史话无人飞行器-穿越神话,战争和科幻的无人机

史话无人飞行器-穿越神话,战争和科幻的无人机徐枭涵,工程师

在知乎上关于小型无人机已经有上万字回答了。在此进行一定的整理,并且努力写成文科生都能看懂的系列。

这是第一篇文章,本文旨在回答什么是小型无人机,为什么我们需要小型无人机?

如今在大城市街头,时常能听到嗡嗡的声响,头顶有一架四旋翼飞行器飘过。这通常就是如今越来越多而且惹出来麻烦不少的小型无人机了。除过传统的电视台,电影摄影,越来越多的广告,婚庆都开始采用小型无人机助兴。不时还刷以送戒指,进白宫等争议不断的方式进入大家的视线,又或者有各种各样的团队将自己的创意和产品公布。那么,到底什么是小型无人机呢?

(街头巷尾随处可见的 Phantom)

让我们先抛去现实,从幻想开始,谈谈无人机的前视今生。

神话,传奇和电影

其实无人机的影子在早各种传说和童话故事中徘徊,

《墨子·鲁问》记载:公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下,公输子自以为至巧。”《渚宫旧事》记载:“尝为木鸢,乘之以窥宋城

如果史料所言不假(毕竟史料可没有说这是牵着线的风筝),恐怕是历史上最早的用于军事用途的无人飞行器之一。另一个喜闻乐见的例子是在冰与火之歌中,易形者欧瑞尔在侵入鸟类意识之后驾驭鸟儿在天空中侦查,就不失为一种使用极为先进的脑电波图传和脑电波控制技术,使用生物神经网络进行控制的无人驾驶飞行器。至于为什么拥有如此先进科技的 Westeros 却生活在水深火热的中世纪,统治者甚至被多神教草根领袖玩弄于股掌之上,这是人性的丧失还是还是衣柜的巨大阴谋,就是本文讨论范围之外的了。

(易形者欧瑞尔正在进行战术侦查)

好吧,不开玩笑了。无人机领域有一个很有意思的特点是,研究者根本不需要像别的领域那样寻找自己要做的开创性的课题,只需要打开科幻电影列表,就能知道自己要做什么。

我们举起一个栗子(这是笔者非常喜欢的一个例子,因为是看了这部电影之后笔者才入的无人机坑),在电影《普罗米修斯》中无人机虽然出现的时间并不长,但是确是一个教科书级别的无人机应用展示。

(普罗米修斯电影截图,这两张图片因为笔者关于 HoloLens 的文章流传甚广)

电影中冒险者们释放了一种小型飞行器,使用多束激光对于洞穴进行全方位的扫描,同时对开放的未知区域进行探索,实时的重建出整个洞穴的结构。这种技术笔者曾经在多篇文章中提及,称为实时定位与地图重建 (simultaneous localization and mapping) 技术,简称作 SLAM,是当今无人机的核心技术之一。经常在朋友圈刷屏的各种无人机的视频都用到了他,技术的细节和目前的进展在之后的文章中我们会详细介绍。

其实 SLAM 距离我们并不很远,比如扫地机器人就应用了这种技术。而 SLAM 的意义十分远大,比如在前几天汶川地震纪念日的时候,笔者的朋友圈很多小朋友都发,希望下一次地震(地震毕竟是不可避免的),第一批进入灾区的不仅仅是勇敢的解放军武警战士,同时应该是无人机和无人车。对灾区进行扫描,寻找失落的人员,评估受灾情况,这些都离不开 SLAM 技术的身影。

另一个非常好的电影例子是笔者在小学时候在长途大巴车上看到的一部电影 Flubber。电影中主人公发现了一种反引力材料,并用它制造了一款悬浮在空中的机器人助手。这部电影的印象深刻到笔者大学时期开始研究小型无人机时候第一反应是,什么时候我能把电影中的飞行器制造出来。

就像是钢铁侠中的贾维斯一样,这个聪明的飞行机器人为主人公提供各种各样的帮助,比如拿个螺丝刀找个东西什么的。其实这个小机器人是最符合笔者心中的小型无人机形象的,一个生活工作中的助手,你感受不到他是一个飞行器,没有噪音,不会碰撞,他只是一个飞行的,不受二维空间限制的机器人而已。

想象一下,以后爬山的时候随行的无人机会为你拍照(这个其实已经实现了),或者帮你运送不想拿在手上的水平;开车的时候为你侦查前面的路况,躲避交通事故和拥堵;工作的时候帮你翻找文件,运送工具,这些可能就是为什么笔者认为,小型无人机的未来十分远大。

当然了,电影中的无人机远远谈不上人畜无害的好朋友形象,比如下图

在速度与激情中一个先进的不要不要的而且根本不可能飞起来的无人机把违法飙车的诸位追的满大街乱跑,虽然导演显然很不负责的让飞机的配平完全不 work,不过电影中应该符合大众对于无人机的正经认识。速度与激情电影中的无人机的用超高的速度在城市中自由驰骋,躲避楼宇和汽车,甚至钻过隧道桥洞。这差不多就是笔者在博士期间想要完成的一款无人机了。(前面普罗米修斯里面的无人机基本被笔者的导师搞的差不多了)

和那些用两三百时速爬行的汽车相比,恐怕这个能以极高的速度飞行,极高的处理速度识别障碍物,极高的加速度规划自己的航线的无人机更符合速度与激情的定义。如果美国人真的搞出来了这么先进的无人机,伊拉克也就没有撤军的必要了,何苦拿来和几个黑社会飙车用。不过多说几句,电影中表现的空中打击通常相当的不真实,现代航空打击是不会出现这种飞行器掠地飞行的场景的(虽然他很酷),通常是目标连发动机轰鸣声都没有听到就被导弹炮弹雨送去见真主了。至于在打怪兽电影中 F22 发射了空空导弹之后被怪兽一巴掌拍死就更不可能了,要知道 F22 可是被设计成在几十上百公里距离上超视距攻击的专业杀戮工具,怪兽可能看都看不到 F22 就挨了炸。

(这种抡着袖子肉搏在现代战斗机上属于自杀行为)

电影和科幻故事中的无人机有的已经被实现了,有的可能未来就会出现在我们的生活中,下面我们跳回现实,看看无人机的源起。

导弹,航模和玩具

如果不是第一和第二次世界大战,整个航空业可能如今是另一场局面。在航空事业在经历了第一次大战和第二次世界大战的刺激之后,获得了蓬勃发展,而无人机也同样是战争的产物。

航空业的发展其实也伴随着控制技术的进步。而已知最早的无人驾驶飞行器 Hewitt-Sperry Automatic Airplane 出现在第一次世界大战期间,采用了早期机械陀螺仪(后面会对陀螺仪进行详细介绍)控制飞行器的飞行和姿态,这一设备在现在看起来相当简陋。却是无人驾驶飞行器的鼻祖。

在第二次世界大战中,无人驾驶技术其实已经得到了相当广泛的应用。下图这个奇怪的东西其实是最典型的无人驾驶航空飞行器之一。

作为最早的巡航导弹,德国的 v1 拥有飞行器的特征(就是机翼,嗯,你是鸡翅膀,不像 V2 弹道导弹是光秃秃的一根),同时也具备了自动保持航线,飞向目标航点的能力,在陀螺仪和空速积分装置的操纵下,v1 可以飞从法国起飞,飞抵伦敦并且带来并不是那么愉快的结果:一声巨大的爆炸声。与之相对的 V2 导弹也采用了先进的自动控制技术,当然 V2 就属于弹道导弹了。当然了,虽然纳粹的导弹的战果并不是那么的好。不过日本人曾经也很羡慕德国人的这种巡航导弹的鼻祖,但是由于缺乏相关的技术能力,日本人创造性的采用了人肉神经网络,直接使用飞行员来驾驶导弹进行自杀式攻击。甚至创造性的为此研发了使用火箭动力的专用的单程飞机。不得不说日本在二战中表现还真是有点变态。

(采用火箭动力,只有单程门票的樱花自杀式攻击机)

战争对无人驾驶技术的需求远不如此,另一个经典的应用是在第二次世界大战期间,在涡轮增压发动机(对就是家用小汽车上的那种涡轮增压)的驱动下,飞行器得以不断爬升到更高的高度,这个就像是有涡轮增压的汽车更适合跑高原一样。而拦截战斗机的性能不断提高,德国人甚至给战斗机上装上了 50mm 加农炮

在此期间,为了安全,重型轰炸机不得不飞行到更高的高度进行投弹。美军的飞机可不像著名的德国的斯图卡俯冲轰炸机那样扮演增程大炮(实际上纳粹的空军坚持使用俯冲轰炸机是纳粹失败的重要原因之一),美军飞机通常在高空进行轰炸,那么问题来了,人类是很难控制飞机在数千上万米的高度下把炸弹扔到大约准确的位置的。因为你在对目标进行轰炸的时候需要考虑炸弹来自于飞机相对于地面的速度,炸弹的下落过程也是一个加速到空气阻力和重力相同以至于匀速的过程。而风速也是不可忽略的干扰因素,要知道高空的风速往往非常大,所以风速和地速往往有非常大的差距。美国科学家为了准确有效的把纳粹送入地狱,创造性的发明了"诺顿"设备--毫不夸张的说,这项绝对机密是美国把德国打成一片废墟的重要元素之一。

(把德国和日本炸成一片废墟的 B29 轰炸机,时代的超级产物)

诺顿的原理其实很简单,操纵者首先会使用光学设施对地面参考物进行观测,得到飞机相对于地面的速度(简称为地速),然后诺顿会接管飞机的控制,使飞机保持水平飞行和不变的高度和速度,并且根据地速计算炸弹需要进行投放的时间,在恰当的时机将炸弹准确的投下。正是这一设备,极大的提升了炸弹的命中几率。成千上万的战略轰炸机。将德国一个又一个工业区变成一片火海。诺顿极其先进,往往是在完成飞行任务之后需要卸载进行单独保管。而其采用的技术到现在也是无人驾驶飞行器的鼻祖。不过诺顿设备也有一定的缺陷。比如诺顿设备显然无法像现在的小型无人机一样能够自动绕开障碍物。从而经常发生在诺顿的操控下轰炸机相撞的事故,也无法有效地躲避放空活力。关于诺顿系统的详情请点击 hollyduke.blog.163.com/blog/static/5101564200854105220401/ 不过如果笔者没有搞错的话这篇文章最早载于某期的航空知识杂志。

另一个在第二次世界大战中闪亮登场的是现在遥控航空模型(remote control model airplane,也就是你们说的遥控飞机或者航模啦)的鼻祖,纳粹的弗里茨 X 炸弹,这种滑翔炸弹可以用无线电进行控制,而其一出场就取得了炸毁维托里奥·维内托级战列舰的战果。但从原理上来讲,这其实就是一个装满了 TNT 的无动力滑翔机,原理完全一致。所以不要鄙视玩航模的……你得知道航模一发威也是可以炸掉一艘军舰的。

(弗里茨 X 炸弹和他的战果)

可以说,最早的无人机是在轴心国和同盟国的共同需求下,诞生出来的自动而高效的杀人机器。他们的鼻祖是毁天灭地的弹道导弹,把伊拉克炸到石器时代的巡航导弹,一出场就报销一艘军舰的滑翔炸弹,而想想类似的技术现在贩卖在飞机场的玩具店,出现在电商和你我的手中,其实也是蛮激动的。

关于无人机的历史,还有很多津津乐道的故事。我会在随后的文章中逐一介绍。

如果赞比较多,我会考虑好好的写续集。

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