“嗡嗡”叫的小家伙来自何方

诞生于100年前的无人机，今天迎来了飞速的发展。

无人机在英文里被称为“Unmanned Aerial Vehicle”，即“不载人的飞行器”。根据圣迭戈航空航天博物馆的档案，最早的无人机可以追溯到1917年，那是一架被成功改造为无线电遥控机的美国海军寇蒂斯N-9型教练机。设计者的初衷是让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。二战中，美国与德国也都尝试过以无人机携带炸药，对特殊目标进行精确度较高的攻击。二次世界大战之后，无人机开始向民用分化。

经过了百年的平稳发展，无人机行业在近年来突然成为万众瞩目的新兴行业，这一变化主要归功于微型旋翼无人机。2010年以后，随着智能手机的迅速普及，包括传感器在内的硬件技术和通信技术日臻成熟，成本持续下降，使得遥控玩具飞机搭载摄影器材成为可能。在英文里，微型旋翼无人机有一个专门的名字：Drone，原意是“嗡嗡”的声音，“嗡嗡”一词很生动地描绘了这种无人机的特点。因为这些嗡嗡响的小家伙们应用非常广泛、物美价廉而且操作方便，以至于如今“无人机”一词已经几乎和微型旋翼无人机画上了等号。

微型旋翼无人机造价相对低廉，无需专门的场地即可随时升降，操作又非常简单方便，因此几乎所有人都能很方便地获取和使用。再加上近年来各种小型电子设备的飞速发展，使得无人机能搭载各式各样的探测器和摄像头，甚至具备了如预设航线这样的智能功能，这就极大地扩展了无人机的用途。似乎在一夜之间，我们发现周围的很多人已经开始用无人机进行拍摄。在各行各业，无人机被广泛应用：喷洒农药、绘制地图、检查线路、环境监测、灾后救援、安防监控、观察野生动物……2017年6月底，顺丰快递在示范区内获得了无人机物流合法飞行权，这标志著无人机在我国物流行业合法应用的开端。

新闻链接：

京东联手英伟达推出“无人机送货”

GPU制造商英伟达宣布和中国零售巨头京东合作，以帮助京东旗下的某部门开发户外机器人。JDrone无人机和JDrover配送车是两款最新的机器人，它们同时采用了英伟达Jetson平台，内置了导航智能。

JDrover将被用于最后一英里（1英里≈1.6千米）的物流配送，它已经在中国的一些大学里投入使用，包括浙江大学、清华大学和中国人民大学。京东和英伟达表示会在接下来的一年里在中国的高校配备数百辆这种配送车。

京东认为英伟达的Jetson平台能赋予自动化的机器人在街道上行驶的能力，它甚至能穿过拥挤的人群、遵守交通信号等。

JDrone的飞行速度可以高达每小时62英里，携带的重物最多可达66磅（1磅≈0.45千克）。京东希望在未来五年里部署100万架无人机，以实现食品、药物的配送，也可以为农作物喷洒除虫剂，甚至还可以用于搜索救援任务。

京东正在使用英伟达的Jeston平台来提高机器人的决策能力。另外，京东还表示：希望能为更多中国的偏远地区提供物流服务，并降低超过70%的物流成本。

无人机如何辨识方向

现代科技的发展，特别是计算机技术的应用让无人机如虎添翼。

智能导航：绘制3D地图

当你以60千米的时速在天上穿梭时，可能因为速度太快而难以找到目的地。不用着急！如今的无人机可以在飞行的同时画出详细的3D地图——这一技术进步可以帮助人们在世界范围内找到正确的方向而无需人工干预。

这样的系统即所谓的“Hydra Fusion”。有一天它将允许无人机使用一种“同步定位并绘制地图”式的导航，从而在不熟悉的区域找到正确的方向。就像某些机器人在地面上做的一样。该系统还能使无人机在空中监测方面做得更好。

Hydra Fusion可以将来自无人机上的摄像机拍摄的图像拼接在一起，在无人机尚在空中时就形成详细的3D地图。目前，无人机可以一直以时速55千米的速度飞行，并在飞行时绘制地图。

以前在利用无人机录像来绘制地图时，需要在飞行后花费数小时来进行处理。其瓶颈在于处理能力。现在研究人员利用GPU（最初是为游戏开发的快速图像处理芯片）的强劲的处理能力克服了这一难题。

在时速60千米的情况下，Hydra Fusion创建的地图分辨率达到了每像素30厘米，这时能够清晰地显示出树木和建筑物。在较慢的飞行速度和较低的飞行高度时，还可以生成更高的分辨率（可达到每像素2.5厘米）。甚至可以显示更微小的细节：画出在铁轨位置上小到6毫米的变化。

超强脑力：搭载强处理器

似乎在各种场合都需要一架合适的无人机：监控农场、观察野生动物、送外卖……现在，得益于无人机“脑力”的提升，一种叫“水鸭（Teal）”的无人机试图做到这一切。

大多数无人机都是为了某个特定的用途而设计的，但现在研究人员正把它做得就像是无人机中的智能手机，甚至可以围绕它建一个应用商店。

“水鸭”由位于美国盐湖城的iDrone公司开发。它是一种能在空中做出决策的无人机。这种决策能力要归功于马萨诸塞州剑桥城的机器人公司（Neurala）开发的以大脑为原型的软件。该公司以前开发过引导空间探测器的技术。他们将该技术应用于无人机。人工神经网络的不同层级处理不同的任务，诸如理解摄像头拍到的影像，或者选定无人机接下来的去向。

“水鸭”作为第一架在自体上搭载了强处理器的无人机，其强大的处理器可以自行运行机器的学习软件，以便它能随时做出决定。这是无人机自主飞行的第一阶段。“水鸭”的三款内置app中，有一款运用了Neurala公司的图像识别技术，该技术可以让你指示无人机追踪某个特定的人。研究团队正在研发新技术，比如更好地回避障碍物、自主导航等。“水鸭”的另两款app提供了飞行控制和竞速比赛的功能。他们希望能在无人机智能方面开发更多功能，如搜救功能、预测无人机何时有坠毁危险并指示无人机采取规避动作的功能。endprint

快速的机群：协同作战

当你可以使用一群无人机的时候，就不要只用一架！让多架无人机协同执行同一项任务，意味着可以在更短的时间内覆盖更大的面积。例如，一个无人机群可以在短短6小时内绘制阿尔卑斯山脉中的马特洪峰的地图。

然而，无人机群的运动是很难掌控的。单独一架无人机可以相对轻松地避开障碍物，但如果还要无人机群保持飞行阵型，那就困难多了。

因此，新加坡的研究人员设计了一种方法，可以使无人机一起飞行，穿过他们能想到的最困难的环境——森林。要让无人机群挑选路线穿越树林，意味着这个机群可以在超出原有极限外的区域内迅速拍摄照片并绘制地图。他们采用的是基于“跟随领头机”的方法。一架领头的无人机被指定了一个GPS目的地，而机群中的其余飞机则保持它们与领头机的相对位置，同时避开障碍物。如果领头的无人机电量过低或者坠毁，那么，机群会自动指定一架新的领头机。

因为树木、树叶或者城市中的建筑物有可能阻挡机群与地面基地的通信，所以，领头无人机会从其队友处收集数据，并定期升高到树冠上方，将图像发送回基地。

研究人员运行电脑模拟程序以测试他们的系统。他们使用电脑模拟8架无人机靠近一棵树，占据合适的位置并对它进行扫描。在模拟程序中，机群到达了目的地并迅速散开，几乎和一架无人机单独到达的速度一样快。如果无人机可以围绕一棵树飞行而不被撞毁，那么，绕过很多树也应该不成问题了。

科学家们正期待着无人机群能早日在一些人们难以到达的地方绘制地图。这些技术的应用肯定会对测量环境的方法有较大的提升。

会学习的智能无人机

能够像动物一样学习和思考的智能无人机，可能预示着无人机应用在快递服务和监控庄稼方面即将兴起。

在你头上“嗡嗡”叫着转圈的无人机可能比你想象的还要聪明。装备拟似大脑（由硬件神经组成的）的小型无人机将很快同其他飞行物一样在天上飞来飞去，自主预见和躲避潜在的危险。该功能将帮助无人机胜任一系列新的工作。

不少像亚马逊、DHL和谷歌这样的大公司正在建设他们自己的无人机群，以便快速投递消费品、快餐食品和药品。然而，为了避免撞机，现行的法规已将无人机飞行范围限制在遥控人的视野范围内。无人机必须要具备自动的“感知与回避”功能，以便有朝一日能自行运送快递。

虽然已经有能根据视频识别物体并实时做出反应的电脑，但它对于小型无人机来说实在是太大，也太耗电了。这意味着无人机不得不依靠短距离探测仪（比如雷达），而它们发出的警告可能不足以避免撞机。

或许模拟动物大脑的工作模式才是出路。人类的大脑不擅长大量数字的处理，但能比数字系统更快地处理复杂的由感官输入的信息。科学家正在利用忆阻器制造一套“感知与回避”系统。忆阻器是一种有记忆功能的电阻器。就像在生物大脑中的突触，忆阻器在电脉冲通过它时发生变化，更重要的是它可以在脉冲结束后“记住”它。

這项功能构成了模拟神经元及其相互连接的学习系统的基础。将一块芯片大小的拟似神经系统连接到无人机的镜头上，通过训练，就可以实现远距离识别飞行器及其他危险的功能。

Bio Inspired公司设计的无人机系统已经能识别诸如云、鸟类、建筑物及输电线电塔等物体，并通过视觉信号判断物体的距离。获得了这样的信息后，无人机规划出一条新的路线以避开险情，并随着威胁的移动不断更新。

自然生物似乎能够很有效率地运用这样的方法，那么无人机是否可以借鉴呢？澳大利亚的生物学家正在研究能让无人机识别蔬菜的人造神经网络。“感知与回避”将使得小型无人机群可以在错综复杂的城市中运送包裹。像一只小鸟或者昆虫，一架搭载神经系统的无人机可以飞往最困难的降落地点——甚至阳台。

如果能够自主识别物体，小型无人机的应用范围就可以得到拓展。其中一种应用的方向就是精准农业。无人机可以监视一座农场，识别出哪些区域的庄稼长势不佳，而且飞到近距离仔细观察，看该区域是否需要灌溉、施肥或者杀虫等。

在工业领域，带神经系统的无人机可以巡视管道、寻找漏点，或者找出输电线路上的漏电位置。

在家里，智能无人机可以擦窗子、取牛奶，或者向你的汽车发送空余停车位的信息，也可以帮你送外卖。

智能无人机甚至可以追踪动物的种群，比如沿着牲畜的区域追踪狼群。智能无人机不仅可以自主飞行，而且可以令人信服地在空中分辨出一只鹿和一只狼的不同之处。动物学家还用无人机追踪蝙蝠。之前，他们只在地面进行监测，而对蝙蝠在高空中的行为知之甚少。现在，无人机能够展现一副蝙蝠如何在空中活动，并且拥有更多细节的图景。

用忆阻器控制无人机并不是唯一的办法。美国国防部下属的国防高等研究计划署（DARPA）与IBM合作开发了TrueNorth神经芯片。这是一种运用数据硬件的模拟神经网络，具有足够多的神经元，其敏捷灵活可以媲美蜜蜂等飞虫。

无人机的技术瓶颈

在无人机应用范围急剧扩张的背景下，当前无人机技术的很多局限也被暴露出来。

动力问题

目前一般的民用小型无人机普遍采用锂电池作为动力源。同智能手机一样，无人机的技术发展也遇上了锂电池蓄电量不足的瓶颈。这个瓶颈已然构成了一块坚不可摧的天花板，死死地限制住了民用无人机的续航时间、飞行距离、有效载荷和智能程度。当前在市面上可以买到的无人机，大多数续航时间不超过20分钟。而即使是最能持续飞行的民用无人机，续航时间也很难超过30分钟。按照“Drones for Dummies”上提供的参数，目前最受欢迎的10款民用无人机中，飞行时间最长的也只有25分钟。达到这个标准的民用无人机有4个型号。它们中飞得最快的Walker QR，其时速可以达到72千米。以此速度计算，它的最远飞行距离也不过30千米左右。而这款无人机的有效载荷只有约200克，也就是说大概只能运送一小碗面条或者一个苹果。要提高载荷，只能牺牲飞行距离等其他性能。endprint

再来看智能程度。Walker QR还不具备飞行规划的功能，也就是说还需要操作者始终和它保持在约1000米距离的遥控范围以内。如果要使无人机具有飞行规划的功能，则又要耗费宝贵的电力以维持智能设备的运转，这也就意味着要牺牲飞行距离或者有效载荷。事实上，有另一型号配备了该功能的无人机3DR IRIS+，其飞行时速就只能达到64千米，续航时间只有16分钟，而有效载荷仍然只有约200克。

为了突破这个瓶颈，研究者们正在多个不同的方向上努力。

锂空气电池。理论上它的蓄电量可以比现在普遍使用的锂离子电池高出5到15倍。

氢燃料电池。一家英国的新能源公司已经在这个方向上做出了成绩。他们研发的氢燃料电池已经被搭上了无人机。

油动无人机，或者使用油电混合动力。据报道，Top Flight 公司就研制出了一种六旋翼的混合动力无人机，只需要4升汽油，便可以飞行两个半小时、约160 千米的距离，最高负重可以达到9 千克。

然而，在当前无人机安全性能不高的背景下，更强大的能量必然带来更大的隐患。这就必须提到无人机技术的另一个局限：安全性问题。

安全性问题

实际上在军用无人机的领域，早在2012年就有新闻说隶属于美国能源部的某研究机构开始论证核动力无人机的可行性，但据说由于安全问题，该计划最后被终止。毕竟，即便是有人驾驶的飞机也还没有使用核动力的先例，至少没有公开的例子。有专家评论到：“这是个很恐怖的计划，因为无人机远不如其他的飞行器安全，并且经常坠毁。这个行业在大力推动无人机的使用，而公众和政府都还没有充分理解其危险的一面。”

毫无疑问，无人机最大的意义就在于它是“无人”驾驶的。然而，也正是因为“无人”，从诞生那一刻起，它在安全性能上就先天不足。要在更广泛的领域内使用无人机，就必须去除这个致命的缺陷。诸多安全隐患包括：可能与飞机相撞；运送货物可能掉落；无人机自身故障如机械故障、电力不足或者操作不当等原因导致的坠毁。毕竟谁也不希望被从天而降的无人机砸坏玻璃，甚至砸中脑袋。要是坠毁的无人机还带着一缸汽油，那无疑就有引发爆炸和火灾的危险。

要提高无人机的安全性能，首先就要进一步提高无人机的设计水平，同时提高各零件的质量，并且采用更可靠、更轻质的材料，而这无疑会极大地提高无人机的成本，影响使用无人机的经济性。其次就是需要更高水平的控制技术，甚至人工智能技术，最好是由无人机直接搭载自动驾驶和防撞系统，或者由超级计算机统筹一个区域内所有无人机的飞行路線。

实际上目前已经有一些无人机具备了按照预设路线自动驾驶的功能，但要想消除安全隐患，则预设路线本身并不能满足要求，因为飞行路线上随时可能出现事先未能预料的障碍物。要想让无人机像鸟儿一样能够自主躲避障碍物和飞行物，则是一项更复杂的任务。它涉及高速摄影与成像，对图像及时进行分析处理并迅速做出反应，这些技术难题需要逐一攻破。可以预见的是，无人机的智能化程度提高以后，经济性必然受到影响。此外，一个设备的智能化程度越高，就越需要担心黑客攻击的问题。

另一个思路是尝试建立控制中心对无人机的线路做出统筹安排。科学家们也在这个方向上进行了研究。按照一家无人机技术网站上发布的消息，2016年2月NASA就为其发明的一套“自动依赖监视广播”（ADS-B）系统申请了专利。该系统的功能就是实时统筹和控制在一定区域内的所有无人飞行器，实际上就是由超级计算机构建的指挥系统来统一指挥无人机的空中交通。然而，这样的技术要想实际应用，必然要求绝大多数的无人机能够与指挥系统联网并接受其控制，同时要求限制不具备该功能的无人机上天，而这在现有的条件下是难以实现的。此外，由于通信和遥控技术的限制，一个控制中心能掌控的范围也不可能很广。

无人机，可以毫不夸张地说，正是当前人类高科技的结晶。对它任何一项性能的改进，都会牵涉到其他的因素，从而对其他的性能提出更高的要求。我们还可以在很多东西上套用这句话，比如智能手机，比如无人驾驶汽车，甚至我们已经习以为常的火车、舰船、电脑等。然而，科技的发展却总是不断地攻破一个个难题，满足人们的一个个需求，甚至为人们创造出未曾想到的新需求。从这里，我们不能不感叹科技的伟大。

新闻链接：成都双流国际机场遭遇4架黑飞无人机干扰

《华西都市报》报道：2017年4月21日下午的3个小时里，成都双流国际机场共计遭遇4架“黑飞”无人机干扰，导致58个航班备降西安、重庆、贵阳和绵阳机场，4架飞机返航，超1万名旅客出行受阻被滞留机场。

中国民航局表示，今年上半年共收到无人机影响航班运行报告44起，与去年同期相比增加37起；受影响航班790班，与去年同期相比增加689班。无人机产业快速发展，但无人机飞行却处于“无人管”状态，凸显法律和监管空白。无人机实名登记制等措施出台，有望改变这一状况。

无人机的违规飞行也在影响航班的正常运行。5月份西南、西北、中南地区机场共有19次无人机影响航班正常运行事件，使得326个航班受到影响，其中101班返航备降，给安全运行和旅客出行带来了不便。当前，民航局正在加大无人机管理力度。从今年6月1日开始，民航局要求在中国运行的民用无人机进行实名制登记。截至6月12日，在民航局无人机实名登记系统上注册登记的民用无人机已达到4.5万架。endprint