無人機-從遠古的飛翔夢想到現代的空天使者

無人機經歷了悠久的發展歷史正快速走進我們的日常生活中。本文回顧了無人機的發展歷程，介紹了無人機的主要應用領域，討論了當前無人機研究的熱點。

飛行-人類古老的夢想

飛行是人類古老的夢想，在2500年前的古代希臘與中國，先賢們就已經開始研究如何翱翔在蔚藍的天空[1]。第一個能夠自動在天空飛行的機器據稱來自義大利的塔倫特姆的一個叫Archytas的人。傳說他是一個具有奇思妙想的工匠，設計了很多的機械。在公元前405年，他設計了一個機械鳥並給它命名為「鴿子（pigeon）」，其構造大致如圖1所示。

圖1藝術家記載的飛行的機械「鴿子」，據記載是第一個飛行器，也是第一個無人飛行器,據記載它能飛200米遠

差不多在同一時代，在世界的另一端，中國人首創性的提出了垂直起飛的概念。最古老的竹蜻蜓的構思是將羽毛綁在一根棍子的末端，將棍子在雙手之間旋轉產生足夠的升力，然後釋放，竹蜻蜓就可以飛行了。在古代的中國，我們富有想像力的祖先們嘗試了多種類型的飛行器，例如熱氣球，火箭或者是風箏。這些飛行器一部分用於娛樂，也有很多被用于軍事。在公元前450年前一種木鷹就被設計出來用於偵查敵人。

很多世紀之後的1483年，達芬奇，這位通曉很多領域的全才，設計出了一種名叫空中螺絲或者空中陀螺的可以在空中懸停的機械。該飛機的直徑有5m，其設計結構是使用足夠的力使得軸旋轉，從而實現旋轉和飛行，如圖2所示。一些專家認為這台機器是直升機的始祖[2]。

圖2達芬奇的空中螺釘，現代直升機設計的先驅

達芬奇還在1508年設計了一隻機器鳥，當它沿著一根纜線下滑時，能夠通過雙曲柄機構扇動翅膀。第一次被廣泛認可的載人飛行發生在1783年，它是採用蒙哥爾兄弟設計的熱氣球來實現的，如圖3所示。不久以後，英格蘭也有了類似的嘗試，並且持續幾年都以氣球為主實現載人飛行，直到19世紀60年代才出現了第一架直升機和後來的固定翼飛機。

圖3 1784年法國人使用熱氣球實現的首次載人飛行

1860-1909年間，很多種飛行器被設計出來，因為當時使用的引擎僅以蒸汽為動力，這些飛行器以垂直起降飛機為主。隨著發動機功率/重量比的提高，這些早期的機器成為今天仍在使用的直升機和飛機的設計雛形。

推動飛機發展的主要動力一直都是快速安全地運送人員和貨物。但另一方面，軍方也很早就認識到無人機的潛在價值，並開始努力讓飛行器適應沒有駕駛員的飛行。這種最初的無人駕駛輸送系統，現在被稱為導彈或智能炸彈。這種系統還可作為「靶機」協助防空炮操作員的訓練。今天，無人機系統被定義設計為執行每次任務後會被收回的系統，雖然它可能裝備有武器，但武器本身並不是機體的組成部分。

1916-1944年：由軍事需求驅動無人機的發展

1916年，在萊特兄弟的歷史性飛行之後不到15年，第一架現代無人機就誕生了，這就是休伊特-斯佩里自動飛機，由設計這架無人機的兩位設計者的名字命名。如果沒有斯佩里對陀螺儀設備的前期工作，這架無人機就不可能變成實物，因為它需要陀螺儀設備來保持飛行穩定性（以後的很多飛行器都借鑒了這一方法）。斯佩里設法吸引美國海軍的興趣，使柯蒂斯-斯佩里空投魚雷得到發展。在同一時間，美國陸軍航空隊贊助了查爾斯.凱特靈研發自由鷹空投魚雷，如圖4所示。由於技術問題和缺乏精準度，軍方對自動飛機失去了興趣，但很快使用遠程操作機進行打靶訓練的潛力被發現了。

圖4美國空軍「自由鷹」空投魚雷，也稱為「凱特靈臭蟲」，以其發明者查爾斯.凱特靈的名字命名

在英國，20世紀20年代的無人駕駛飛機實驗採用RAE1921型無人靶機進行。1933年，皇家海軍首次使用蜂后靶機。這時德哈維蘭公司（De Havilland）製造的虎蛾雙翼飛機的改良版已成功應用於重炮檢驗。

遙控操作需要完善無線電控制，這一觀念由特斯拉（Tesla）於1895年提出，並於1898年得以實現。1934年，當演員雷吉納德.丹尼(Reginald Denny)開始經營他的「雷吉納德.丹尼興趣店」並銷售無線電控制的飛機時，私人用無人機工業得到了快速發展。幾年後，他向美國軍方展示了他的成果，促使第二次世界大戰期間非常成功的靶機用無人機得到了廣泛應用。

冷戰期間：無人機在陣營對抗中逐漸得到重視

二戰結束以後，世界並沒有恢復寧靜。冷戰時期的敵對雙方對偵查任務的興趣劇增。SD-1，雷吉納德.丹尼的靶機後裔，成為第一架偵查無人機的原型[3]，它也被稱為是MQM-57「獵鷹者」。它的研製時間是20世紀50年代中期。在其停產之前，總共製造了近1500架。如圖5所示，SD-1是遙操作型飛機，攜帶一架攝像機，並能在飛行30分鐘後返回基地用降落傘回收。

圖5 SD-1，也稱為MQM-57「獵鷹者」，是美國陸軍的第一架偵察無人機，並一直服役至20世紀70年代

U-2高空偵察機時而不時被擊落帶給美軍的壓力成為了無人偵察機發展的新動力。美國空軍支持瑞安147(Ryan 147)型無人機發展成一系列多用途機型，如圖6所示。在20世紀六七十年代，這些機型還基於遙控飛機的設計，用於執行美國對中國、越南等國的偵察任務。在此期間，共發射了3500架「螢火蟲」無人機，其中近84%成功返回[4]。瑞安147型，即「螢火蟲」無人機，可能是第一架符合當今的UA定義的無人機。實際上到目前為止，這種無人機的現代版本仍在生產並執行任務。越戰中，美軍無人機主要配合載人偵察機執行偵察和目標指引任務，任務區域大部分是載人偵察機不宜前往的區域。越戰結束後，美國空軍因經費縮減而進行組織重整，他們認為無人機的應用範圍局限，對作戰的影響力也有限，因此無人機部隊就此解散[5]。

圖6 AQM-34Q，瑞安147型無人偵察機的變體之一，使用於20世紀六七十年代

將無人機應用於其他方面的嘗試也在不斷進行。例如美國海軍從Gyrodine公司購買的無人駕駛直升機，即QH-50 DASH[6]。還有超高聲速、遠程偵察無人機的設計等等。這些研究在當時雖然不是很成功，但為以後擴展無人機的應用埋下伏筆。

在冷戰時期真正大幅擴展了無人機應用的是以色列人。與美國竭力追求無人系統的高升限、高速度等性能不同，以色列在無人機開發和使用領域也具有豐富的經驗和實踐，然而他們事實上走出了無人機開發應用的另一條路[7]。據稱，以色列之所以更早地意識到無人系統重要性，並投入大量精力和資源進行開發，其原因在於1973年「贖罪日戰爭」中以空軍有人戰機在現代防空體系前的慘重損失。後來以色列飛機工業公司（Israeli Aircraft Industries）和塔迪蘭公司（Tadiran）分別研製了自己的飛機，分別是「偵察兵（Scout）」和「馴犬（Mastiff）」。

圖7以色列的偵察兵「scout」無人機

以色列顯然更注重將其低性能的無人機視作戰場實時情報的來源，使用思想上的差異使以軍在運用無人機方面取得更顯著的效果。1982年黎巴嫩戰爭期間，以軍對各類戰術無人機創造性的使用（首次在危險的戰場上，使陸軍獲得了一種廉價的實時情報獲取手段；在貝卡谷地之戰中無人機被用來引誘敘利亞雷達，偵查敘利亞SAM系統，實時回傳戰場態勢[7]），激發了很多國家軍隊對無人機的熱情，這其中也包括無論是從規模及時間上都優於以色列使用無人機的美國[8]。

後冷戰時期：現代的無人機系統

經過冷戰以後，無人機的發展進入了新的時代。無人機以其經濟、安全、方便的應用特點使得它不僅在軍事上得到大範圍的應用，在民用方面也逐漸得到多個領域的持續關注。當前無人機已經成為執行「枯糙、惡劣、危險和縱深（Dull, Dirty,Dangerous and Deep, 4D）」任務的首選：

「危險」是指有人試圖擊落飛機或者飛行員在操作上可能面臨額外的生命風險；

「惡劣」是指任務環境可能被化學、生物、放射性物質甚至核污染，使人體不能暴露於其中；

「枯燥」是指重複性的任務或者持久性任務，在此類任務中，飛行員易產生疲勞和緊張。

「縱深」，指的是超過有人機執行任務能力或者是人類執行能力的任務。

無人機在軍事領域中的應用

在見證了以色列對無人機花樣百出的應用之後，美軍作為學生開始重新審視無人機在作戰中可發揮的作用，並將無人機的應用發揚光大。20世紀90年代以來，美英等國在海灣戰爭、科索沃戰爭中廣泛使用各型無人機。1991年海灣戰爭投入200架無人機，6個「先鋒」無人機連參戰，執行522架次飛行任務，飛行時間1638小時。1999年科索沃戰爭投入「捕食者」、「獵人」、「先鋒」等7型300多架無人機，執行戰場監視、電子對抗、戰場評估、目標定位、氣象探測和散發傳單等任務。美國911事件爆發後，2001年10月18日,美空軍首次使用RQ-1「捕食者」無人攻擊機發射2枚「海爾法」（地獄火）空對地導彈，對塔利班頭目奧馬爾的家人車隊進行了攻擊，開創了無人機對地攻擊的先河。

當前，美軍已經發展了一套覆蓋從小到大，從低空到高空，從續航時間幾十分鐘到幾十個小時的無人機譜系[10][11]。如圖8所示：

圖8美軍構建的無人機體系[11]

小到重僅幾克的偵查無人機，如圖9所示為電影《天空之眼》中的甲蟲；大到能夠持續飛行幾千公里在多種通信鏈路的支持下可完成戰略偵察任務的高空長航時無人機全球鷹，如圖10。單兵的陸軍手拋式無人機可以被應用於陸軍作戰小組的戰術情報偵查，彈射型陸軍戰術無人機可以支持陸軍戰役級別的情報偵查，衍生自捕食者的中空長航時察打一體無人機MQ-9現今已經成為懸在美國人定義的「恐怖分子」頭上的利劍，如圖11所示。

圖9電影《天空之眼》中甲殼蟲無人機

圖10全球鷹無人機是一種高空、長航時無人機。這是世界首款跨太平洋飛行的無人機

圖11MQ-9「死神」無人機是「捕食者」無人機系統的更新版本。它主要用於持久獵殺關鍵的時敏目標，其次是用於情報搜集。

當前美軍在持續推進他們的無人機研究計劃。如無人作戰飛機系統X-47B，美軍2013年在航空母艦上完成了它的起降試驗[12]。它的很多設計都超越了現有的無人機的能力，未來可能替代有人作戰飛機成為美國海軍的撒手鐧。美空軍還在研製能夠支持集群作業的小型無人機Perdix。它能夠較好支撐根據任務進行集群自主飛行的想定，現在已經進化到了第7代，平均半年進化一代[13]。

圖12Perdix微小無人機

無人機在民用領域中的應用

無人機在軍事領域中的成功應用，激發了民用領域對無人機應用探索的熱情[1][13]。無人機已被美國政府應用於很多的工作中，例如邊境偵察，災難反應等[14]。由於無人機具有非常優越的續航能力，可以用來執行邊境巡邏等任務：它們能夠實時傳回視頻、圖像以及合成孔徑雷達信息以給地面執行任務單位以支持。

基於無人機執行任務中所體現出來的優勢，它們也可被應用於處置應急行動，例如災難反應。圖13展示了無人機在災難反應中的各種應用。

圖13無人機在災難反應中[13].圖a中一個長航時的無人機可以提供對災難的場景感知，構建地面的通信網；圖b中能夠懸停的旋翼無人機可以檢測材料的裂紋和氣體泄漏；圖c中的旋翼無人機可以將附近的藥品運輸到現場；圖d中的撲翼無人機能夠完成集群式飛行，它們能夠進入建築中搜尋化學危害源；圖e多模態籠式無人機可以飛入或者滾入複雜的結構中去探索生命體征或者檢驗器材的安全性。

在2010財年至2013財年之間，美國空海行動處（Air and Marine Operations, AMO）組織無人機進行了約450小時的飛行以進行洪水搶險、搜索救援等應急反應[14]。

其他較廣泛的應用無人機的領域包括科學研究，測繪，農業實用等。日本自二十多年前就開始將無人駕駛直升機應用於農業(主要是用於農葯噴洒)。到2002年，雅馬哈(老牌無人機製造廠商)RAX模型機的使用數量就超過了2000架，這個數字在逐年增加。目前已經有超過12000名操作員獲准操作無人駕駛直升飛機，且在農業應用中無人直升機的數量已經超越了普通載人直升機[1]。我國對農業無人機的應用也逐漸興起並得到了政府的大力支持[15]。

圖14雅馬哈生產的施肥施藥無人直升機

無人機在民用領域發展最為迅猛的是旋翼無人機。相比與固定翼無人機，旋翼無人機技術門檻較低，具有良好的飛行可控性以及較低廉的價格，為生產廠家將無人機推廣到尋常百姓家提供了一種實現途徑。私人使用旋翼無人機的主要應用是航拍。藉助於無人機，普通人找到了觀察世界的另一個視角，如圖15所示。

圖15利用大疆無人機拍攝的圖片，來自網上

由於無人機所具有的特點，很多領域嘗試應用無人機解決領域相關的具體問題，例如應用無人機投送快遞，電力巡檢，以及進行表演等等。

無人機研究前沿淺探

隨著技術的發展，無人機的譜系被不斷拓寬。固定翼式無人機與旋翼式無人機雖然能力強大，但在很多場景中存在局限性。很多場景中需要用到小型或微型無人機。尺寸減小會導致旋翼無人機升力效率降低，從而降低飛機的飛行效率。對於固定翼無人機，較小的尺寸決定了雷諾數(為了表徵流體流動情況的無量綱數)的減小。這意味著固定翼飛機在飛行時會產生更大的空氣阻力，獲得更小的升力。為了獲得足夠的升力，必須增大飛機的相對飛行速度，這導致了飛行效率的下降。

以對小型和微型無人機的需求為牽引，撲翼無人機的應用研究逐漸成為熱點[16]。撲翼式無人機的優點是它借鑒仿生學原理獲得在空中飛行的動力，其飛行效率較高。但對撲翼式無人機的研究難點是其動力學模型過於複雜，將飛鳥或者飛蟲的運動方式建模為方程是極其困難的。即便如此，當前已經有很多科學家提出了不同的撲翼式無人機，如圖16所示。伴隨著材料科學與控制科學等相關學科的發展，未來撲翼式無人機必將得到更大的發展，更廣闊的應用。

圖16撲翼式無人機[13]。(a). Nano蜂鳥無人機，重19g。(b). RoboBee無人機，重89毫克，能夠在外置電源條件下飛行[13]。

另一個對無人機的熱點研究是無人機的集群化使用。隨著無人機應用的逐漸拓寬，人們逐漸意識到讓一群價格較低廉、性能較低的無人機執行任務會比讓單架性能良好但價格昂貴的無人機執行任務有更高的可靠性，且能夠降低耗費。因此無人機集群化使用成為民用和軍用領域研究的熱點。通過觀察動物界的集群現象，Reynolds總結集群的三個基本規律：相互接近的飛鳥之間存在斥力，相互遠離的飛鳥之間存在吸引力，以及每個飛鳥的飛行保持與自己周圍飛鳥的平均速度相同[17]。基於這一定義可以在模擬環境中很容易的模擬集群行為。但在真實環境中，必須考慮無人機相互之間感知狀態信息的機制。基於已有的技術，在戶內的真實實驗中，可應用基於紅外的感知設備（例如VICON系統）感知無人機的運動狀態。在戶外的實驗中主要依賴無線電通信傳輸無人機GPS信息實現無人機間的相互感知[18]，也有學者研究使用視覺感測器感知無人機之間的相互距離[19]。在難以通過視覺獲得可用信息的條件下，有人研究利用聲音信號來測定無人機之間的相對位置信息[20]。

圖17無人機集群化使用。(a).Intel公司組織的無人機集群燈光秀。(b).軍事應用中設計的無人機集群作戰場景

讓無人機集群安全、協調的飛行只是應用無人機集群的基礎。進一步需要考慮無人機集群在任務層的相互協調。無人機集群的特點是冗餘設計，集群的總體能力之和需要大於完成任務的需求。但是無人機集群是分布式系統，需採用複雜的協調方法確保無人機集群能夠合作式的分配任務。大致上可以將集群的管理模式分為兩種不同的思路。第一種思路是集中式管理的架構。賓西法尼亞大學由Vijay Kumar教授帶領的團隊自2010年左右展開無人機集群相關技術研究[21]。他們對無人機集群進行研究的目標是探索未來軍事活動中小型平台和感測器組成的大型網路在動態、資源有限、敵對環境中執行任務時的關鍵技術問題。他們在無人機集群飛行相關的多個層次上取得了較為矚目的研究成果：包括快速、穩定的規劃和路徑跟蹤演算法[22-23]；多四旋翼無人機的編隊控制方法[24]；在平台具備穩定飛行和快速跟蹤能力的基礎上他們進一步提出了集群系統二層分組控制的框架結構。在集群的層面下將無人機分為多個組(group)，同組無人機能夠進行高速通暢的數據交互。為了確保組內無人機實現較高精度的控制與構型，每組無人機的數量有限。組與組之間的協調對通信帶寬的需求較小。在解決集群任務分配管理問題時他們提出同組無人機默契配合完成需緊密耦合的單個子任務，不同組的無人機通過協調完成一個任務松耦合的各個子任務。

圖18賓夕法尼亞大學無人機集群實驗圖

當前Vijay Kumar等人正在研究由自主機器人和移動式感測器組成的可擴展集群。他們希望構建一個能夠體現動物界集群行為的集群框架，破解集群在陌生場景中的應用難題。

另一種思路是採用分布式方法。在機器人集群方面的研究對無人機集群也有較大的啟發意義。哈佛大學的研究人員於2014年在《科學》期刊上發表文章，闡述了他們在大規模集群方面的研究工作[25]。在他們的研究中，大量小型機器人在獲得大致構型信息和種子機器人參照信息的條件下進行自主構型。每個小型機器人在運動的過程中只能得到自己周邊的機器人的位置信息。在規則和監督下的集群智能湧現現象首次在真實物理環境下得到驗證和體現。通過大量機器人運動的驗證發現，雖然集群最終得到的構型大致相同，但集群中機器人在每次任務執行過程中的行為都存在很大的隨機性和不確定性。從集群智能的角度分析這體現了數量較多的智能體協調合作時帶來的智能湧現行為。但從控制的角度分析這是在分布式環境下機器人由於近視性(myopic)造成的大量隨機反應性行為。由於機器人無法獲得全局信息，也無法規划出一個集中優化解，只能通過近視的隨機反應來達到集群集體的目標。每一個機器人的反應性控制都帶有嘗試性，因此大量智能體完成構型的過程難以預測。

圖19哈佛大學小型機器人構成大規模集群實驗

以上兩個典型的與集群相關的研究的目標都是探索集群控制和應用中的問題。賓夕法尼亞大學的Vijay Kumar帶領的團隊從個體出發，在保證每個個體具有足夠可信的能力的前提下逐步擴大四旋翼無人機的規模。當集群規模進一步增大後採用分層次的控制方法。他們採用的是自底向頂逐漸遞進的思路，力求集群中的所有個體都能夠高效、快速的相應和完成控制中心的任務。哈佛大學的研究中個體雖然能夠獲得鄰居位置和全局構型等信息，但每個機器人在如何達到目標，採用何種行動上存在較大的自由度。他們研究大規模集群的思路是每個機器人在能力有限的前提下通過自行尋找、嘗試來搜索能夠實現集群目標的解決方案。因此集群執行任務的過程中存在效率低和不確定性大的特點。這兩種研究理念各自代表了一部分研究人員的觀點。Kumar等人預見隨著四旋翼的數量繼續增加，集中式控制方法會遇到新的問題，分布式的管理和控制方法或將成為必須[23]。無人機間需要採用更多分布式協調的方法。哈佛大學應用的大量機器人構型的方法雖然低效，但卻為由較多無人機或機器人構成的集群的控制和規劃方法的研究提供了有意義的參考。

因此，可以歸納得到較一般的結論：隨著集群系統規模增大，集群系統內部各個元素的受控制水平將會逐漸降低，同時集群內各個元素的自協作水平將逐漸提高。基於這一思路，可以將多無人機組成的集群的協調過程看成一個分布式部分可觀馬爾科夫決策過程(decentralize multi-robot partially observable Markov decision processes, POMDPs)[27].進一步採用博弈方法、拍賣演算法等協調演算法解決集群內部對任務的合作式分派問題[28]。

結論

本文對無人機的發展歷程進行了介紹，對當前無人機在軍用和民用領域的主要應用模式進行了闡述。進一步本文探討了無人機在未來發展和應用的一些前沿性熱點方向並對一些關鍵問題進行了分析。

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