一步減輕無人機平臺重量、提高精確度;電池續航能力的大幅上升,以及新能源技術賦予無人機更長的飛行時間。
由於軍用無人機在」3D」環境下執行任務的顯著優勢以及靈活機動的特性,民用各行各業對無人機的應用也翹首以盼。但相比軍用無人機近百年的發展歷史,民用無人機在上世紀80年代軍用無人機的現代系統得到大發展的基礎上才開始嘗試應用,各領域全面開花應用只有10餘年時間。
我們中國對無人機的民用起步早,近年發展很快:中國上世紀80年代,就將自行開發的無人機在地圖測繪和地質勘探中做了嘗試。近些年,專為民用研製額」黔中「1號無人機與2010年順利首飛,2011年國產」蜜蜂「28無人機,可全自主起飛、著陸、懸停和航路規劃,能應用農業噴灑、電力巡檢、防災應急、航拍測繪、中繼通信等。
近十年民用和消費級無人機市場的興起,和硬體產業鏈的成熟、成本曲線不斷下降密不可分:隨著移動終端的興起,晶片、電池、慣性傳感器、通訊晶片等產業鏈迅速成熟,成本下降,使智能化進程得以迅速向更加小型化、低功耗的設備邁進。這也給無人機整體硬體的迅速創新和成本下降創造了良好條件:目前一個高性能FPGA晶片就可以在無人機上實現雙CPU的功能,以滿足導航傳感器的信息融合,實現無人飛行器的最優控制。伴隨著蘋果在iPhone上大量應用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等,MEMS慣性傳感器從2011年開始大規模興起,6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器,成本和功耗進一步降低,成本僅在幾美元。另外GPS晶片僅重0.3克,價格不到5美元。Wifi等通信晶片用於控制和傳輸圖像信息,通信傳輸速度和質量已經可以充分滿足幾百米的傳輸需求。電池能量密度不斷增加,使得無人機在保持較輕的重量下,續航時間能有25-30分鐘,達到可以滿足一些基本應用的程度,此外,太陽能電池技術使得高海拔無人機可持續飛行一周甚至更長時間。近年來移動終端同樣促進了鋰電池、高像素攝像頭性能的急劇提升和成本下降。硬體成本下降解決了無人機「身體」的問題,近年來飛控系統開源化的趨勢解決了無人機「大腦」的問題,從此無人機不再是軍用和科研機構的專利,全世界的商業企業和發燒友都加入了無人機系統設計的大潮中,是引爆民用和消費無人機市場「爆點」。從此無人機的應用由高端進入普通百姓家。
除了我們已經熟知的軍事、商用和消費功能,能夠「上天入地」的無人機未來可能給我們的生活帶來無限的驚喜。距離300米的高空沒有地面的擁擠和各種限制,未來無人機不僅能夠扮演超級速遞員和超級警察的角色,還能夠為地面提供低成本、機動程度極高的無線網絡覆蓋。把無人機想像成一個「會飛的傳感器」,無人機就成了工業4.0的一個空中數據埠,大至地球物理、氣象、農業數據、小至個人位置信息,無人機將引爆一場空中的大數據革命。
加州大學伯克利分校一名計算機教授製作的無人機屠殺人類的影片在網絡熱傳。這名教授在視頻中警告,這些屠殺機器人已真實存在,人類採取行動制止的機會之窗正在關閉中。在這個虛構故事的視頻中,一名演講者向觀眾展示一個比手掌還小,像一隻小鳥的無人機。在這名演講者演說時,無人機從舞臺後方飛了出來,不時地瞄準演講者的腦部,最後,演講者將手伸出來,無人機降落在他的手掌上。接著,演講者將無人機扔進觀眾群,無人機重新校準後,轉身飛回舞臺上,精準地撞進了舞臺左側的一個假人的額頭正中間,「奪取假人腦部內的信息」。
想像在一個世界裡,密密麻麻的無人機取代核武器,毀滅半個城市,而且人類幾乎是無能為力,只能任由無人機屠殺人類。無人機執行空襲式的「外科手術」,狙擊敵方。無人機可以被訓練成狙擊小組進入建築物、車輛、火車廂等任何場合,躲開敵人的槍彈,幾乎無人可以阻擋。現在,一筆2,500萬美元的訂單,就可以買下足以摧毀一個城市五成人口的屠殺機器人。
雖然人工智慧造福人類的潛力很大,即便在防禦方面的貢獻也很可觀,但是容許大範圍地使用具有大規摸殺傷力的無人機,對人類的安全及自由,將造成「毀滅性的後果。
原創首發。