張 丹，吳陳煒，謝安桓

（1.之江實驗室，杭州 311121；2.約克大學，多倫多 M3J1P3）

1 引言

自20世紀80年代以來，我國公共汽車快速發(fā)展、小汽車逐漸進入家庭；進入21世紀之后，隨著城市面積和人口規(guī)模的迅速擴張，交通需求加速增長，以小汽車為代表的代步工具已然普及。尤其是在北京、上海等一批超（特）大城市、大城市，城市交通呈現(xiàn)高強度使用、高密度聚集態(tài)勢。由于城市交通供需長期不均衡，交通擁堵、安全事故、環(huán)境污染等問題日漸凸顯，社會大眾議論廣泛[1]。解決城市地面交通帶來的諸多問題，是當前城市治理的重中之重。

自1903年萊特兄弟發(fā)明的第一架飛機試飛成功以來，人類的飛行夢與飛行探索從未止步。經過了100多年的發(fā)展，全球航空業(yè)已高度成熟，飛機已成為人類日常出行的交通工具之一，同時以多旋翼為代表的小型無人飛行器近年來也已經得到了廣泛應用。面對城市不斷發(fā)展所帶來的交通擁堵問題，以及城市、山地、森林各類復雜環(huán)境的救援、特種任務執(zhí)行等需求，常規(guī)民航客機、直升飛機等大型飛行器和各種地面交通工具已無法滿足人們的出行需求，因此更為輕便、有效、安全的輕型載人飛行器備受人們期望。

美國國家航空航天局（NASA）提出了自由移動出行（On-Demand Mobility，ODM）戰(zhàn)略框架，愿景“能夠讓任何人隨時隨地從一處飛向另一處”。報告指出，垂直起降（Vertical Takeoff and Landing，VTOL）輕型載人飛行器甚至被認為是未來城市內部出行的交通方式之一[2]。美國國防預先研究計劃局（DARPA）則在報告中提出，自動駕駛、垂直起降飛行器（VTOL）發(fā)展的關鍵推動力。DARPA從安全和成本兩個方面進行了分析，指出成熟的自動駕駛飛行器將免去飛行員繁瑣的儀表操作，大幅減少飛行事故和死亡人數(shù)；將免去飛行員培訓成本，并解決飛行員短缺的問題；自動駕駛讓飛行器不受天氣條件限制出行，在復雜的特殊環(huán)境下也能正常飛行[3]。

由此可見，對自主載人飛行器的研究具有重要的現(xiàn)實意義，本文將對該領域的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)綜述，對國內外已有成果進行分類介紹，闡述該技術的整體架構與關鍵技術，針對城市交通問題提出空中出行的解決方案。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

目前國外對于自主駕駛載人飛行器的研究較多且相對較成熟，相關企業(yè)如空客、奧迪等都陸續(xù)推出過不同類型的自主載人飛行器，相關資料披露不同型號的飛行器約有幾十種，其中比較典型的有：德國Volocopter公司的Volocopter 2x、ASTRO公司的AA360及COAR公司的Kitty Hawk Cora飛行器。

（1）德國Volocopter公司的Volocopter 2x

Volocopter 2x被譽為世界上第一臺二座電動垂直起降無人駕駛飛機，通過機艙內置面板或移動客戶端軟件設置目的地，飛機就可實現(xiàn)自主飛行，2018年1月進行首次載人飛行。具體參數(shù)如表1所示。該機型配備一個彈道降落傘，如果出現(xiàn)任何問題，可確保安全著陸，獲得了英特爾加速技術和戴姆勒股份公司的合作支持。

圖1 Volocopter 2x機型

（2）ASTRO公司的AA360

AA360于2017年5月初開始飛行測試，歷經幾個月的密測試，最終在2017年8月完成第一次載人飛行試航。AA360作為電驅動垂直起降飛行器，可運送2名乘客，飛行過程中具有低噪音、零排放及低振動的特點。且具有自動補償?shù)目刂撇呗?，即使在惡劣的天氣條件下，也能自主飛行。為了實現(xiàn)輕量化設計，在保證材料強度情況下，飛行器采用密度更小的碳纖維，摒棄傳統(tǒng)的電纜轉而使用輕質的光纖。

表1 各類型飛行器性能參數(shù)表

圖2 AA360機型

（3）Kitty Hawk Cora飛行器

Kitty Hawk Cora飛行器是由一家獲得谷歌（Google）創(chuàng)始人拉里·佩奇（Larry Page）投資的飛行汽車初創(chuàng)公司所設計，Kitty Hawk Cora采用旋翼垂直起降結合固定翼巡航的飛行方式，不需要跑道，并具備從屋頂?shù)鹊胤狡痫w的可能性。起飛時，通過旋翼旋轉提供升力抬起飛機。在空中飛行時，大部分升力來源于機翼。Kitty Hawk Cora使用自動飛行軟件，結合人的監(jiān)管，使沒有受過訓練的普通乘客也能夠自由飛行。

圖3 Kitty Hawk Cora機型

2.2 國內研究現(xiàn)狀

中國在自主載人飛行器的研究上，走在世界的前列，比較典型的是億航智能、中航工業(yè)和吉利控股集團，都推出了各自的載人飛行器。

（1）億航184

2016年國際消費類電子產品展覽會上，億航智能推出世界第一款真正意義上的載人無人機：億航184，如圖4所示。億航184采用多套獨立飛行控制系統(tǒng)來實現(xiàn)自動導航，飛行途中會實時采集分析來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，重新規(guī)劃路徑，從而保證將乘客以最快速、最安全的路徑送達目的地。億航184具體參數(shù)如表1所示，此外還有空調系統(tǒng)和閱讀燈，配有支持全天候飛行的全自動飛控、全電動飛機，還有多個旋翼備份保障安全，可在1小時內完成充電，螺旋槳收起后，可停在汽車停車位上。

圖4 億航184飛行形態(tài)和折疊形態(tài)

（2）中航工業(yè)賽羚

2015年第三屆天津直升機國際博覽會上，中航工業(yè)推出了賽羚旋翼式汽車， 如圖5所示。賽羚自重為100kg，由旋翼系統(tǒng)、動力臂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、車體等部分組成。旋翼系統(tǒng)可收放，展開時有六副旋翼，通過控制指令，產生縱向、橫向以及航向的操縱力矩。動力臂系統(tǒng)用來聯(lián)接旋翼系統(tǒng)與車體，可以伸縮，將旋翼系統(tǒng)的各種力傳遞到車體。控制系統(tǒng)用來控制飛行和地面行走的狀態(tài)。行走系統(tǒng)包括車體的底盤、驅動等，可實現(xiàn)汽車的基本功能。電氣系統(tǒng)僅包含直流電源系統(tǒng)，為整機提供直流電源。車體用來聯(lián)接各個分系統(tǒng)，主要由車身的骨架、外殼構成。

（3）吉利Transition

2017年11月，吉利控股集團全資收購了美國的Terrafugia。2018年8月1號，吉利正式宣布，Terrafugia的飛行汽車Transition（如圖6所示）于10月開啟預定，首批正在量產，將于2019年問世。僅需要40s左右，Transition的機翼就能完全伸展，且只需要30m的跑道就能夠飛上天空，基本上能夠在任何一條寬敞的馬路上起飛。機翼收起情況下，Transition可以輕松進入家用車庫。

圖5 賽羚飛行汽車

圖6 Transition飛行形態(tài)和折疊形態(tài)

在安全性方面，Transition配備有安全氣囊、預緊式安全帶、碰撞潰縮區(qū)等一系列安全裝置，還裝備了降落傘。

3 基本原理與技術框架

3.1 飛行器的基本原理及分類

從飛行原理和結構看，目前可用于載人的飛行器主要分為：固定翼飛行器、多旋翼飛行器、直升機、涵道風扇飛行器及傾轉旋翼飛行器等。這些類型的飛行器搭載上無人控制系統(tǒng)，可以在一定程度上改造成無人駕駛即自主載人飛行器。不同類型的飛行器各有優(yōu)缺點，如表2所示。

表2 各類飛行器優(yōu)缺點對比

3.2 自主載人飛行器技術框架

從系統(tǒng)組成來看，自主載人飛行器系統(tǒng)主要包括機體結構、動力能源、航電系統(tǒng)、地面控制等，如圖7所示。機體結構作為飛行器的骨架，包括機身、機架和座椅等。動力能源包括動力系統(tǒng)和電源系統(tǒng)，其中動力系統(tǒng)包括電機、電調和旋翼等，是飛行器升力的來源；電源系統(tǒng)包括電池、電池管理系統(tǒng)和各種電源轉換模塊，為飛行器各模塊提供能量，相當于飛行器的“心臟”；航電系統(tǒng)是飛行器的重要組成部分，主要包括飛控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、人機交互等；飛控系統(tǒng)通過運算處理，實現(xiàn)對飛行器的控制，相當于飛行器的“駕駛員”；通訊系統(tǒng)是與地面進行通訊的媒介，包括數(shù)傳和圖傳通訊；人機交互系統(tǒng)用于乘客對飛行器的互動。地面控制用于顯示飛行器狀態(tài)，方便地面人員對飛行器進行指揮和控制。

圖7 自主載人飛行器整體組成框架

在操控方面，消費型多旋翼無人機基本都采用地面遙控設備對其進行實時遙控操作來完成目標飛行任務。與此不同的是，自主載人飛行器可擺脫對遙控操作的依賴，實現(xiàn)自動駕駛飛行，這主要依靠飛行器的飛控系統(tǒng)。自主載人飛行器的飛控系統(tǒng)可以根據(jù)任務自動生成合理的軌跡，并通過檢測周圍環(huán)境障礙物來實現(xiàn)自動避障，從而控制飛行器安全地飛行。同時因自動駕駛不需要飛行員駕駛，可避免人為誤操作，從而可提高自主載人飛行器的安全性能。

與一般無人機的區(qū)別是，自主載人飛行器因為要載人，故需要重點關注安全技術；自主載人飛行器要廣泛普及，首先需要保證飛行器安全性方面不差于汽車。自主飛行器設計上需要考慮安全因素，包括在硬件冗余、抗干擾、故障檢測及處理等。同時自主載人飛行器也需要關注噪聲方面，噪聲不僅僅會引起地面上人們的反感，更會引起飛行器上人員的感受。因此需要研究降噪技術，以降低飛行器的噪聲，保證在人們可接受的范圍內。

4 關鍵技術分析

4.1 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是整個自主系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛的核心，可以理解成自主載人飛行器的“駕駛員”，飛行器的姿態(tài)、位置、懸停、巡航飛行等控制都是依靠飛控系統(tǒng)來實現(xiàn)。飛控系統(tǒng)主要包括各種傳感器（陀螺儀、加速度計、磁力計、GPS等）和機載計算機兩大部分。各類傳感器相當于飛控系統(tǒng)的“眼睛”，用于獲取飛行器姿態(tài)角、位置、速度和高度等參數(shù)，是飛控系統(tǒng)的基礎，其測量精度也決定了飛行器的控制精度。機載計算機是飛控系統(tǒng)的“大腦”，通過各類傳感器獲取飛行器姿態(tài)位置狀態(tài)，進行運算處理，輸出指令給動力系統(tǒng)來完成相應的姿態(tài)調整等控制動作。

飛控系統(tǒng)作為飛行器的核心部件，能自動完成飛行器起飛、按設定軌跡飛行、自動返航和自主降落等整個飛行過程的控制。飛控系統(tǒng)涉及的技術主要有：飛行器的導航技術、位姿控制、軌跡規(guī)劃、自動避障等。

（1）導航技術

圖8 自主載人飛行器的控制框圖

獲得高精度、高可靠性的飛行器速度、位置和姿態(tài)是實現(xiàn)多旋翼無人機自主飛行的首要條件。事實上，每一種傳感器的性能都具有一定局限性，無法完全滿足飛行器的導航要求。為了同時滿足高精度、高穩(wěn)定性、高實時性的要求，可以選擇將多種傳感器組合在一起，構成組合導航系統(tǒng)。組合導航系統(tǒng)實質上是一種多傳感器組合導航系統(tǒng)，可以獲得多種信息源，研究如何將這些冗余測量信息進行有機地信息融合，從而獲得高精度、高可靠性、高魯棒性、高實時性的導航信息，是目前組合導航系統(tǒng)研究的重點和關鍵技術問題。Fresk E等人[4]基于誤差參數(shù)提出一種可以適用于任意無人機位姿估計的通用框架，利用拓展卡爾曼濾波的平方根公式來保證協(xié)方差矩陣的半正定性，通過增加計算的動態(tài)范圍來解決小型嵌入式系統(tǒng)中的動態(tài)范圍問題，同時整體計算量保持在一個較低的水平。Cordeiro T等人[5]提出了一種基于天線陣的姿態(tài)估計框架，通過ESPRIT算法獲得一對天線所接收信號之間的相位差，這種估計稱為視線矢量測量，并且結合到拓展卡爾曼濾波、四元素等姿態(tài)估計算法中，另外，他們還使用已知的擾動模型找到相移均方誤差，來分析計算視線矢量的誤差協(xié)方差矩陣。Wu J等人[6]提出了一種基于四元數(shù)的新型姿態(tài)估計器，它具有磁、角速率、重力傳感器陣列，作者設計了一種固定增益互補濾波器進行多傳感器數(shù)據(jù)融合，為了避免使用迭代算法，將基于加速度計的姿態(tài)解算轉換為線性系統(tǒng)，基于以上，作者設計了一種將陀螺儀和加速度計融合，不需要迭代的互補濾波器。

（2）位姿控制

位置和姿態(tài)控制是飛控系統(tǒng)中最重要的控制功能，它是飛行器穩(wěn)定飛行和完成各種復雜的飛行任務的基礎，其控制效果也決定了軌跡跟蹤精度和抗干擾性能。國內外研究者在這方面開展了大量的研究工作。目前多旋翼飛行器的位姿控制方法主要有PID控制、滑模控制、反步法、LQR控制等[7]，其中PID控制因不依賴模型，且具有一定的魯棒性，一般的開源飛控和消費級無人機產品采用的都是PID控制算法。

在此基礎上，不少研究者開始結合現(xiàn)有控制方法來提高位姿控制性能。Chen F等人提出了一種結合滑模控制和反步控制技術的非線性控制器，提高了系統(tǒng)的魯棒性[8]。Raffo G等人提出一種結合H∞控制和反步法的控制方法，利用H∞控制保證無人機姿態(tài)穩(wěn)定控制，同時結合反演法實現(xiàn)對航跡跟蹤控制[9]。Yacef F等人提出了一種利用自適應模糊控制來逼近未知的非線性反步的方法，該控制方法提高了軌跡跟蹤性能和抗干擾能力[10]。

在飛行過程中，飛行器容易受到內外部綜合干擾（如外部陣風影響），位姿控制效果也會受到影響，因此抗干擾飛行也成為了研究熱點。Lyu X等人提出了一種基于擾動觀測器的控制方法，可以提高在受風等外部干擾時的懸停精度[11]；Wang C等人針對無人機負載變化和變陣風干擾問題，提出了一種自適應魯棒控制器，可用于一直擾動和估計系統(tǒng)參數(shù)[12]。Zhang C等人提出了一種用于微型飛行器軌跡跟蹤控制的自適應神經網絡方法，可對不確定因素進行估計，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力[13]。

（3）軌跡規(guī)劃

與一般的消費級無人機不同，自主載人飛行器無需依賴地面實時遙操作，在確定好目的地后，可以進行合理的軌跡規(guī)劃，然后自主飛行，這就要求飛控系統(tǒng)具有飛行軌跡在線實時規(guī)劃能力。軌跡規(guī)劃基本框架一般包含兩部分內容，一部分是路徑搜索，另一部分是軌跡擬合。由于無人機軌跡規(guī)劃是在三維空間里進行的，相比于一般的平面機器人軌跡規(guī)劃而言，更加復雜。

作為無人機自動駕駛的關鍵技術，軌跡規(guī)劃是當前無人機研究領域內的另一熱點。林鵬宏針對四軸飛行器多約束條件下的軌跡規(guī)劃，結合使用基于 RRT 算法的路徑搜索方法和基于模型預測的軌跡擬合法，仿真驗證該方法的有效性[14]。Li M等人利用基于采樣的RTT算法進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，來生成路徑點序列，這種方法與林鵬宏方法類似[15]。Chen Y等人提出一種改進型中心力優(yōu)化方法（MCFO），在路徑規(guī)劃過程中，利用粒子群算法和遺傳算法對原中心力優(yōu)化方法進行改進[16]。

（4）自主避障

避障系統(tǒng)是自主載人飛行器順利完成飛行任務的重要安全保障，很大程度上反映了自主載人飛行器的智能水平與實際飛行安全性。避障系統(tǒng)是指在自主載人飛行器的飛行過程中不斷監(jiān)控物理環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)障礙物，根據(jù)對應的深度信息來規(guī)劃飛行路徑，飛行控制器根據(jù)飛行路徑來實現(xiàn)避障，完成飛行任務。要實現(xiàn)避障，最關鍵的一步是通過傳感器實時獲取周邊環(huán)境信息，而獲取周圍環(huán)境信息的傳感器就目前而言可分為超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器以及視覺傳感器等。目前國際上研究機構和無人機公司，針對不同應用場景下的障礙物識別展開了深入的研究，主要分為主動式避障、被動式避障和復合式避障。

Ramasamy S等人[17]針對其在飛行器系統(tǒng)感知避障進行了深入研究，指出中小型飛行器由于經常在地面附近操作，并且由于駕駛員非常有限的觀察和判別能力，進一步加劇了發(fā)生碰撞的可能性，他們提出了一種基于激光雷達的避障系統(tǒng)架構，該系統(tǒng)包括自動避障算法、人機界面交互、地面控制站。該系統(tǒng)為了實現(xiàn)導航信息和跟蹤誤差的實時處理，提出了解析模型。Sasongko R A等人[18]提出了一種避障算法，當發(fā)現(xiàn)飛行路徑上存在障礙物，根據(jù)所識別的障礙物幾何信息建立受限橢球區(qū)域，基于該橢球區(qū)域計算避障路徑。隨著自主載人飛行器的迅速發(fā)展，對障礙物識別的分辨率、精度、速度的要求也越來越高，同時對飛行器的動態(tài)響應性能要求也越來越高，更優(yōu)的傳感器、識別算法和飛行器動態(tài)性能是未來的研究熱點。

4.2 通信鏈路

無人飛行器數(shù)據(jù)鏈，主要任務是將從飛行器上采集到的任務數(shù)據(jù)傳送給地面站，并將地面站的遙操作指令返回給飛行器。如圖9所示，數(shù)據(jù)鏈主要包括飛行數(shù)據(jù)與視頻數(shù)據(jù)，它們的傳輸通過數(shù)傳系統(tǒng)與圖傳系統(tǒng)完成。

數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)年P鍵技術包括調頻技術、抗干擾技術和安全保密技術等。調頻技術是將基帶信號轉換成傳輸信號，主要方式有調幅（ASK）、調頻（FSK）和調相（PSK）[19]。目前無人飛行器主要采用線性的調制技術，如二相移相鍵控（BPSK）、四相移相鍵控（QPSK）和正交振幅調制（QAM）等。

抗干擾技術是為了降低數(shù)據(jù)鏈在傳輸過程中因遠距離鏈路傳輸帶來的損耗、遮擋物帶來的信號衰落、飛行器高速移動帶來的多普勒頻移以及在復雜環(huán)境下的干擾和阻塞等問題，目前常采用通常抗干擾編碼、直接序列擴頻、軟擴頻技術、跳頻、跳時和擴跳結合技術等方法[20]。

數(shù)據(jù)鏈的安全性極為重要，它涉及到數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)欺騙和服務器攻擊等嚴重問題。目前使用的數(shù)據(jù)鏈安全技術一般有兩種模式：空-地安全模式和端對端安全模式[21]?？?地安全模式的優(yōu)點是安全操作對操作機構而言是透明的，攻擊者很難在空-地網絡中獲取路由信息并進行數(shù)據(jù)分析，但它在地-地網絡中沒有內在的信息安全保護，不能防止來自內部的攻擊。端對端安全模式保障了從飛機到操作機構地面主機的整條鏈路，即空-地鏈路與地-地鏈路的安全，但它需要操作機構本身進行安全防護。

4.3 地面指揮中心

地面指揮中心是整個無人機系統(tǒng)的監(jiān)控和指揮中心，主要任務是實現(xiàn)與無人飛行器的有效通訊，并在此基礎上，實現(xiàn)對無人機的飛行狀態(tài)進行監(jiān)控，控制無人機的飛行狀態(tài)[22]。基于這些要求，地面站通常包括顯示模塊和控制模塊兩大部分，顯示模塊包括：儀表顯示模塊，故障顯示模塊，跟蹤顯示模塊以及航跡顯示模塊；控制模塊可以實現(xiàn)無人機的航跡規(guī)劃，設備自主起落，遇險自動返航以及設備懸停等功能[23]。國內外針對無人機的地面站，做出了很多研究[24]。億航智能技術有限公司（EHANG）針對旗下的億航184無人載人飛行器搭建了實施完備，功能全面的地面調度指揮中心。

圖9 無人飛行器數(shù)據(jù)鏈示意圖

為了更好地控制無人機，提升可靠性，無人機地面站在設計的過程中，往往需要考慮如下技術：抗干擾技術，無人機定位技術，信號快速捕獲技術以及低仰角高速數(shù)據(jù)接受技術[25]。隨著無人機技術的發(fā)展，地面站系統(tǒng)也從一站一機向一站多機方向轉變[26]。即同時操控多架無人機，這樣既提高了操作效率，也減少了人力成本。

圖10 億航184配套地面指揮中心

4.4 能源系統(tǒng)

飛行器的能源形式大致可以分為燃油、電池和油-電混合三大類。傳統(tǒng)的內燃機，包括往復式發(fā)動機和渦輪發(fā)動機等，其效率僅為20%～30%，遠低于電機系統(tǒng)。加上化石燃料的不可再生性，對環(huán)境的負面影響，以及在短途飛行中的經濟效益劣勢[27]，“化石燃料+內燃機”的組合被其他更先進的能源方式取代也是大勢所趨。廣義上的電池，如鋰電池、燃料電池、超級電容等，是燃油的理想替代者之一。盡管電池技術層出不窮，但是目前還遠未達到可以完全替代的程度。另一個方案是油-電混合，結合燃油能量密度高和電能高效、環(huán)保的優(yōu)勢，用燃油發(fā)電驅動飛行器。

在電池技術中，應用最廣的是鋰電池技術。然而其發(fā)展卻已經陷入困境，鋰電池單體的能量密度不足1MJ/kg，遠遠達不到取代燃油的要求。而僅依靠更先進、更復雜的電芯制造技術，包括控制電池中活性顆粒的大小形態(tài)以及集電結構等，其能量密度無法再有大幅的提升[28]。鋰電池技術需要更基礎、更創(chuàng)新的理論突破。

相比之下，其他的新型能源，如氫能、可再生的生物燃料等，在應用廣泛度、技術成熟度、經濟成本、環(huán)境影響等方面相比于電池都不具備優(yōu)勢[29]。在可預見的未來，電池仍然是最有前景的能源形式。

4.5 安全保障

對于飛行器整體，需要進行狀態(tài)健康監(jiān)測與預測。可按階段分為飛行前的健康檢查、飛行中的健康監(jiān)測、失效保護等方面。在傳統(tǒng)的飛機等航空裝備中，歐美等發(fā)達國家研發(fā)了直升機完好性與使用監(jiān)測系統(tǒng)（Health and Usage Monitoring System，HUMS）、飛機故障預測和狀態(tài)管理系統(tǒng)（Prognostics and Health Management System，PHM）、中央維護系統(tǒng)（CMS）[30]。通過健康監(jiān)測與預測系統(tǒng)可以提升飛行器的任務可靠性和使用壽命。

隨著無人機的快速發(fā)展[31]，其所帶來的安全威脅已經引起了人們和各個國家政府機構的關注[32，33]，相應的無人機反制技術也在不斷發(fā)展。在2016年的315晚會上，央視演示了黑客入侵一架DJI的精靈無人機并完全獲取無人機控制權的過程。無人機反制技術分類舉例如表3所示[34]。

表3 無人機反制技術分類

針對攔截和干擾，無人機的應對策略舉例如表4所示。

表4 無人機干擾應對策略

載人方面，目前能大大提升挽救生命概率的方式是加裝整機降落傘[35]。最著名的整機降落傘公司是BRS，其產品如圖11所示，在各種飛行事故中已經成功挽救了300多生命[36]。

圖11 BRS整機降落傘[37]

5 其他相關技術

5.1 降噪技術

隨著無人機的廣泛運用， 無人機噪聲問題越來越受到人們的關注，無人機在飛行時，尤其是起降過程中常常產生強烈的噪聲。以旋翼無人機為例，噪聲來源主要是旋翼噪聲和電機噪聲。

南京航空航天大學宋辰瑤[38]基于聲學時域公式建立了旋翼旋轉噪聲計算的方法和模型，實現(xiàn)懸停和前飛狀態(tài)下旋翼厚度噪聲和載荷噪聲的計算，分析了槳葉片數(shù)、旋翼轉速、旋翼直徑、前飛速度等不同參數(shù)對旋翼噪聲的影響。無刷直流電機驅動系統(tǒng)產生振動和噪聲的因素很多，其中換向電流的急劇變化是引起電機振動和噪聲的主要原因之一。Jiao G[39]提出了一種正弦波代替方波驅動的無刷永磁直流電動機，使輸出的電流波形為正弦波，有效抑制換向電流的突變，降低了運行噪聲。 該項技術在大疆無人機上得到了應用，使飛行噪聲降低了4dB。

為了讓無人機飛行時能夠減少噪音，亞馬遜基于仿生學原理，參照飛鳥翅膀和毛狀植物，在螺旋槳邊緣增加了鋸齒狀設計，并且根據(jù)類比思想，參照高爾夫球和潛艇螺旋槳，在螺旋槳表面增加了凸起設計，改變表面形態(tài)，起到了降噪的效果。

5.2 人機交互

圖12 亞馬遜無人機螺旋槳降噪方案設計

人機交互系統(tǒng)是指飛行器內部，乘客與飛行器及乘客與地面控制中心之間交互的平臺，其主要任務有三個：一是顯示飛行器的飛行狀態(tài)，二是對飛行器進行有限的控制，三是實現(xiàn)與地面控制中心之間的視頻通訊。人機交互系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)的功能十分類似，但是又有明顯的區(qū)別：在顯示功能方面，人機交互系統(tǒng)上顯示的飛行狀態(tài)參數(shù)是精簡的，只顯示乘客可能關心的參數(shù)，例如航速、高度等，對于一些專業(yè)的參數(shù)，只會在地面站系統(tǒng)上顯示；在控制功能方面，人機交互系統(tǒng)只能對飛行器進行有限的控制，例如，只允許航跡規(guī)劃、懸停、降落、返航等操作，不允許乘客隨意控制飛行狀態(tài)?；谝陨闲枨?，人機交互系統(tǒng)通常包括飛行器自身狀態(tài)模塊，飛行狀態(tài)模塊和視頻通訊模塊三大部分，飛行器自身狀態(tài)包括飛行器結構展示圖，燈組控制，溫度控制等，主要展示和控制一些與飛行無關的功能；飛行狀態(tài)模塊包括飛行狀態(tài)顯示和飛行控制；視頻通訊模塊利用攝像頭、麥克風和視頻通訊軟件實現(xiàn)多方視頻通話。

圖13 人機交互系統(tǒng)

5.3 測試系統(tǒng)

為保證飛行器，尤其是自主載人飛行器穩(wěn)定可靠地完成飛行任務，對系統(tǒng)各部分進行功能及性能測試是飛行器在研發(fā)階段與飛行前后必不可少的環(huán)節(jié)。如圖14所示，飛行器測試一般包含兩部分內容：航電系統(tǒng)檢測以及綜合性能測試。

圖14 飛行器測試系統(tǒng)的一般組成

航電系統(tǒng)檢測主要涵蓋單板級、單元級以及系統(tǒng)級的檢測[40]。其中，系統(tǒng)級檢測對各部分元器件的電信號、參數(shù)及兼容性等進行測試，是航電系統(tǒng)檢測中最關鍵的部分。該技術目前已發(fā)展到第三代模塊化自動測試系統(tǒng)[41]，即依靠測試總線技術實現(xiàn)模塊化的測試儀器方案，同步結合虛擬儀器技術自動完成測試任務。綜合性能測試對象主要包括動力系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機體結構和飛行狀態(tài)等方面，目前已發(fā)展到數(shù)值仿真、半物理仿真與實物測試相結合的方式[42-44]。

相較以往，目前的測試技術已能大幅降低研發(fā)周期與成本，但仍存在諸多問題：測試系統(tǒng)的開發(fā)成本依舊高昂、通用性不足并且缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標準[45]。因此，如何更加經濟、快速、安全、有效地完成測試任務，是未來測試技術的發(fā)展方向。

6 未來展望

1886年，“汽車之父”卡爾·本茨發(fā)明了世界上第一輛汽車——奔馳1號，汽車從當時18km/h的速度跑到現(xiàn)在，已經誕生了百公里加速度只需要3s的超級跑車以及“特斯拉”為代表的無人駕駛汽車，成為了當今世界最主要的交通工具?？v觀整個汽車發(fā)展史，先后經歷了追求功能與性能的起步階段、追求安全與穩(wěn)定的發(fā)展階段、追求舒適與個性的成熟階段和追求智能與環(huán)保的繁榮階段。

按照汽車發(fā)展的歷史，我們有理由相信，未來載人飛行器也將一步一步攻克性能、安全、續(xù)航、能效、環(huán)保等諸多技術壁壘，達到隨時隨地穩(wěn)定地定制化出行（On Demand Mobility）要求。伴隨著人工智能和網絡信息技術的發(fā)展，未來的載人飛行器也必將朝著數(shù)字化、自動化、智能化的方向演進。

歷史的經驗告訴我們，技術的革命必將帶動政策的革新。在民用航空器領域，適航政策是整個產業(yè)關鍵的一環(huán)。目前我國已經成為了世界上最大的無人機生產國，民航局等部門相繼出臺了一系列關于無人機管理、規(guī)范、應用等方面的法律法規(guī)和通知公告旨在規(guī)范無人機市場秩序的政策與文件。據(jù)統(tǒng)計，僅從2017年到2018年8月，我國出臺的關于無人機方面的政策已有17條之多。這也體現(xiàn)了我國對于無人機產業(yè)有序、持續(xù)發(fā)展的重視與支持。一方面，民用適航政策需要通過對民用航空器設計、制造、使用和維修等環(huán)節(jié)進行科學統(tǒng)一的審查、鑒定、監(jiān)督和管理，保障民機的安全穩(wěn)定；另一方面，當今快速發(fā)展的無人機技術需要更靈活的適航政策來推動行業(yè)的快速發(fā)展。比如在無人機科研領域，需要出臺專項政策，為研究人員提供試驗空間和適航授權，這也將鼓勵更多力量投入到無人飛行器的研究當中，促進整個城市空中交通產業(yè)的蓬勃發(fā)展。

我們可以構想這樣一幅面向未來的美好藍圖：未來城市上空不同高度、不同軌跡上會出現(xiàn)無數(shù)無人駕駛的飛行器，載著乘客高速前往目的地，乘客可以按需定制出行，并且在機艙中享受各種服務。城市樓宇等建筑物頂部，會出現(xiàn)大量自動泊機位和充電樁，城市空中交通生態(tài)建成，人類的出行方式邁入“飛行時代”，社會生活方式將再一次發(fā)生變革。