物質(zhì)第四態(tài)

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱（英語簡稱UAV）。和一般軍用或民用飛機(jī)不同的是，無人機(jī)上沒有為飛行員設(shè)置的駕駛艙，也沒有操縱桿和儀表盤。但無人機(jī)也并非完全不需要人來操控，無人機(jī)的使用者需要提前為無人機(jī)設(shè)定飛行程序，或者通過遙控裝置遠(yuǎn)程控制無人機(jī)的飛行。這種無人駕駛的飛機(jī)與智能科技新貴——無人駕駛汽車不同，它從形成最初的雛形至今，已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)的歷史，可隊(duì)說是“無人駕駛界”的“老前輩”了。雖然它已經(jīng)一百多歲了，但對于我們來說無人機(jī)還很年輕，因?yàn)樗嬲哌M(jìn)我們的生活也不過是最近十幾年的事。今天，我們就來了解一下無人機(jī)的風(fēng)雨百年路，看看這位“老前輩”是如何煥發(fā)活力的！

從戰(zhàn)火中走來的軍用無人機(jī)

風(fēng)箏是人類早期的航空器之一，古時(shí)稱為“鷂”。1887年，英國人道格拉斯·阿奇博爾德把相機(jī)放在風(fēng)箏上，形成了無人偵察機(jī)的雛形。美西戰(zhàn)爭期間，有人借助風(fēng)箏平臺(tái)拍攝了大量照片，為無人機(jī)在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用做了先一步試水。

初出茅廬

1909年，美國發(fā)明家埃爾默。安布羅斯·斯佩里發(fā)明了一種名叫“陀螺儀”的裝置，這種裝置安裝到飛機(jī)上后，可以測定飛機(jī)的飛行方向和姿態(tài)。它是現(xiàn)代飛機(jī)自動(dòng)控制和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組成部分。陀螺儀的出現(xiàn)，吸引了美國海軍，他們希望以此為基礎(chǔ)研發(fā)一種不需要飛行員駕駛的飛行器。1917年，美國海軍研制出無人飛行器——“空中魚雷”，為了提高它的導(dǎo)航精度，美國西電公司還為它開發(fā)了專用的無線電控制系統(tǒng)。“空中魚雷”可以說是現(xiàn)代無人機(jī)的鼻祖，它所運(yùn)用的慣性導(dǎo)航與無線電控制系統(tǒng)，至今仍然是遙控?zé)o人機(jī)的核心技術(shù)。

飛行員在進(jìn)入戰(zhàn)場作戰(zhàn)前，需要像射手射擊靶子一樣，在訓(xùn)練中以實(shí)際攻擊天空中的靶機(jī)來提升自己的作戰(zhàn)技能。地面的高炮防空部隊(duì)也需要靶機(jī)來進(jìn)行訓(xùn)練。在兩次世界大戰(zhàn)期間，美國、英國和德國都開始將無人機(jī)用作靶機(jī)，研發(fā)了諸如RAE192、VJ-5等型號(hào)無人靶機(jī)。美國軍方還發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)能夠代替?zhèn)髁畋?，在?zhàn)場中方便快捷地傳遞信息。因此，他們在“空中魚雷”的基礎(chǔ)上，研發(fā)了用于傳遞信息的“信使”無人機(jī)。1941年，美國海軍萌生了使用無人機(jī)攻擊敵人空中和地面目標(biāo)的想法，于是研發(fā)了TDN-1和TDR-1型無人攻擊機(jī)。1944年，TDR-1無人機(jī)首次參戰(zhàn)，向布干維爾以南巴拉列群島地區(qū)的日軍目標(biāo)發(fā)動(dòng)了攻擊。

投入應(yīng)用

“二戰(zhàn)”結(jié)束后，無人機(jī)被用于戰(zhàn)場偵察工作。世界上第一種實(shí)用型的無人偵察機(jī)是無線電控制的美國AN/USD-1戰(zhàn)場無人監(jiān)視機(jī)。這種飛機(jī)裝備有一臺(tái)可以在白天工作的照相機(jī)和一臺(tái)在夜間工作的紅外照相機(jī)，通過火箭助推器起飛，完成任務(wù)后釋放降落傘降落。這種無人機(jī)在當(dāng)時(shí)也存在一些局限性，比如當(dāng)無人機(jī)回收后，要花很多時(shí)間對它采集來的照片進(jìn)行處理和分析。在冷戰(zhàn)期間，美軍發(fā)現(xiàn)無人機(jī)除了可以照相外，還可以執(zhí)行另一種形式的搜索任務(wù)：將無人機(jī)派往敵人控制的空域后，可以誘騙敵人的防空雷達(dá)開機(jī)，獲得防空雷達(dá)的信號(hào)特征。敵人的高炮、防空導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)在攔截?zé)o人機(jī)的過程中，也會(huì)暴露自身的部署情況。可以說，無人機(jī)出動(dòng)一次就可以獲取大量敵人防空力量的情報(bào)。又因?yàn)闆]有飛行員駕駛，就算無人機(jī)被擊落，損失也并不大。在無人機(jī)第一次大規(guī)模實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的越南戰(zhàn)爭期間，美軍在戰(zhàn)場上大量使用“螢火蟲”型無人偵察機(jī)執(zhí)行這種誘騙偵察任務(wù)。在此期間，美國還發(fā)展出直升機(jī)在半空回收無人機(jī)的技術(shù)。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，電子工業(yè)和航天工業(yè)的發(fā)展為無人機(jī)帶來了新的發(fā)展契機(jī)。此時(shí)，軍用無人機(jī)的飛行控制技術(shù)出現(xiàn)了兩大分支，即自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)和指令控制系統(tǒng)。自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)需要在無人機(jī)起飛前將本次飛行的路徑、高度和偵察目標(biāo)等信息設(shè)定好，無人機(jī)依靠這些信息自己完成飛行任務(wù)。這種模式雖然看起來比較簡單，但一旦目標(biāo)位置發(fā)生變化，提前設(shè)定的飛行路線就有可能隨之失效。與自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)不同，指令控制系統(tǒng)將飛行員的位置由飛機(jī)上搬到了地面站的控制室中。無人機(jī)可以通過無線電信號(hào)實(shí)時(shí)將偵察圖像信息傳回控制室，而控制員可以根據(jù)畫面實(shí)時(shí)操控?zé)o人機(jī)飛行，按照瞬息萬變的戰(zhàn)場形勢靈活改變飛行路線。80年代以后，指令控制技術(shù)逐漸成為軍用無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的主流。

衛(wèi)星通信技術(shù)和GPS導(dǎo)航技術(shù)也給指令控制技術(shù)的應(yīng)用提供了支持。在應(yīng)用衛(wèi)星通信前，無人機(jī)的飛行距離會(huì)受控制信號(hào)傳輸距離和山川阻擋等因素的限制。應(yīng)用衛(wèi)星通信技術(shù)后，地面控制室可以將控制信號(hào)上傳給太空中的通信衛(wèi)星，由衛(wèi)星中繼放大后再發(fā)送到無人機(jī)接收天線上。這樣一來，無人機(jī)就可以突破地面障礙物和地平線的限制了。GPS導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用使得控制人員能夠更準(zhǔn)確地獲取無人機(jī)的位置，同時(shí)，在控制信號(hào)因?yàn)楦蓴_中斷時(shí)，無人機(jī)可以使用GPS導(dǎo)航自主返航回收。此外，小型攝像機(jī)的應(yīng)用改善了無人機(jī)的攝像品質(zhì)，指揮官可以實(shí)時(shí)看到前方的戰(zhàn)場信息，而不必像以往那樣待無人機(jī)返回后還要等候照片沖洗完畢。

全面成熟

在20世紀(jì)90年代初的海灣戰(zhàn)爭和21世紀(jì)初的伊拉克戰(zhàn)爭中，無人機(jī)得到全方位的應(yīng)用。兩種美軍現(xiàn)役的明星無人機(jī)——“捕食者”和“全球鷹”也在此期間嶄露頭角?！安妒痴摺睙o人機(jī)（RQ-1）源自之前研發(fā)的“蚊”-75011型遠(yuǎn)程無人機(jī)，它是一種長航時(shí)無人機(jī)，采用渦輪增壓的螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。偵察型的“捕食者”配有光電/紅外偵察設(shè)備，在白天和夜間都能執(zhí)行偵察任務(wù)。在“捕食者”上，還裝備有一種被稱作“合成孔徑雷達(dá)”的新裝備。這種裝備可以發(fā)射無線電信號(hào)，并接收大地或目標(biāo)反射信號(hào)，繪制出目標(biāo)的高分辨率圖像。即便在有云層或霧氣遮擋的情況下，這種雷達(dá)依舊可以出色地完成任務(wù)，回傳清晰的圖像。從2000年起，美軍開始對“捕食者”進(jìn)行改進(jìn)，使它具備了使用武器對敵人進(jìn)行攻擊的能力。通過在無人機(jī)頭部安裝用于指引導(dǎo)彈打擊目標(biāo)的激光指示器，捕食者可以發(fā)射用來打擊坦克、裝甲車等目標(biāo)的“地獄火”導(dǎo)彈。2006年，攻擊型“捕食者”的升級(jí)版MQ-9“死神”無人攻擊機(jī)問世，這種無人機(jī)體積更大、性能更先進(jìn)，還能發(fā)射激光制導(dǎo)炸彈等武器。

和“捕食者”相比，“全球鷹”最大的特點(diǎn)在于它使用了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，從而獲得了比“捕食者”更快的飛行速度。美軍本來也打算將“全球鷹”改裝成攻擊型無人機(jī)，但由于“全球鷹”的飛行高度較高，用來執(zhí)行對地攻擊任務(wù)并不是十分合適，因此美軍放棄了這一想法。除了“全球鷹”和“捕食者”這類大型無人機(jī)外，美軍還研制了小型無人機(jī)，如RQ-11“大烏鴉”和“龍眼”無人機(jī)。由于這些無人機(jī)體形輕巧，基層部隊(duì)可以在日常巡邏中將無人機(jī)隨身攜帶。一旦遇到戰(zhàn)斗情況，士兵用雙手就可以就地將無人機(jī)放飛，讓無人機(jī)提供偵察支援。這樣的無人機(jī)使用靈活，特別適合反恐作戰(zhàn)。

在軍用無人機(jī)的設(shè)計(jì)制造方面，美國使用無人機(jī)的時(shí)間最長，經(jīng)驗(yàn)最豐富，是當(dāng)之無愧的王者。近年來，我國在無人機(jī)的研發(fā)上也取得了一系列進(jìn)展，達(dá)到了與美國基本相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。目前，中國性能較為先進(jìn)的無人機(jī)有“彩虹-5”“翼龍-2”和“云影”無人機(jī)。它們都是同時(shí)具備偵察和對地打擊能力的多面手，能夠長時(shí)間翱翔在戰(zhàn)場上空執(zhí)行任務(wù)?！安屎?5”無人機(jī)采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)翼下方有6個(gè)武器掛載點(diǎn)，可以掛載16枚不同類型的對地攻擊導(dǎo)彈，最大載彈量達(dá)1噸?！耙睚?2”無人機(jī)也具備較強(qiáng)的偵察和打擊能力，可以配備的偵察設(shè)備有光電監(jiān)視/瞄準(zhǔn)裝置、合成孔徑雷達(dá)等，可配備的武器有激光制導(dǎo)導(dǎo)彈和炸彈?！霸朴啊睙o人機(jī)則是一種具備隱身性能的無人機(jī)，前起落架艙艙門采用了鋸齒狀設(shè)計(jì)，機(jī)頭的光學(xué)窗口也采用了同樣的設(shè)計(jì)，以減少雷達(dá)波的反射?！霸朴啊睙o人機(jī)還可以多機(jī)組隊(duì)，建立無人機(jī)空中作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，利用“蜂群戰(zhàn)術(shù)”對敵人進(jìn)行打擊。

用途多樣的民用無人機(jī)

雖然無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展源于軍事需求，但目前大家最熟悉的無人機(jī)，還是那種有著多個(gè)旋翼，可以在空中靈活地運(yùn)動(dòng)或懸停，并可進(jìn)行航拍活動(dòng)的無人機(jī)。這種無人機(jī)是自21世紀(jì)初以來迅猛發(fā)展的民用無人機(jī)的典型代表

無人機(jī)的發(fā)展基地

進(jìn)入21世紀(jì)后，由于基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，民用無人機(jī)的各個(gè)組成部分性能越來越強(qiáng)、重量越來越輕、成本也越來越低，給無人機(jī)的普及提供了條件。目前，無人機(jī)的“大腦”一般采用高性能FPGA芯片，可以實(shí)現(xiàn)雙CPU（中央處理器）的功能，處理各種傳感器傳來的無人機(jī)狀態(tài)信息，控制無人機(jī)高效飛行。如今，我們的手機(jī)大都具有重力感應(yīng)和定位功能，這得益于慣性傳感器和GPS芯片的小型化、廉價(jià)化。對于無人機(jī)來說，慣性傳感器和GPS芯片也是非常重要的硬件。Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展也給民用無人機(jī)的信號(hào)傳輸提供了一種簡單有效的實(shí)現(xiàn)方式。在續(xù)航方面，由于鋰電池技術(shù)的發(fā)展，一塊重量不大的電池就可以讓無人機(jī)在天空中飛行很長一段時(shí)間。

無人機(jī)的迅速興起

2010年，法國Parrot公司發(fā)布了世界上第一款四旋翼無人機(jī)AR.Drone。與軍用無人機(jī)和傳統(tǒng)民用無人機(jī)所采用的固定翼方案相比，這種無人機(jī)沒有了翅膀，只有四個(gè)被稱為“旋翼”的螺旋槳，為無人機(jī)提供升力和前進(jìn)的推力。這種結(jié)構(gòu)的無人機(jī)小巧、穩(wěn)定、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，可以像直升機(jī)那樣，不借助跑道垂直起降。不僅如此，它還非常容易控制，操作新手稍加訓(xùn)練便可以操控這種無人機(jī)做出各種花式動(dòng)作。在四旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上，廠商們還設(shè)計(jì)出六旋翼、八旋翼無人機(jī)。一般來說，無人機(jī)的旋翼數(shù)量越多，能夠提供的升力也就越強(qiáng)，可以搭載的載荷越重。

無人機(jī)能夠迅速興起的另外一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備是以GoPro為代表的運(yùn)動(dòng)相機(jī)。這種相機(jī)可以獲得比一般相機(jī)更加寬廣的視野，可以拍攝高清晰度的照片或視頻。因?yàn)檩p便小巧，GoPro特別適合安裝在無人機(jī)上，獲得從天空或高處向下的視角，從而讓使用者獲得平時(shí)生活中很難獲得的視覺體驗(yàn)。

目前，在這種小型民用無人機(jī)的市場中，市場份額最大的公司是中國的大疆公司。一開始，這家公司的業(yè)務(wù)是研制直升機(jī)的控制系統(tǒng)。2010年，AR.Drone的成功也促使大疆公司開始考慮開發(fā)四旋翼無人機(jī)產(chǎn)品。2013年，大疆公司推出了DJI Phantom四旋翼無人機(jī)。這種無人機(jī)操作簡便、飛行穩(wěn)定，還創(chuàng)造性地提供了GoPro相機(jī)的接口，這便使得這款產(chǎn)品迅速風(fēng)靡世界。之后，大疆公司在Phantom無人機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了各種升級(jí)換代。例如，他們研發(fā)出了防止相機(jī)在拍攝過程中抖動(dòng)的云臺(tái)，讓無人機(jī)能夠連續(xù)拍攝出清晰的視頻，且影像質(zhì)量達(dá)到了電影級(jí)別。這樣的無人機(jī)在電影拍攝者中建立了良好的口碑，也帶動(dòng)了“航拍公司”這一產(chǎn)業(yè)的形成。大疆公司還將民航飛機(jī)中使用的黑匣子引入無人機(jī)，因此飛行數(shù)據(jù)可以被記錄、分析，飛行的安全性得到提升。

除了四旋翼無人機(jī)外，固定翼無人機(jī)也在民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與四旋翼無人機(jī)或多旋翼無人機(jī)相比，固定翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間更長，飛行高度更高、活動(dòng)范圍更大，采用更加可靠的控制系統(tǒng)和信號(hào)傳輸系統(tǒng)，因此比四軸多旋翼無人機(jī)更適合專業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

本領(lǐng)多樣的無人機(jī)

除了航拍的功能外，民用無人機(jī)還有多種多樣的本領(lǐng)。我國各大城市道路擁堵嚴(yán)重，尤其是在發(fā)生交通事故時(shí)，執(zhí)法的警車和救護(hù)車也無法到達(dá)事故現(xiàn)場。這時(shí)，無人機(jī)便可快速低空飛抵事故現(xiàn)場，第一時(shí)間進(jìn)行執(zhí)法拍攝取證。它傳回的圖像還能幫助交通部門更好地疏導(dǎo)交通，從而更快到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行事故救援工作。遇到犯罪分子駕車逃竄時(shí)，無人機(jī)可以在空中跟蹤罪犯，引導(dǎo)警察實(shí)施抓捕。在高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防員可以釋放無人機(jī)航拍，快速獲取火災(zāi)蔓延的情況和被困人員位置，準(zhǔn)確部署滅火力量。當(dāng)洪水發(fā)生時(shí)，無人機(jī)可攜帶救生繩或救生圈，并將其投送到被困人員身邊。那些位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸電線路和石油管道，我們也可以派無人機(jī)前去進(jìn)行線路巡檢工作。無人機(jī)出動(dòng)一次就可以巡檢幾十甚至上百千米的線路，減輕了工人師傅們的工作負(fù)擔(dān)。

在未來，你在網(wǎng)購之后，還可能收到無人機(jī)送來的快遞包裹?？爝f企業(yè)計(jì)劃用四旋翼或八旋翼無人機(jī)，在10千米的范圍內(nèi)派送重量不超過10千克的包裹。無人機(jī)當(dāng)然不會(huì)取代快遞員的工作，它的主要任務(wù)是派送緊急快件和偏遠(yuǎn)地區(qū)快件，提高配送效率，減少人力、運(yùn)力成本。目前，國外的亞馬遜、DHL和國內(nèi)的京東、順豐等網(wǎng)商或物流企業(yè)，都在大量開展無人機(jī)配送快遞的業(yè)務(wù)。德國DHL公司已經(jīng)開始使用無人機(jī)為居住在偏遠(yuǎn)海島上的人們遞送藥品。中國郵政在浙江安吉山村地區(qū)也開通了第一條無人機(jī)配送航線，嘗試偏遠(yuǎn)地區(qū)配送服務(wù)。亞馬遜推出的Prime Air服務(wù)，可以將包裹在30分鐘內(nèi)送交客戶。美國郵政還研制出一種電動(dòng)郵政汽車和無人機(jī)結(jié)合的派送模式，由司機(jī)駕駛電動(dòng)郵車到達(dá)社區(qū)，再由無人機(jī)從郵車上自動(dòng)取走包裹、送交住戶。最近，中國科學(xué)院工程熱物理研究所還成功研制出一種大型貨運(yùn)無人機(jī)，它可以在極短的跑道上起飛、降落，一次可以運(yùn)輸多達(dá)1.5噸的貨物，適合將一批快遞包裹集中運(yùn)到偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊，使那里的人們也能享受到網(wǎng)購帶來的便利。

無人機(jī)作為一種空中平臺(tái)，把人們的生活從二維空間擴(kuò)展到了三維空間，在垂直高度上賦予了生活無限的可能。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)未來還能夠有更多自主性能，如具備路徑規(guī)劃功能或自主決策能力的自動(dòng)控制無人機(jī)。不僅如此，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會(huì)把原先一架一架的無人機(jī)聯(lián)結(jié)起來，形成無人機(jī)集群，這樣組合在一起的無人機(jī)就可以進(jìn)行協(xié)同目標(biāo)探測和協(xié)同態(tài)勢共享等協(xié)同操作。而隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，無人機(jī)不僅本身呈現(xiàn)出集群化趨勢，它們作為空中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，還能通過采集來的大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)的互聯(lián)。走過百年，走進(jìn)人工智能時(shí)代的無人機(jī)會(huì)以怎樣的面貌再展活力？就讓我們拭目以待吧！