無人機的前世與今生

    無人機在中文里無歧義，且唯一。在英文里，有兩個詞，同義。一是UAV（Unmanned Aerial Vehicle），直譯為無人空中載具；二是RPA（Remotely Piloted Aircraft），直譯為遙控駕駛飛機。都是老詞，都用，過去軍用領域主要用UAV。但美國朋友告訴我，僅僅是近一年來，RPA在美國被更廣泛使用，不管是軍用還是民用。緣由在于，RPA在技術概念上更確切，更鮮明，因而更普遍適用。

    本文基于RPA概念，加之我在《無人機與航空模型的異同》那篇文章中表明的觀點，依任務載荷和遙控駕駛為無人機的兩個基本特征，去闡釋有關無人機發(fā)展的前生、今世與未來。全文較長，分為（上）、（中）、（下）三篇。此為（上）篇。

無人機的前生

    無人機的發(fā)展已近百年。有記載的最早的軍用無人機的研發(fā)，發(fā)生在一戰(zhàn)時期。1914年，英國軍方提出研發(fā)一款可執(zhí)行轟炸任務的無人機。歷經(jīng)三年，制成一種小型上單翼機，雖在2017年飛上天，但未能實現(xiàn)穩(wěn)定飛行，更不要說投彈，不能算成功。這期間，也有類似研發(fā)，如空投魚雷之類。都不能算作成功的無人機。究其原因，控制技術拖了后腿。20 到40 年代，將退役或過量有人機改作靶機，曾時興一時。這種靶機將空氣動力學、輕型發(fā)動機和無線電技術相結合，多有成功；最著名的案例有兩件。一是，英國人采用無線電控制技術的“仙后”靶機首飛成功（1933年），隨后在 1934年至 1943 年間將 420 套“虎蛾”雙翼教練機改裝成 DH 82B 型“蜂后”靶機。二是，基于無線電控制和慣性導航系統(tǒng)的進步，雷吉納德.丹尼和他的無線電飛機公司制造出一款遙控模型機RP-1 ；從 1939 年到二戰(zhàn)結束，美軍共采購15,000 多架這種遙控飛機，改制成靶機，型號由RP-4 型發(fā)展到RP-18 型。（1946年，經(jīng)再次改進的RP-19/OQ-19 型研制成功，至 1984 年共生產(chǎn)48,000 多架。1952年，無線電飛機公司被諾斯羅普公司兼并，后者也因此成為當今世界最成功的軍用無人機研制廠商。）

英軍士兵在遙控H82B“峰后”靶機丹尼和他的RP-1遙控模型飛機

丹尼和他的RP-1遙控模型飛機

    1939 年 10 月，德國研發(fā)了一款無線電遙控無人轟炸機，能攜帶一噸重的炸彈，在向目標投彈后，可返回基地；成為現(xiàn)代無人攻擊機的鼻祖。（后在此基礎上催生著名的 V-1 導彈）。1941 年，美國海軍開展“無人攻擊機”計劃，目標任務是可攜帶制導導彈攻擊敵空中目標，也可對敵地面目標進行投彈轟炸。從1942年 3 月始，美國海軍開始批量采購無人攻擊機，并用于實戰(zhàn)。但戰(zhàn)效很差。

    50 年代中期，美國陸軍將RP-71 型靶機改制成無線電控制的AN/USD-1 戰(zhàn)場監(jiān)視機；可認為是世界上第一種實用型無人偵察機。直到80 年代，在越南等多個戰(zhàn)場，無人機最重要的用途，還是執(zhí)行戰(zhàn)場監(jiān)視任務。1991 年沙漠風暴作戰(zhàn)中，美軍首次使用欺騙敵方雷達系統(tǒng)的小型誘餌無人機。

AN/USD-1無人偵察機

波音的“禿鷹”

無人機的今世

    20 世紀90 年代，海灣戰(zhàn)爭后，軍用無人機加快發(fā)展。1996 年，美國NASA研制出X-36 試驗型無尾無人戰(zhàn)斗機，賦予該機壓制敵防空、遮斷、戰(zhàn)斗損失評估、戰(zhàn)區(qū)導彈防御以及超高空攻擊等任務。至上世紀末，軍用無人機呈現(xiàn)全面而旺盛的需求。

以色列飛機公司對無人機技術狀況的評估示意（到達六邊形頂端越遠技術差距越大）

    進入21 世紀后，軍用無人機進入發(fā)展新階段，成為空中預警系統(tǒng)的重要組成和執(zhí)行攻擊及空中格斗的新戰(zhàn)機品種。前者可稱信息類無人機，監(jiān)視、監(jiān)測或作為信息中繼傳輸?shù)?，已?jīng)成為基本成熟的品種。后者統(tǒng)稱作戰(zhàn)無人機，其中的攻擊無人機技術亦較成熟，但空戰(zhàn)無人機的實用化尚待時日。

    民用無人機隨軍用無人機技術的外溢效應而發(fā)展。民用無人機強烈地依賴機上任務載荷（設備）的發(fā)展。就全球而言，民用無人機在上世紀 80 年代開始嘗試應用，至今的擴展應用僅十數(shù)年時間。日本的民用無人機開發(fā)較早，用于噴灑農(nóng)藥、森林防火、災害評估等。美國自本世紀以來，開始較大范圍地應用，主要是高分辨率傳感與氣象數(shù)據(jù)獲取、森林火災評估、環(huán)境污染監(jiān)測和處理等。以色列組建了民用無人機及其工作模式的試驗委員會，給部分具備條件的軍用無人機發(fā)放非軍事任務執(zhí)行證書，并與有關部門合作展開多種民用任務的試驗飛行。歐洲在 2006 年制定并實施“民用無人機發(fā)展路線圖”，并通過泛歐民用無人機協(xié)調(diào)組織的建立，為解決無人機使用的空中安全和適航問題提供幫助。

    我國民用無人機應用的起步較早，上世紀 80 年代，就將基于軍用技術開發(fā)的無人機用于地圖測繪和地質(zhì)勘探，逐步擴展到農(nóng)業(yè)噴灑、電力巡檢、防災應急、航拍測繪、中繼通信等方面應用。

    近年來，受益于無人機技術的成熟和成本的大幅下降，消費類無人機呈井噴式發(fā)展，在航拍、娛樂等市場上，獲得大規(guī)模應用，并出現(xiàn)了如深圳大疆（2006年成立）為代表的一批民用無人機企業(yè)。支持民用無人機發(fā)展的主要技術條件是，移動終端的興起，和芯片、電池、導航與定位器件、通訊芯片等硬件的成熟。

    以芯片為例，目前一個高性能FPGA芯片就可以在無人機上實現(xiàn)雙CPU的功能，以滿足導航傳感器的信息融合，實現(xiàn)對無人機的控制。Wifi等通信芯片用于控制和傳輸圖像信息，傳輸速度和質(zhì)量已可滿足視距內(nèi)傳輸需求。在導航與定位方面，MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模應用，6軸、9軸的慣性傳感器逐漸取代單個傳感器，成本僅幾美元；而GPS芯片僅重0.3克，價格不到5美元。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(xù)航時間可達半小時，可以滿足一些基本應用的航時要求；此外，太陽能電池技術使得高海拔無人機可持續(xù)飛行一周甚至更長時間。

    自2010年來，飛控系統(tǒng)開源化的趨勢使更多的商業(yè)企業(yè)和發(fā)燒友加入無人機系統(tǒng)設計，成為引爆民用和消費無人機市場的“爆點”。德國 MK 公司是多旋翼無人機系統(tǒng)開源的鼻祖。其后 2011 年美國 APM 公司開放無人機設計平臺，徹底點燃了市場對無人機系統(tǒng)開發(fā)的熱情；2012 年以后民用和消費無人機進入了加速上行的通道。至今，國際無人機行業(yè)已經(jīng)形成了 APM（用戶最多）、德國 MK（最早的開源系統(tǒng)）、Paparazzi（穩(wěn)定性高、擴展性強）、PX4 和 MWC（兼容性強）等五大無人機開源平臺。強大的開源飛控系統(tǒng)已經(jīng)使得無人機全面進入“用戶友好”時代。現(xiàn)正進行的多平臺合作項目，將進一步推動系統(tǒng)開發(fā)的可視化和友好化。

    現(xiàn)代無人機的應用日益廣泛，概括起來有三大應用領域：軍用、民用和科學驗證用。支持其應用的是林林總總的各式無人機，包括無人固定翼機、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。