落星

南京航空航天大學(xué)代表隊(duì)的“馭風(fēng)”無(wú)人機(jī)獲得創(chuàng)意賽大獎(jiǎng)

浙江安吉，三面青山環(huán)繞，翠竹碧綠，入眼皆是美景。澄澈的西苕溪穿城而過(guò)，滋潤(rùn)著城市和城市里的人們。安吉縣北部的天子湖鎮(zhèn)，更是一座山川毓秀，風(fēng)景宜人的鄉(xiāng)村小鎮(zhèn)。每年的11月初，小鎮(zhèn)的寧?kù)o總被來(lái)自五湖四海的航空愛(ài)好者打破，他們相約于此，展開(kāi)一場(chǎng)科技與夢(mèng)想的競(jìng)技。

2017年11月10日，“航空工業(yè)杯”第五屆國(guó)際無(wú)人飛行器創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽如約而至。大獎(jiǎng)賽每年一屆，以“創(chuàng)新+科普”為主題，集科技、趣味、娛樂(lè)于一體，共設(shè)立競(jìng)技賽和創(chuàng)意賽兩個(gè)競(jìng)賽單元。雙數(shù)年為“小年”，只舉辦競(jìng)技賽;單數(shù)年為“大年”，同時(shí)舉辦競(jìng)技賽與創(chuàng)意賽。今年的大獎(jiǎng)賽適逢“大年”，我們有幸既能觀賞到競(jìng)技賽選手之間的強(qiáng)強(qiáng)碰撞，又能欣賞到創(chuàng)意賽選手天馬行空般的靈感之光。

固定翼賽場(chǎng)競(jìng)技穿越展伸手

隨著裁判員的一聲令下，一架固定翼無(wú)人機(jī)在跑道上滑跑后順利起飛，并以極快的速度到達(dá)障礙門(mén)前，依次穿過(guò)方形門(mén)洞、繞過(guò)帶有方向指示器的障礙柱。隨著無(wú)人機(jī)完美完成四次穿越后又回到起跑線，南京航空航天大學(xué)的“羲和隊(duì)”完成了他們的第一輪預(yù)賽，并在開(kāi)賽首日以7秒45的成績(jī)創(chuàng)造新的單程穿越紀(jì)錄。

固定翼競(jìng)技賽的比賽任務(wù)為“競(jìng)技穿越”，比拼完成任務(wù)的速度。全程要求無(wú)人機(jī)自主飛行，按順序穿越門(mén)洞，并按指示方向機(jī)動(dòng)繞過(guò)障礙柱后，安全自主著陸。這就要求給無(wú)人機(jī)裝上“大腦”，不僅能飛上天，還要會(huì)思考，能夠自動(dòng)識(shí)別障礙物，并制訂出最佳規(guī)避方案，真正實(shí)現(xiàn)來(lái)去自如。隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，為了減少因操作失誤而帶來(lái)的各項(xiàng)損失，對(duì)無(wú)人機(jī)自主避障能力的要求大大提高。

比賽首日，8支代表隊(duì)中共有5支隊(duì)伍順利完成任務(wù)，且用時(shí)較短，但這并不意味著該項(xiàng)目難度不高。碰到障礙物要繞開(kāi)，這是最簡(jiǎn)單不過(guò)的道理，一只小狗，一只小貓都知道，但是要讓一架“機(jī)器”具備貓狗那樣的智慧，就不是一件輕而易舉的事情了。該項(xiàng)目考察的正是無(wú)人機(jī)的自主避障能力，即無(wú)人機(jī)“大腦”的聰慧程度。那無(wú)人機(jī)的“大腦”是如何工作的呢？據(jù)了解，無(wú)人機(jī)的自主避障技術(shù)主要分為雷達(dá)系統(tǒng)、超聲波聲吶技術(shù)、TOF（飛行時(shí)間技術(shù)）、圖像識(shí)別技術(shù)等四種技術(shù)類(lèi)型。此次比賽的參賽隊(duì)伍大都采用圖像識(shí)別技術(shù)，即通過(guò)高清攝像機(jī)拍攝高分辨率圖像，然后借助圖形處理器分析每一幀圖像中是否存在障礙物，自主判斷是否改變航向。據(jù)南航“羲和隊(duì)”參賽選手介紹，由于飛行速度極快，留給無(wú)人機(jī)“大腦”進(jìn)行圖像識(shí)別的時(shí)間只有短短幾秒，必須在幾幀圖像中迅速識(shí)別出紅綠燈，這相比起靜態(tài)識(shí)別，難度大大提高。為了提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率，他們將無(wú)人機(jī)采集到的高清圖像傳輸回地面控制系統(tǒng)，利用地面計(jì)算機(jī)的圖形處理器進(jìn)行圖像識(shí)別，大大提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率。

固定翼無(wú)人機(jī)穿越方形門(mén)洞

旋翼賽場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)較高下

旋翼競(jìng)技賽的比賽任務(wù)為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”，該項(xiàng)目模擬的是無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)的場(chǎng)景。作業(yè)區(qū)由一塊指示農(nóng)作物災(zāi)害區(qū)域的數(shù)碼顯示屏和模擬農(nóng)作物狀況的繪制屏組成，繪制屏上繪有10個(gè)代表不同區(qū)域的數(shù)碼框，數(shù)碼框內(nèi)隨機(jī)分布著0到9十個(gè)數(shù)字。當(dāng)數(shù)碼顯示屏上顯示出某個(gè)數(shù)字，即代表繪制屏上相應(yīng)數(shù)字指示的區(qū)域發(fā)生了蟲(chóng)害，無(wú)人機(jī)需要通過(guò)自主識(shí)別，判斷繪制屏上發(fā)生蟲(chóng)害的區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行施藥。

比賽現(xiàn)場(chǎng)，一架旋翼無(wú)人機(jī)接收到起飛指令后，懸停在數(shù)字顯示屏前。50秒后，第一個(gè)數(shù)字出現(xiàn)了，無(wú)人機(jī)卻遲遲沒(méi)有動(dòng)作，一直停留在顯示屏前面……（這是被安吉的風(fēng)景迷倒了嗎？）時(shí)間一分一秒過(guò)去了，第二個(gè)數(shù)字出現(xiàn)了，無(wú)人機(jī)還是沒(méi)有動(dòng)作。最后，參賽選手不得不切換到手動(dòng)模式，這等于宣告棄權(quán)。遺憾的是，比賽首日大多數(shù)參賽無(wú)人機(jī)都沒(méi)能準(zhǔn)確識(shí)別出數(shù)字，更無(wú)法在指定區(qū)域噴灑作業(yè)。

“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”考察的是無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性和目標(biāo)識(shí)別能力，在后續(xù)兩天的賽程中，雖然經(jīng)過(guò)程序調(diào)整，也只有為數(shù)不多的參賽隊(duì)能夠正確識(shí)別數(shù)字。最終，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的“多旋翼隊(duì)”精準(zhǔn)完成了所有的“農(nóng)藥”噴灑任務(wù)，奪得本次旋翼競(jìng)技賽大獎(jiǎng)?！岸嘈黻?duì)”選用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)為八旋翼結(jié)構(gòu)，相較于小型四旋翼平臺(tái)，飛行更加穩(wěn)定且載荷更大。賽后“多旋翼隊(duì)”的參賽選手表示：“我們的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)相對(duì)于其他團(tuán)隊(duì)更加快速，穩(wěn)定。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)物的定位信息進(jìn)行優(yōu)化，得到最精確的目標(biāo)物信息，從而提高噴灑精度”。

長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)業(yè)植保工作多依賴人工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率低。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，空中無(wú)人化農(nóng)藥噴灑方式漸漸進(jìn)入人們的視野。要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)，如何檢測(cè)識(shí)別出田間的病蟲(chóng)害，進(jìn)而針對(duì)不同的病蟲(chóng)害進(jìn)行精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥是無(wú)人機(jī)需要解決的重要難題。同時(shí)，無(wú)人機(jī)如何感知風(fēng)向、風(fēng)力、地形、地物進(jìn)而調(diào)整飛行姿態(tài)，準(zhǔn)確的將農(nóng)藥噴灑在植被上，也是不容小覷的問(wèn)題。只有解決這些難題，才能在田間真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)作業(yè)。

多旋翼無(wú)人機(jī)正在給“果樹(shù)”噴灑農(nóng)藥

創(chuàng)意賽場(chǎng)腦洞大開(kāi)拼技術(shù)

“飛機(jī)小半徑筋斗后進(jìn)入大迎角拉起，失速、尾旋，一圈，兩圈，三圈，尾旋改出。大家請(qǐng)看！飛機(jī)完成了筋斗動(dòng)作，緊接著，‘蒼鷺驗(yàn)證機(jī)幾乎在原地實(shí)現(xiàn)了180度掉頭轉(zhuǎn)彎。”來(lái)自南京航空航天大學(xué)的“蒼鷺隊(duì)”參賽選手正在對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的飛機(jī)進(jìn)行解說(shuō)，這是一架前體渦流動(dòng)控制高機(jī)動(dòng)性驗(yàn)證機(jī)。參賽選手在無(wú)人機(jī)的頭尖部安裝了只有半個(gè)指甲蓋大小的可控微小擾流片，讓機(jī)頭變成了一個(gè)虛擬的方向舵，達(dá)到了四兩撥千斤的效果，才實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)在空中完美的姿態(tài)展示。這就是創(chuàng)意賽的比賽現(xiàn)場(chǎng)，一個(gè)小小結(jié)構(gòu)部件的創(chuàng)新就能掀起一場(chǎng)技術(shù)變革。

創(chuàng)意賽的比賽分為專(zhuān)業(yè)組和非專(zhuān)業(yè)組分別進(jìn)行，鼓勵(lì)和倡導(dǎo)一切形式的航空科技創(chuàng)新探索。參賽選手腦洞大開(kāi)，設(shè)計(jì)出的無(wú)人飛行器形狀千奇百怪，功能五花八門(mén)，但這一切的創(chuàng)意都是以理論知識(shí)作為支撐的。2015年創(chuàng)意賽大獎(jiǎng)的獲得者南京航空航天大學(xué)時(shí)隔兩年，帶著他們的新作品，氣動(dòng)矢量噴管控制無(wú)舵飛行器——“馭風(fēng)”，王者歸來(lái)，再次捧獲大獎(jiǎng)。作為國(guó)內(nèi)首架僅僅應(yīng)用高性能氣動(dòng)推力矢量噴管即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)與偏航控制的飛行器，“馭風(fēng)”獲得創(chuàng)意賽大獎(jiǎng)，算得上實(shí)至名歸。

在安吉上空飛行的“蜂群編隊(duì)”是創(chuàng)意賽的另一個(gè)看點(diǎn)?！胺淙骸弊鲬?zhàn)并不是新鮮事物，早在13世紀(jì)蒙古人遠(yuǎn)征作戰(zhàn)時(shí)就出現(xiàn)了?！胺淙骸弊鲬?zhàn)能夠發(fā)揮出遠(yuǎn)超個(gè)體累加的戰(zhàn)斗力，通過(guò)協(xié)同實(shí)現(xiàn)整體能力的放大，達(dá)到1+1>2的效果。西北工業(yè)大學(xué)“瓜大動(dòng)力隊(duì)”的選手們帶來(lái)的“單兵攜帶察打一體子母機(jī)”，是一款用于打擊恐怖分子的單人攜帶偵察打擊一體的無(wú)人機(jī)，具有攜帶方便，打擊費(fèi)用低的特點(diǎn)，可以大范圍推廣應(yīng)用。另外，由于是子母機(jī)的組合，子機(jī)體積小，在打擊的時(shí)候隱蔽性很強(qiáng)，適合打擊躲在障礙物或建筑物中的恐怖分子。無(wú)獨(dú)有偶，南京航空航天大學(xué)“翱翔藍(lán)天隊(duì)”研發(fā)的“異型異構(gòu)無(wú)人機(jī)”，實(shí)現(xiàn)了固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)的協(xié)同飛行，固定翼和旋翼之間通過(guò)自組織網(wǎng)路進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，可以有效的實(shí)現(xiàn)位置感知和對(duì)內(nèi)避撞，適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境使用。同時(shí)能夠協(xié)同多種飛行器多種隊(duì)形共同飛行，實(shí)現(xiàn)多樣化目的，提高工作、作戰(zhàn)效率，初步實(shí)現(xiàn)“母機(jī)帶子機(jī)”的作戰(zhàn)模式。無(wú)人機(jī)蜂群編隊(duì)技術(shù)在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值巨大，如果能將這些創(chuàng)意加以驗(yàn)證，并進(jìn)一步應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，想要改變戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)則的夢(mèng)想就有可能實(shí)現(xiàn)。

創(chuàng)意賽賽場(chǎng)上，選手們不僅關(guān)注軍事領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域也不斷推陳出新。桂林航天工業(yè)學(xué)院“空海救援隊(duì)”帶來(lái)的“水上漂無(wú)人機(jī)”聚焦于水面救援領(lǐng)域。作為本賽事最受關(guān)注的作品之一，由于“水上漂無(wú)人機(jī)”需要在水面上進(jìn)行展示，裁判和觀眾們欣然移步到池塘邊，觀看他們的表演。只見(jiàn)體積龐大的無(wú)人機(jī)起飛后不斷在空中盤(pán)旋，搜尋落水者。當(dāng)發(fā)現(xiàn)落水者后，“水上漂無(wú)人機(jī)”緩緩下降，“砰”的一聲落入水中，而后改變動(dòng)力模式，搭載落水者離開(kāi)。救援無(wú)人機(jī)應(yīng)用無(wú)人機(jī)的高速飛行性能，以及高空獨(dú)具的開(kāi)闊視野，能夠第一時(shí)間快速準(zhǔn)確地找到落水者。相比起向落水者空投自動(dòng)充氣救生裝具的救援方式，“水上漂無(wú)人機(jī)”水面救援采用無(wú)人機(jī)搭載的船體，能夠在水面上靈活航行，主動(dòng)性強(qiáng)，不受風(fēng)力和水流的影響，且可同時(shí)救援1到3個(gè)成年人，救援效率和成功率都更高。這樣的設(shè)計(jì)在創(chuàng)意賽賽場(chǎng)上并不是一支獨(dú)秀，西北工業(yè)大學(xué)帶來(lái)的“天龍一號(hào)”，可以不受城市中狹小街道和密集建筑群的影響，快速地投入火場(chǎng)作業(yè)中。隨著無(wú)人機(jī)愈發(fā)普及以及技術(shù)水平的完善，它們?cè)诳篂?zāi)救援中發(fā)揮的作用越來(lái)越大。但是，救援無(wú)人機(jī)在續(xù)航能力、掛載能力以及穩(wěn)定性方面還存在技術(shù)短板，只有解決了這些技術(shù)短板，無(wú)人機(jī)才能在抗災(zāi)救援方面發(fā)揮更顯著的作用。

“蒼鷺”前體渦流動(dòng)控制高機(jī)動(dòng)性驗(yàn)證機(jī)

這些僅僅是本次創(chuàng)意賽的掠影，還有更多的奇思妙想，如飛翔的“板凳”（模塊垂起套件）、爬行的“蜘蛛”（空天雄鷹）、轉(zhuǎn)圈的“瓢蟲(chóng)”（“瓢蟲(chóng)”便攜式仿生球形飛行器）等等，迎來(lái)了現(xiàn)場(chǎng)觀眾的聲聲喝彩和裁判們的一致贊嘆。

本次大獎(jiǎng)賽涌現(xiàn)出的新奇創(chuàng)意中，或許就隱藏著未來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向。國(guó)際無(wú)人飛行器創(chuàng)新大賽正是以其開(kāi)放性、包容性，全力推動(dòng)國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新和發(fā)展。在不久的將來(lái)，這些創(chuàng)意可能就會(huì)出現(xiàn)在我們的身邊，改變我們的生活。

責(zé)任編輯：王潔