2018年无人机研发热点回眸（一）

飞天，是人类的梦想，从鲁班造木鸢到达芬奇的扑翼机，从明朝万户带风筝飞天到莱特兄弟驾驶“飞行者1号”试飞成功，从孔明灯到齐柏林飞艇，从葛洪竹蜻蜓到直升机，人类的飞天梦起于无人飞行器，实现于载人飞机，将发展于无人机。无人机（unmanned aircraft systems，UAS）的出现和发展，是人类几千年来一直执著不懈飞向蓝天的必然结果，是实现人与自然、行业与应用融合发展的必然要求，也是现代飞行技术发展的必然趋势。2018年无人机在人工智能、立体交通、远程物流等领域取得突破性的科技进展，无人机系统在飞行控制系统、能源动力系统、气动外形设计及行业应用方面都取得了一定成果。无人机系统不再局限于单一性能的完善，在空中交通管理、集群协同、物联网、5G等领域呈现出跨界发展的趋势。

集群飞行，军用领先民用

2016年初英特尔公司在世界消费电子展上成功试飞 100架无人机集群表演，拉开了无人机集群飞行的序幕，2016 年 12 月，英特尔公司在天猫“双 11”全球创智生态峰会完成 500架无人机的集群表演，并编队表演灯光秀。英特尔公司采用自己研发生产的集群表演专用无人机 Shooting Star，通过对无人机进行提前编程，在空中组成静态或者动态的空中灯光影像，代替传统高污染的烟花表演。

在之后的一段时间内，世界各地无人机集群表演陆续涌现。进入 2018年，广州亿航智能技术有限公司开启“千机变”，将无人机集群表演数量推进到 1000架以上。在 2018年 4月 29日“西安年·最中国”活动主会场，广州亿航白鹭科技有限公司首次完成 1300余架无人机编队表演，刷新英特尔在平昌冬奥会开幕仪式上创下的1218架吉尼斯最多无人机编队的历史成绩。

集群表演的形式从之前的静态飞行，空中拼接图案变成动态运行飞行及颜色组合变化，成功从空中背景墙进化到空中电子屏，为保证上千架无人机的空中动态协同与处置备份，所有无人机全部升级为最新的高精度差分定位，通过地面基站交互组网与空中目标分配的方式将现有链路、导航、控制、感知规避能力提高到新的等级（图1）。

图1  无人机集群表演

集群行为是一种生物的集体行为，生物昆虫、鸟类、鱼类、水生动物、人与细菌都会出现集群行为。无人机集群概念起源于蜜蜂，最早用于军用，因此也叫蜂群飞行。归属同一蜂群的独立个体按照行为协同、任务协同、功能协同的方式组成智能集群主体，通过个体之间的专有的信息传输方式完成复杂任务，目前无人机集群主要用在军事领域。相对而言，军用无人机蜂群构建的是群体自主协同系统，而民用无人机集群目前主要通过控制主飞机来控制其他飞机的飞行，前者技术更高一些。

进入 21世纪，面对传统战争的非对称性转变以及自动控制及智能化在武器装备系统的广泛应用，美国将无人系统及智能化应用作为其三军智能化体系下的关键技术节点，21世纪的第一个 10年美国从以 MQ-9B为典型代表的中高空长航时多用途无人机研究，转变为全体系多域作战场景的无人系统路线图制定，并将无人机自主集群技术作为中小型无人机重要作战模式的发展方向，加快制定相关技术路线和进行技术验证。美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）、海军研究院以及兰德智库等前沿机构，在无人机集群作战概念、验证等研究方面进行了为期 10年左右的深入研究，并陆续发布了无人系统路线图。

美国国防部于 2005年 8月发布世界首个以无人机为主体的《无人机系统路线图 2005—2030》。该路线图提出将无人机智能控制等级分为 3个层面 10级的技术需求及概念定义，以满足未来战争中无人系统协同智能化作战能力要求：一是单机智能化：遥控引导、故障诊断、故障自修复和环境自适应、机载路径规划。二是多机自主：多机协调、多机战术重规划、多机战术目标。三是集群自主：分布式控制、群组战略目标、全自主集群。该路线图将“全自主智能化集群”作为无人机系统自主控制的最高等级，并预计 2025年后无人机将实现全自主集群。2015年 3月，美国海军实现了 9架Coyote无人机的完全自主同步和编队飞行的技术验证。

2016年 5月，美国空军发布《小型无人机系统飞行规划 2016—2036》，对蜂群、编组、忠诚僚机 3种集群作战概念进行了定义，其中“编组”定义是人人互动，“忠诚僚机”是人机协同， “蜂群”是无人机系统间交互。

美国国防部推迟1年于2018年8月发布了《无人系统综合路线图2017—2042》，此次修订是在之前陆、海、空三军系统路线图的基础之上进行战略级及战术级双重构想，在新版路线图中将无人机智能应用及自主化能力作为无人机系统未来的关键技术。路线图围绕以机器学习、自主作战为典型特征的无人系统技术，将最终技术目标从早期独立作战能力，转变成提高人和无人系统的综合效率，正式将人机系统作战理念提上日程。

无人机系统能有效提高当前技术条件下的作战能力和作战效费比，将颠覆未来战争概念。2015年，由美国国防部高级研究计划局提出的“小精灵”计划就是如此，该计划是分布式空中作战的发展趋势，它通过空中发射和回收、机体平台、协同作战、开放式系统架构及战场管理等多类技术，实现下一代无人系统作战场景的充分部署和应用，是无人机集群作战的充分体现。与传统无人机不同，“小精灵”外形更接近大型巡航导弹，不同的是加装了可折叠式主翼，并配有更低成本、且高效的涡扇发动机。由于尺寸小巧，“小精灵”对搭载平台的要求并不高，可由不同类型的空中平台投放或回收（图2）。

图2  美军无人机集群作战剖面示意

“小精灵”无人机集群可由一架运输机在距离目标区 500 km外，从 9 km以上的飞行高度投放，以“集群编队”方式飞抵目标区后，“小精灵”还能根据不同作战需要，在目标区进行超过 1 h的持续性巡视飞行，在飞行期间可执行包括侦察、监视、对地打击等多种任务，还能对敌军地面或空中目标实施自杀式攻击，再沿“回收路线”返航，在空中回收点与负责接应的运输机汇合。美国国防部高级研究计划局计划通过三阶段的努力，使用隐形航母搭载数十架小型无人机，以集群作战方式对目标进行攻击，并预定 2020年左右进行飞行演示验证。

中国在固定翼无人机集群飞行方面也取得了突破性进展，2017年 12月中国电子科技集团有限公司成功完成了 200架固定翼无人机集群飞行，刷新了此前自己创造的 119架固定翼无人机集群作战模拟演示的世界纪录。更早的世界纪录为美国 2016年 10 月成功放飞的103架“灰山鹑”（Perdix）无人机。

载人无人机与飞行汽车将大大改变出行方式

现阶段仍很难区分载人无人机、飞行汽车这些新概念飞行器的具体差异与界限，但这并不妨碍载人无人机项目的广泛开展，目前世界上已经有超过 150项各类飞行汽车项目，随着电动能源普及、自动驾驶及无人飞行控制技术的成熟，相信在不久的将来人类出行交通方式将发生很大改变。

2018 年，由吉利汽车收购的全资子公司——美国Terrafugia 研发设计的全球首款飞行车发布，该飞行汽车计划于 2019年在美国正式上市。该款名为Transition的双座飞行汽车采用折叠机翼，可在 1 min内完成地面行驶模式和空中飞行模式的切换。

Transition安装有现有通用飞机的货架发动机和螺旋桨产品，为适应各国法规的要求，它在地面运行期间采用电驱动方式，满足环保、防撞击、安全性等各方面要求，而在飞行阶段通过展开机翼，像飞机一样飞行，最高时速为 160 km/h，空中续航 640 km，起飞滑跑距离为 425 m。处于飞行模式下的飞行汽车将满足各国适航要求，Transition 也是现阶段仅有的几个同时满足公路运行及飞行条件的飞行汽车。

空中客车公司（Airbus）联合奥迪及意大利设计公司（ItalDesign）推出的Pop.Up 飞行汽车，车身与基座可以分离开，并有 1个四旋翼飞行器与车身配合，可以在飞行模式或地面模式中随意切换，随时变身成为飞机或汽车（图3）。该设计方案极度弱化了驾驶员与整个系统运行的干预，采用全自主运行方式，乘客只需要设定目的地，飞行汽车会根据实际路况选择地面及空中的运行路线。这辆电动飞行汽车配有 5级自动驾驶技术，未来将为城市提供更舒适、环保、节省空间的共享型出行方式。

图 3  空客飞行汽车构想

在 2018年世界消费电子展上，世界上第一架两座电驱动多旋翼载人无人机Volocopter 亮相。Volocopter是由 18个旋翼装置组成的白色蛛网形状的飞行汽车，结构上像一个放大版本的无人机。它可以像直升机一样垂直起降，乘客可以通过设定航线，所有飞行控制全部由飞行控制系统自主完成。相比传统直升机，其多发构型具备更好的飞行稳定性。

无人机与移动蜂窝网络融合

无人机作为智能化无人飞行平台，在垂直行业得到了广泛的应用实践，并大范围应用于消费娱乐、空中航拍、工业巡检、短途物流运输等领域。在无人机充分利用的同时，诸如农林精准作业、高精度激光测绘、移动体面部识别安防等方面，对超视距远程控制、图像实时云端处理、高清视频回传能力提出了新的要求，促使无人机与移动蜂窝网络进行深度融合。

2018年 9月 28日，中国信息通信研究院发布《5G无人机应用白皮书》，对于无人机物流、农林植保、巡检测绘、警用安防、应急救援、编队飞行、未来云端 AI自主飞行等，从无人机应用场景和通信需求、4G/5G网络能力、网联无人机终端通信能力、5G应用案例、无人机安全飞行及标准进展等方面阐述了5G无人机应用的情况。

2018年 4月，中国电信与华为公司合作，在深圳完成 5G无人机首飞试验及巡检业务演示。这是中国第一个基于端到端 5G网络的专业无人机测试飞行，成功实现了无人机 360°全景 4K 高清视频的实时 5G 网络传输。远端操控人员获得第一视角虚拟现实（VR）体验，通过 ms级低时延 5G网络进行无人机远程敏捷控制，高效完成巡检任务（图4）。

图4  5G+无人机

该联合演示项目采用华为的有源天线系统（天线馈线系统是指向周围空间辐射电磁波的天线），将 5G关键技术和无人机创新产品形式应用于数字低空。通过调整空间范围内的无线电波束扫描和波束分层，在加强现有水平区域的覆盖范围的同时，垂直空间的容量和覆盖范围也大大增加，从而满足不同的场景覆盖要求，有效提高城市高层建筑的覆盖和服务体验，构建高可靠性、高性能、宽覆盖的低空数字三维网络。

未完待续

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