趙斌

在科幻小說中，有時(shí)為使劇情合理化編劇會(huì)空想出一些離奇的科學(xué)技術(shù)，但這些技術(shù)用當(dāng)今的理論并無法解釋，稱之為“黑科技”。后來，這個(gè)詞在網(wǎng)絡(luò)上延伸，也泛指高科技發(fā)展后更強(qiáng)大的技術(shù)，或者現(xiàn)實(shí)中某些超乎尋常的厲害事物。在不知不覺中進(jìn)入我們的生活，或者很快可能成為我們科研利器的無人機(jī)（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），似乎很有黑科技的味道。不過，現(xiàn)在看來，無人機(jī)的發(fā)展完全是建立在真實(shí)的技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)之上的，顯然我們可理直氣壯地稱之為“白科技”——昭然天下的嶄新科學(xué)技術(shù)。

說到無人機(jī)（也稱飛行機(jī)器人），大多人想象的一定是那些飛越數(shù)千公里執(zhí)行間諜和作戰(zhàn)任務(wù)的現(xiàn)代國防工具。的確，這些飛行機(jī)器人，最早就是用于國防的。據(jù)說，從20世紀(jì)40年代就有了無人機(jī)的雛形，是二戰(zhàn)中用于訓(xùn)練防空炮手的無人靶機(jī)，并隨著電子技術(shù)的進(jìn)步在偵查任務(wù)中嶄露頭角。本世紀(jì)初無人機(jī)滲入民用，對(duì)社會(huì)許多方面的影響初見端倪，包括交通、通信、農(nóng)業(yè)、減災(zāi)和環(huán)保等領(lǐng)域。這是一個(gè)偉大的時(shí)代，也是機(jī)遇與困難并存的時(shí)代：這些小型無人機(jī)的發(fā)展，主要得益于微處理器、傳感器、電池和無線通信單元等電子元器件的小型化和低成本，使其原型和商業(yè)化成本直逼智能手機(jī)的價(jià)格；但是，要使無人機(jī)能在指定空間進(jìn)行自主飛行，還存在巨大的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)——無人機(jī)在空中飛行能量消耗巨大，還必須具備感知復(fù)雜環(huán)境的智能。

對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域來說，航空、航天遙感一直被認(rèn)為是“高大上”的設(shè)備，而如今小型無人機(jī)的發(fā)展，直接將具備類似功能的設(shè)備拖到“低矮挫”的行列，但我們卻非常欣喜有這種變化。裝備了攝像設(shè)備的小型無人機(jī)，模糊了航空、航天遙感與近地面遙感的界限：小型無人機(jī)能夠從地面幾米高處獲取圖像，彌補(bǔ)了衛(wèi)星因天氣原因無法獲取，或者圖像分辨率低的不足；近地面遙感中，從車載設(shè)備獲取圖像的范圍是人類視角，在沒有道路的地方是無法進(jìn)入的，而會(huì)飛的攝像機(jī)對(duì)這些問題顯然是迎刃而解的。

小尺寸、大麻煩、新挑戰(zhàn)

飛機(jī)的飛行過程是最耗能的環(huán)節(jié)，特別當(dāng)設(shè)備的尺寸縮小時(shí)，相對(duì)的耗能會(huì)更明顯。設(shè)備尺寸減小，會(huì)減少電磁馬達(dá)的功率密度、降低傳動(dòng)效率。較小的尺寸也意味著較低的雷諾數(shù)（雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)，其大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位.呈層流狀態(tài)；雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流狀態(tài)），進(jìn)而增加了黏滯力，產(chǎn)生更大的阻力系數(shù)，減少升力系數(shù)。

另外，尺寸問題在最基本的飛行自主性上也帶來很多麻煩：尺寸小，提供的能量不足，續(xù)航能力有限，整個(gè)飛行時(shí)間在數(shù)十秒到數(shù)十分鐘之間，無法執(zhí)行高級(jí)任務(wù)，與載人的飛行器相比并不占優(yōu)勢(shì)。飛行模式也因尺寸問題呈現(xiàn)出更多的挑戰(zhàn)，如空中懸停，不僅需要較大的能量供應(yīng)，還需要可靠的控制能力，這些需求也隨設(shè)備尺寸減小變得更加困難。

然而，減少尺寸的最大好處是帶來了機(jī)動(dòng)性。因此，小型飛機(jī)可以用室內(nèi)控制系統(tǒng)和電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和控制。當(dāng)然，這種增強(qiáng)的靈活性，是以犧牲開環(huán)穩(wěn)定性（控制結(jié)果不反饋回來影響當(dāng)前的控制系統(tǒng)）為代價(jià)的。內(nèi)置傳感器和計(jì)算系統(tǒng)的自主無人機(jī)上實(shí)施這些行為也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，但目前顯然已經(jīng)取得了期待的結(jié)果。

按需所取的功能定位

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，無人機(jī)開發(fā)者只得平衡各種取舍，從系統(tǒng)水平考慮整體設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了形態(tài)各異的無人機(jī)。其中，最常見的形態(tài)包括：常規(guī)固定翼飛機(jī)（固翼機(jī)）、旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)（旋翼機(jī)），以及仿生設(shè)計(jì)的撲翼飛機(jī)（撲翼機(jī)）。瑞士senseFly公司出產(chǎn)的電動(dòng)航測(cè)無人機(jī)電子黃蜂（ eBee）就是一種固翼機(jī)（圖1），能夠快速飛行，但不能懸停。派諾特（Parrot）公司的四軸飛行器AR.Drone 2.0就是一種旋翼機(jī)（圖2），可以懸停，具有高度的靈活性，但一般前行速度要慢許多。在自然界中，撲翼推進(jìn)這種方式在飛行動(dòng)物中很常見，是一種有效的飛行形式，但要將這轉(zhuǎn)化為功能性設(shè)計(jì)不是一件容易的事情。不過，研究人員現(xiàn)在已能有效地再現(xiàn)自然界許多不同的飛行方式了。如AeroVironment公司的仿生撲翼機(jī)納諾蜂鳥（Nano Hummingbird）（圖3）和哈佛只有80毫克的機(jī)器蟲（ RoboBee）（圖4），后者沒有內(nèi)置的能源供給系統(tǒng)，需要拴在一個(gè)外部電源上飛行。還有一種可飛可滾的籠封機(jī)器人Gimball（圖5），由一個(gè)同軸雙螺旋核心組成，放置在一個(gè)解耦可自由旋轉(zhuǎn)的保護(hù)球籠中。

有了這些飛機(jī)，讓我們?cè)O(shè)想一個(gè)救援場(chǎng)景時(shí)這些無人機(jī)是如何組合起來進(jìn)行救援工作的。在救援現(xiàn)場(chǎng)，一架eBee正在空中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間（>40分鐘）飛行，一方面提供救援區(qū)的鳥瞰圖像，另一方面為地面救援人員提供通信網(wǎng)絡(luò)；一架具有懸停功能的AR.Drone 2.0在檢查建筑等的裂縫和滲漏情況，另一架AR. Drone 2.0從附近的醫(yī)院送來了醫(yī)療用品；撲翼機(jī)編隊(duì)RoboBee正準(zhǔn)備進(jìn)入建筑物中尋找化學(xué)危險(xiǎn)品；籠封機(jī)器人Gimball已經(jīng)深入復(fù)雜建筑內(nèi)部時(shí)而飛行，時(shí)而滾動(dòng)，努力尋找生命跡象。

除了不同無人機(jī)可以組合起來完成更復(fù)雜的功能，還可以考慮單架無人機(jī)將空中與地面功能結(jié)合起來。比如，讓無人機(jī)降落在墻壁和電線上，可更長(zhǎng)時(shí)間從有利位置監(jiān)測(cè)環(huán)境，同時(shí)節(jié)約能源消耗。無人機(jī)在降落后可以在地上用腿移動(dòng)，或者讓翅膀收起來。也許，未來的無人機(jī)可能會(huì)使用同一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行飛行控制和地面運(yùn)動(dòng)。空中飛行與地面移動(dòng)所需的速度和轉(zhuǎn)矩是不同的，可根據(jù)具體情況調(diào)整翼的形態(tài)，這非常類似于吸血蝙蝠用它們強(qiáng)大的前肢進(jìn)行飛行或行走（圖6）。另外，還可以在懸停無人機(jī)上增加輪子，或者在滾籠中嵌入推進(jìn)系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)不僅允許無人機(jī)在地面上任何方向進(jìn)行滾動(dòng)，而且由于轉(zhuǎn)子受到籠子的保護(hù)，也能與障礙物或人進(jìn)行安全碰撞。

視景技術(shù)與自主性

與地面上行駛的車輛定位不同，無人機(jī)的位置必須是三維定位，而且還有一個(gè)飛行姿態(tài)的問題。因此，無人機(jī)不能完全依靠GPS信息按預(yù)定路線飛行。首先，GPS對(duì)高度定位并不準(zhǔn)確，特別當(dāng)飛機(jī)飛離地面，高度持續(xù)發(fā)生變化時(shí)，GPS所獲取的定位信息更是存在較大誤差。另外，穿行在城市、森林或建筑物中一般并不能獲得可靠的GPS衛(wèi)星信號(hào)。即使有可靠的GPS信號(hào)，為了進(jìn)行無障礙的飛行，無人機(jī)還必須結(jié)合精確的三維測(cè)繪地圖?？上У氖?，如火如荼發(fā)展中的汽車導(dǎo)航數(shù)字地圖對(duì)于無人機(jī)來說幾乎沒有什么用，因?yàn)檫@樣的地圖是根據(jù)地面道路整理的，并不包括三維信息（自然結(jié)構(gòu)體、建筑物、橋梁、電纜、電線桿等的高度），也不可能保證及時(shí)更新地面景觀高度的變化。因此，要實(shí)現(xiàn)小型無人機(jī)在低空的自主飛行，更重要的是復(fù)雜的自主控制能力和額外的傳感器，GPS只是起輔助作用。

于是，人們對(duì)小型自主無人機(jī)的大多努力，就集中在實(shí)現(xiàn)自主反應(yīng)上了。無人機(jī)只有不斷探測(cè)周邊環(huán)境障礙物的距離，才能獲得更安全和穩(wěn)定的飛行軌跡。在這個(gè)問題上，仿生學(xué)又開始發(fā)揮其獨(dú)特的魅力了。昆蟲視覺依賴于復(fù)眼，這是由指向不同方向的視覺感受器所組成的，優(yōu)點(diǎn)是視野非常大。但復(fù)眼只有定焦，分辨率低，與人眼相比，雙目重疊率低，因此無法采用立體視覺來進(jìn)行距離判定。昆蟲為了完成在復(fù)雜環(huán)境中的安全飛行，是依靠影像的移動(dòng)來判定周邊環(huán)境的相對(duì)位移（也稱為視覺流）。在地面車輛中，一般采用聲納、紅外和激光測(cè)距儀等距離傳感器測(cè)距，但這種測(cè)量需要主動(dòng)向周邊環(huán)境發(fā)射能量。而利用視景技術(shù)（Vision）則對(duì)小型無人機(jī)來說可能更是一種很有前途的傳感器形式，由于是接受被動(dòng)光，不需要主動(dòng)向環(huán)境發(fā)射能量，在相同條件下還可以收集更豐富的信息，視野也變得更寬。有人根據(jù)生物模型的啟示提出了仿生控制法，不斷調(diào)整飛行速度和高度而維持穩(wěn)定的視覺流信號(hào)，這根本不需要采用什么專用傳感器來測(cè)量絕對(duì)速度，從而消除了一個(gè)可能的誤差來源。

無人機(jī)的主動(dòng)自主權(quán)還包括協(xié)調(diào)多架無人機(jī)的飛行，這對(duì)傳感、通信和控制方面提出了更高的要求。雖然鳥類感知其他鳥類的存在是非常容易的事兒，但要讓無人機(jī)感知其他無人機(jī)位置卻是非常有挑戰(zhàn)性的。在室內(nèi)環(huán)境中，紅外線雙向通訊用于近距離檢測(cè)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但這種只有數(shù)米范圍短距離應(yīng)用不可能用于戶外環(huán)境。因此，目前能在室外應(yīng)用的多架無人機(jī)的協(xié)調(diào)飛行主要還是依賴相鄰無人機(jī)GPS坐標(biāo)的無線電通信。另外，如果能感知相鄰無人機(jī)引擎所發(fā)出的聲音方向和強(qiáng)度，則在夜間或在大霧天氣可以補(bǔ)充或取代視覺線索的不足。

隱私、安全與未來

自拍神器在各大景區(qū)相繼上演，手機(jī)自拍也成為一個(gè)新熱點(diǎn)，但這個(gè)熱點(diǎn)還未退卻，據(jù)說小型無人機(jī)自拍的“暗流”已開始在歐洲涌動(dòng)，一些歐洲人已用無人機(jī)為家庭派對(duì)或外出旅行制作視頻，是真正“會(huì)飛的照相機(jī)”，這已經(jīng)引發(fā)了一輪又一輪的隱私爭(zhēng)議。顯然，要發(fā)揮小型無人機(jī)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)潛力，不僅僅是將科技進(jìn)步轉(zhuǎn)化為可靠的產(chǎn)品，還需要一個(gè)監(jiān)管框架。要讓人們感覺在完全保險(xiǎn)的條件下合理運(yùn)轉(zhuǎn)，避免隱私泄漏和安全性問題。然而，大多數(shù)國家到目前為止似乎對(duì)無人機(jī)的使用仍缺乏明確法律監(jiān)管。

目前要將小型無人機(jī)的使用從小眾市場(chǎng)擴(kuò)大到廣泛的民用市場(chǎng)，就取決于這兩個(gè)相關(guān)的先決條件：在指定空間的自主飛行能力和安全策略，以及取消“在監(jiān)管人員視線范圍之內(nèi)”的法律要求。例如，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）于2013年頒發(fā)了一個(gè)民用無人機(jī)逐漸融入國家空域系統(tǒng)的路線圖，但在可預(yù)見的未來，無法讓無人機(jī)真正自治，還需要專業(yè)操作人員的操作。

中國作為無人機(jī)的生產(chǎn)大國，似乎也缺乏對(duì)無人機(jī)管理方面的明確規(guī)定。當(dāng)然，無人機(jī)的出現(xiàn)所暴露的問題是極其明顯的，人們要么接受，要么拒絕。我們這個(gè)時(shí)代本來就是一個(gè)在隱私暴露和透明度缺失中權(quán)衡的時(shí)代。技術(shù)的超越，會(huì)增加透明度，給人們帶來更多的好處，關(guān)鍵是這些技術(shù)所帶來的好處是否值得我們?cè)陔[私權(quán)上做一些讓步。個(gè)人如果總是以隱私權(quán)問題來拒絕新技術(shù)的使用，就等于選擇脫離現(xiàn)代生活。另外，我們也應(yīng)該看到，任何技術(shù)從根本上講都是有弱點(diǎn)的，許多壞人也同樣擁有超乎尋常的創(chuàng)造性，任何系統(tǒng)都有可能被黑客攻擊或者被濫用，但這些因素從來沒有阻礙人類對(duì)新技術(shù)探索的步伐。大力發(fā)展無人機(jī)技術(shù)，開拓?zé)o人機(jī)的商業(yè)利用價(jià)值似乎是大勢(shì)所趨。

今天已經(jīng)成型的商用無人機(jī)雖然還需要在訓(xùn)練有素的人員監(jiān)督下才能完成任務(wù)，還遠(yuǎn)沒有達(dá)到無人機(jī)自主控制的能力，因而使得操作緩慢，功能難于擴(kuò)展，更麻煩的是尚存在許多潛在危險(xiǎn)。我們期盼科技的高速發(fā)展，可產(chǎn)生新一代的小型自主無人機(jī)，并能在合適的監(jiān)管框架下完成這些遠(yuǎn)景?；ヂ?lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了虛體之間的快速連接，而無人機(jī)將實(shí)現(xiàn)實(shí)體之間的快速互聯(lián)。聰明的開發(fā)者在這個(gè)新的戰(zhàn)場(chǎng)中究竟能挖掘出什么呢？可以預(yù)見，從助力現(xiàn)代鄉(xiāng)村到給力智慧城市，凡是需要空中解決方案的地方，都將有無人機(jī)的一席之地，無人機(jī)應(yīng)用無疑將滋生更廣闊的藍(lán)海商機(jī)，你準(zhǔn)備好了嗎？