无人机海报背景-无人机是谁发明的

如果一切顺利,那么「机智号」将成为第一架翱翔在火星上空的飞行器。

这架名为「机智号」的无人直升机,被吊装在「毅力号」火星车的肚子下面,一路送往那颗红色星球。机智号本体只有 1.8 公斤重,一盒纸巾大小,四条机械腿上却装有两根长达 1.2 米的碳纤维旋翼。除了拍照它不执行科学任务,主要是验证在火星上自主飞行的能力。

为了完成这项艰巨的任务,「机智号」必须经受住一系列考验——严酷的温度、苛刻的功率限制,并在距离地球达10光分的火星上完成90秒的飞行任务。由于距离过远,实时通信或控制显然无法实现,它必须自主飞行。

那么NASA喷气推进实验室(JPL)是如何设计这架直升飞机的?我们采访到NASA JPL火星无人机行动负责人Tim Canham。

整个设计过程最重要的策略,是权衡设计与火星无人机的任务背景,这也是本次技术演示的最大意义所在。「机智号」并不需要像「毅力号」火星车那样完成科学考察工作;相反,它只需要做好自己的本份,飞行一段距离。如果运气好,「机智号」还可以捕捉几张航拍图,仅此而已。这项任务的价值在于,我们要证明低空飞机器能够在火星表面飞行,并收集更多数据,以指导下一代火星旋翼飞机的设计与制造工作。一切只是开始,更令人兴奋的远景发展还在后头。

「机智号」不需要刻意完成任何复杂的任务,因为光是火星无人机这个概念就已经足够复杂了。在火星上放飞无人机极具挑战性,除了功率与通信限制之外,还有一项核心挑战——火星的大气密度仅为地球的1%。

考虑到上述情况,Tim Canham告诉我们,「机智号」只要能够在火星表面成功起降一次,对NASA来说就已经是场辉煌的胜利。Canham协助开发了指挥「机智号」运行的软件架构。作为「机智号」运营团队的负责人,Canham目前主要处理无人机计划与「毅力号」火星车团队之间的协调工作。通过交流,我们希望深入了解「机智号」无人机如何在火星表面自主实现起降飞行。

问:您能聊聊「机智号」无人机的硬件配备吗?

Tim Canham:

「机智号」无人机属于技术演示项目,所以JPL愿意为此承担更高的失败风险。这一点与火星车乃至深空探测器不同——后者属于B级任务,不少NASA员工已经在这部分硬件与软件开发工作中投入了多年时间。

对于纯技术演示,JPL倾向于尝试更多新的实现方式。因此,我们决定尽可能摆脱手工件的束缚,大量采用现成的消费类硬件。目前市面上已经存在很多坚实耐用且能够抵御辐射的航空电子元件,而且大部分技术属于普通商业级产品。

以处理器为例,我们使用的是高通公司提供的骁龙801芯片。它实际上就是一块手机处理器,而且体积非常小巧。不瞒您说,骁龙801实际上是此次任务中最先进的处理器,其性能反而比「毅力号」火星车上的处理器强大得多。事实上,这块无人机使用的芯片拥有比火星力高出几个数量级的算力,负责通过500 Hz主频在制导期间循环运行,以保持无人机在火星大气中的平衡飞行。更重要的是,我们还需要捕捉图像并分析特征,同时以30 Hz频率逐帧跟踪画面内容。总之,这些任务都对处理器性能提出了极高要求,而NASA目前使用的一切航空电子元件都达不到要求。实际上,我们已经开始从SparkFun上订购零件。我们的理念非常简单:虽然这些只是商用硬件,但我们会进行全面测试;只要效果良好,就应该可以直接使用。

问:能否介绍一下「机智号」使用的导航传感器?

Tim Canham:

我们使用的手机级 IMU、激光测高仪(来自SparkFun)以及向下的 VGA 摄像机进行单眼特征跟踪。导航时,无人机逐帧比较几十个特征,以跟踪相对位置找出方向和速度。这一切功能都会通过位置估计来完成,而不需要记住特征或创建地图。

图:NASA机智号无人机底部图,可以看到其上搭载的激光测高仪和导航摄像机。

我们还装有一台倾角仪,用于在起飞时确定地面的倾斜度。另外,无人机上搭载一个1300万像素的手机级彩色摄像头——与导航无关,我们只是希望在飞行过程中拍摄几张精美的照片。我们将其称为RTE,以缩写方式称呼各类系统也是太空项目的传统。其实我们之前还考虑过在系统中加入危险检测功能,但时间有限最后只能作罢。

问:这架无人机是怎么自主飞行的?

Tim Canham:

其实你可以把这架无人机理解成某种传统的JPL航天器,其中安装一套排序引擎,我们为其编写了多条序列、相关命令,再将文件上传其中以供执行。

在模拟过程中,我们将低空飞行的制导部分划分成多个途经点,每个途经点都对应着我们在制导软件中设定的一条命令序列。在需要飞行时,我们会向无人机发出指令,之后即由制导软件接管并完成起飞、穿越各途经点、以及最后的着陆动作。

但这种方式中的每个途经点都经过特别设计,不能算是真正的自主飞行——我们并没有设定任何目标与规则,也没有做出任何高级推理,所以这只能算是半自主方案。更简单直接的方法就是,指定专人通过操纵杆远程指挥其飞行,但地球距离火星太远,即时遥控根本实现不了。面对紧张的项目时间表,我们只能提前制定出大体飞行计划,帮助无人机理解需要完成的预定飞行轨迹。在实际飞行中,无人机本身会根据风力、风向及其他实际环境因素调整飞行方式,保证始终沿既定航线前行。这同样是种半自主方案,用以顺利完成发射前制定的飞行路线。

就个人看来,我觉得这不能算是高级自主技术,而更多只是一种脚本式的飞行导引。只有直接要求无人机“给那块岩石拍张照片”、它就能照做,才算真正的自主飞行。但作为初始任务,我们这次只需要证明飞行器能在火星地表成功飞行。至于全自主飞行方案,我们会在后续任务中逐步尝试,这可能需要制作一架体量更大的无人机、搭载能够实现更强自主功能的先进硬件。

说起这个,我们不妨回顾火星上的第一位访客——探路者号。它的任务更简单:绕基地先进一圈,最好拍下岩石及其他样本的照片。因此作为初步技术演示,我们对火星上的第一架无人机也没必要苛求过多。

问:在某些极端情况下,无人机有没有可能偏离预定飞行路线?

Tim Canham:

制导软件会持续检测各传感器的运行状况,保证生成高质量数据。如果传感器发生故障,无人机确实会做出相应反应,即保持最后一条飞行指引信息、尝试着陆,而后向我们发送情况报告并等待处理意见。总之,在检测到传感器故障后,无人机将停止飞行。我们一共在机智号上安装了三个传感器,都与飞行过程紧密相关,三者的数据将融合起来共同为机智号提供导航指引。

问:初始飞行计划是怎么制定出来的?

Tim Canham:

我们经历了全面的选址过程,一切以「毅力号」火星车预计降落地点周边的环境为起点。根据实际情况,我们整理出轨道图像,并从中粗略识别出火星车将先后抵达的多个点位。结合周边岩石的坡度、高度乃至特定区域内的地表纹理,我们精心选取了适合无人机飞行的区域。

这里同样有不少权衡因素——最安全的地表应该没有任何纹理,代表这一块区域没有岩石;但这种缺少纹理的地面,也可能令无人机无法准确捕捉其特征、进而失去制导能力。为此,我们最好选择一片易于跟踪特征的碎石滩,同时保证这里没有任何可能威胁着陆过程的大石块。

问:这架无人机计划完成哪些飞行任务?

Tim Canham:

因为只是第一次尝试,所以我们只规划了三项主要任务,而且起降点全部选在同一位置。只有这样,才能保证无人机始终处于经过调查的安全飞行区域内。我们的时间窗口也非常有限,只有30天。如果时间再宽裕些,我们可能会尝试让其降落在其他看起来比较安全的新区域。但至少三项既定任务都是起飞、飞行、而后返航并降落在同一地点。

问:JPL拥有丰富的机器人制造经验,开发的机器人往往能够在主要任务完成后长时间保持正常运作。但这次只设定30天的任务执行周期,是否意味着除非发生意外事故,否则这架功能仍然完好的无人机将被直接遗弃在火星表面?

Tim Canham:

是的,计划就是这样,火星车会前往别处继续执行主要任务。毅力号团队已经为我们划拨了不少资源,留下了30天的时间窗口,我们对此深表感谢。在此之后,无论无人机状况是否良好,火星车本体都会继续前进。所以我们可以随意安排飞行任务,但绝对不能超过30天时限。

目前我们还没有规划好最后两轮飞行,但根据前三轮飞行任务的执行速度,我们可能会有一周左右时间做点新鲜的尝试。不过当下,我们还是要先认真把前三轮任务做好。

只要能成功完成一次飞行,我们的目标就算是基本实现。接下来我们会略微扩大飞行范围,如果仍然成功,那么最后两轮飞行就可以稍微冒点险了。比如我们可能会飞上一百米,或者做个大回环之类的动作。但最重要的是,理解无人机在火星表面的飞行方式,所以第一轮任务最重要,我们得认真观察无人机的飞行能力。

问:假如前四轮飞行一切顺利,那么在最后一轮尝试中,您打算设计怎样的飞行任务?是做点风险比较大、但成功后意义重大的尝试,还是风险较小、但重要性同样偏低的尝试?

问:JPL的工程师们在 探索 中还有哪些特别的发现,能给我们讲讲吗?

Tim Canham:

这是我们第一次在火星环境下使用Linux。没错,我们的无人机用的是Linux系统,软件框架则是JPL内部开发的立方体卫星与仪器专用框架。

几年前,我们已经把项目开源,现在大家可以直接通过GitHub下载火星无人机上的飞行软件,把它用在自己的项目当中。这是开源领域的一场辉煌胜利,我们把开源系统与开源飞行软件框架,同商用零部件整合了起来。

如果你想亲自尝试,也完全没有问题。对JPL来说,这种结合还是新鲜事物,以往我们大多使用特别安全、特别可靠的部件。但这一次灵感碰撞让人们感到兴奋无比,我们也期待这种新思路能在未来迸发出更大的能量。

无人机的诞生可以追溯到1914年。当时

第一次世界大战

正进行得如火如荼,英国的卡德尔和皮切尔两位将军,向英国军事航空学会提出了一项建议:研制一种不用人驾驶,而用无线电操纵的小型飞机,使它能够飞到敌方某一目标区上空,将事先装在

小飞机

上的炸弹投下去。这种大胆的设想立即得到当时英国军事航空学会理事长戴·亨德森爵士赏识。他指定由A.M.洛教授率领一班人马进行研制。

最初的研制是在一个名叫布鲁克兰兹的地方进行的。为了保密,该计划被命名为“AT计划”。经过多次试验,研制小组首先研制出一台无线电遥控装置。飞机设计师杰佛里·德哈维兰设计出一架小型上单翼机。研制小组把无线电遥控装置安装到这架小飞机上,但没有安装炸弹。 1917年3月,在第一次世界大战临近结束之际,世界上第一架

无人驾驶飞机

在英国皇家飞行训练学校进行了第一次飞行试验。可是飞机刚起飞不久,发动机突然熄火,飞机因失速而坠毁。过了不久,研制小组又研制出第二架无人机进行试验。飞机在无线电的操纵下平稳地飞行了一段时间。就在大家兴高采烈地庆祝试验成功的时候,这架小飞机的发动机又 突然熄火了。失去动力的无人机一头栽入人群。

两次试验的失败,使研制小组感到十分沮丧,“AT计划”也就此画上了句号。但A.M.洛教授并没有灰心,继续进行着无人机的研制。功夫不负有心人,10年后,他终于取得成功。1927年,由A.M.洛教授参与研制的“喉”式单翼无人机在

英国海军

“堡垒”号军舰上成功地进行了试飞。该机载有113公斤炸弹,以每小时322公里的速度飞行了480公里。“喉”式无人机的问世在当时的世界上曾引起极大的轰动。

在

二战

中无人靶机用于训练防空炮手。

第二次世界大战

之後将多於或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机,成为近代无人机使用趋势的先河。随著电子技术的进步,无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。譬如在越战期间,美国曾经使用大量的无人机对高价值或者是防御严密的目标进行侦查的工作,如此一来可以减少人员的伤亡或是被俘虏的风险。

1982年

以色列

航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动(黎巴嫩战争)时期,侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列空军的服役中担任重要战斗角色。 以色列国防军主要用无人机进行

侦察兵

,情报收集,跟踪和通讯。1991年的

沙漠风暴

作战当中,美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵,这种诱饵也成为其他国家效彷的对象

第一架无人机

简单来说,“无人机”可以分为两大类。一种是能够自主飞行的飞行器,完全不需要人工干预。另一个更像是遥控飞行器:仍旧需要飞行员进行指挥,但他们会在地面上、房间里的电脑屏幕前来看着无人机,并进行操作。这两种类型的无人机分别涉及不同的技术,有不同的潜力,但它们都被算作是无人机,在本文中,我们将其视为一种。

无人机的概念早在一个世纪以前就已经出现了,它并不是一个非常新奇的概念。往前追溯的话,可以找到好几个源头。比如在1898年,电气工程学家尼古拉·特斯拉(

Nikola Tesla

)就进行了“远程自动化”演示,他就利用无线电频率

远程控制

了一艘小船。还有查尔斯·凯特林(Charles Kettering),他在

第一次世界大战

期间建造了自动导弹"Kettering Bug"。也许是Queen Bee,这是第一个可重复使用的无人驾驶飞行器,

英国军队

在20世纪30年代用它来进行军事目标训练。

不论无人机的想法到底是从哪里开始的,这几十年来,它都是一个军事项目。无人机是一种完美的监视工具,小而灵活,可以在飞越敌方

领空

时避免被发现——如果它们被发现并被摧毁,唯一的代价就是再建造一个。后来,士兵们开始在无人机上安装炸弹,这样他们就可以在行动中发现并摧毁他们的目标。“捕食者”(Predator)无人机设计于20世纪90年代,自那以后飞行了数百万小时。无论是好是坏,它都改变了美国打仗的方式, 无论是好是坏。尽管“捕食者”的袭击可以非常精确,但它们已经杀害了数百名平民。无人机战争从一开始就备受争议——这既是一场技术辩论,也是一场道德辩论。

在消费级方面,无人机从一个由遥控飞机的飞行员组成的社区中崛起。在2000年代后期, 一些业余爱好者发现他们的手机包含了

自动驾驶系统

所需要的所有部件, 所以他们开始把手机装到了飞机上,然后用一个手机操控另一个。也有一些人购买了单独的部件——一个用于测量运动的

加速度计

,一个用于定向的

陀螺仪

,一个小处理器——并将它们直接安装到他们的设备中。由于手机的发展速度非常快,这些零部件变得越来越便宜,越来越好,而且电池也越来越耐用。很快,只要一个人有基本的编程知识和一个空闲的下午,就可以买一个工具包,来制造他们自己的无人机。