无人机究竟是什么?

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


无人机成为日常新闻焦点并即将在美国领空激增之际,退后一步,审视一个非常基本且非常重要的问题是个好主意:无人机到底是什么?

答案比预期的要复杂。严格来说,无人机是一种可以自主飞行的无人驾驶飞机——也就是说,无需人工控制。但是,即使是这个看似简单的定义,也很快遇到了当代无人驾驶飞机飞行方式的细微差别。

例如,考虑一架在任务的大部分时间(但并非全部时间)都由远程飞行员控制的飞机。如果飞行员切换到 GPS 引导的自动驾驶模式几分钟,那么这架飞机是否在其飞行的这一子集中变成“无人机”,然后在自动驾驶仪关闭后失去该名称?或者,GPS 自动驾驶仪的存在,无论实际使用多少,都会使其成为无人机吗?


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(即使自主飞行确实发生,人的因素仍然非常重要,但只是在时间上有所转移。设计系统和方法以成功地让计算机控制飞机本身就是一门高超的艺术。自主飞行之所以成为可能,是因为在实际飞行之前就投入了大量的人类智慧。)

许多人(包括作者)都使用“无人机”来描述任何没有机载飞行员的飞机。但这是一种过于简单的说法,掩盖了当今无人驾驶飞机在形状、尺寸和功能方面的惊人范围。它也可能未能充分认识到驾驶飞机所涉及的高水平技能——无论飞行员是否真的在飞机上。

正如以下问答所示,某些类型的无人驾驶飞机显然不是无人机。其他一些显然是。在某些情况下,这种区别只是视角问题。

传统的模型飞机是“无人机”吗?

简而言之,不是。原因如下:

模型飞机已经存在一百多年了,实际上比载人飞行还要早。几十年来,模型一直被用于测试飞机设计理论和验证全尺寸性能。有些模型是真实飞机的缩小比例复制品;另一些则是旨在用于运动或竞技活动的原创设计。在许多情况下,它们的制造精度达到了惊人的水平。今天,大多数(但并非全部)模型飞机都通过无线电遥控飞行。

模型飞机由数千名爱好者飞行,他们对航空有着共同的兴趣,并且热爱观看他们的飞机飞行和表演。出于这个原因,模型飞机主要在操作员的视线范围内飞行,并且在操作员的注视和控制下进行飞行。仅凭这一点就足以将模型飞机完全排除在“无人机”的范围之外。

捕食者、全球鹰和其他军用无人驾驶飞机是“无人机”吗?

捕食者和全球鹰是美国军方在阿富汗和其他地方使用的众多无人驾驶飞机类型中的两种。它们由技术非常娴熟的飞行员驾驶,由于技术进步,他们不再需要实际坐在飞机上。然而,这并不意味着他们的技能比传统的座舱飞行员逊色。

肖恩·麦肯蒂是一位终身模型飞机爱好者,也是现任美国军方无人机(无人驾驶飞行器)飞行员,他曾在伊拉克和阿富汗执行监视任务,他对远程驾驶的挑战有着独特的见解。他解释说,驾驶无人机远不止“坐在盒子里看着它飞来飞去”。他说,许多无人机都是“杆舵”驾驶的,其控制装置与传统飞机驾驶舱中的控制装置相当。美国军方无人机飞行员通常要经过严格的筛选过程,然后进行一年或更长时间的强化训练。

很大程度上由于这些原因,许多无人驾驶飞机飞行员对“无人机”这个词持非常负面的看法,因为它未能认识到实际飞行操作中涉及的高水平技能。他们通常更喜欢 UAV 或 RPA(“远程驾驶飞机”)等名称。

什么是“第一人称视角”无人驾驶飞机?它是无人机吗?

第一人称视角 (FPV) 飞机配备了一个前视摄像头,并将实时视频传输到地面上的操作员。操作员看着计算机屏幕上的图像,看到就像坐在驾驶舱中一样的视野,并据此驾驶飞机。

虽然“UAV”是(非模型飞机)无人驾驶飞机的通用术语,但 FPV 指的是通过机载摄像头传输的图像由远程飞行员驾驶的此类飞机子集。仅由 GPS 或机载计算机图像分析引导的无人驾驶飞机是 UAV,但它们不是第一人称视角 UAV。

到目前为止,大多数 FPV 飞机都是由军方操作的,他们使用技术使得飞机可以在飞行员视线范围之外飞行。然而,随着美国最近颁布了一项新的航空法,将在未来几年向多种类型的无人驾驶飞机开放美国领空,FPV 飞机在非军事环境中的使用肯定会增加。FPV 飞机很可能受到美国联邦航空管理局关于国内非视线操作的非常保守的规则的约束,以最大限度地减少潜在的安全隐患。例如,如果飞行员和飞机之间的通信链路发生故障,那么在不危及其他飞机或地面人员的情况下将飞机带回地面显然会遇到挑战。

FPV 飞机是无人机吗?根据无人机的最严格定义,它不是,因为它是在人工操作员的控制下飞行的。然而,当在视线范围之外飞行时,尽管可能涉及驾驶它的重要技能,但许多人会将 FPV 飞机描述为无人机。这是因为无人机的定义对于观察者来说可能难以甚至不可能应用。毕竟,一个看到无人驾驶飞机在没有附近飞行员迹象的情况下进行机动的人,怎么能知道它是自主的还是远程驾驶的呢?从观察者的角度来看,将其视为无人机并非不合理。

那么,通过 GPS 自行导航的无人驾驶飞机呢?

使用 GPS 自主飞行,在没有人为控制的情况下导航复杂飞行路径的无人驾驶飞机,完全符合无人机的定义。

业余爱好者的“无人机”真的是无人机吗?

通常是的。许多无人机爱好者在自主飞行系统方面拥有极高的专业知识。他们利用这些专业知识,以惊人的创新方式将机器人技术、传感器和机身设计融为一体。此外,他们在术语的使用上通常非常谨慎。如果一位认真的爱好者称他或她的平台为“无人机”,那么这几乎可以肯定是一个准确的称呼。

 

那么,所有这些将事情引向何方?首先,重要的是要认识到在商业世界、军方和业余爱好者社区中正在发生的关于自主飞行的大量研究和创新。然而,当我们读到美国军方“无人机”时,我们也应该记住,即使熟练的飞行员碰巧不在飞机上,他们仍然是军事航空的关键组成部分。

最后,尽管航空界发生了所有这些变化,但重要的是不要忽视根本没有改变的东西:飞机飞行要归功于物理学和人类智慧的结合。自动力飞行诞生以来,情况一直是如此,今天仍然如此。

图片由AeroVironment公司提供

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