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世界微小型无人机最新发展应用概览
2015/8/3 10:08:00      来源:《中国安防》    作者:心愉
    无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)通常是指无人驾驶、自主推进,由无线电遥控或自身程序控制,利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器。


  引言

  无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)通常是指无人驾驶、自主推进,由无线电遥控或自身程序控制,利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器。1917年,英国成功研制了世界上第一架无人机,20世纪60年代初,美国首先将无人机用于军事侦察。此后,无人机先后参加了越南战争、中东战争、海湾战争、科索沃战争等。无人机在执行许多任务方面远比载人机更具特点和优势,因而也更有效。除军用外,无人机在警用和民用领域也有极为广泛的应用前景。

  根据飞机外形大小,可将无人机划分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机。从公共安全应用的角度来看,微小型无人机的应用前景更加广阔。微型无人机是指翼展和长度小于15厘米的无人机,最大的只有飞行中的燕子大小,小的则小如昆虫。小型无人机的翼展和长度略大,在几十厘米至几米之间。微小型无人机的主要特点是结构简单、重量轻、尺寸小、成本低和使用费用低、隐蔽性好、生存能力强、机动性能好、使用方便,能完成有人驾驶飞机不宜执行的某些任务,不仅在现代战争中具有极其重要的作用,在民用领域更有广阔的前景。既可飞入建筑物内进行侦察,又可作为视听监视哨附着在建筑物或设备上,以执行特殊情况下的秘密监视任务。

  近几年来,欧美许多发达国家纷纷开始尝试和推广微小型无人机的民事用途,特别是美国、英国和法国等西方发达国家已经将微小型无人机试点装备到一线警察部门,用于城市反恐怖斗争、打击城市暴力和反社会行为,协助收集证据等。

  一、美国微小型无人机的发展

  1. 美国寻求开发可无需控制可自主飞行的微型无人机

  军事巡逻小队在执行危险城市巡逻时一般会依靠远程遥控无人机来获取360°的态势感知能力,但对于情况不明的建筑物或危险的室内空间而言,远程遥控的难度加大,通常需要物理性介入才可获知其存在的潜在威胁,而这也会将巡逻小队置于危险之中。因此,美国国防高级研究计划局(DARPA)发布了一份关于“轻量快速自主飞行器项目”的公告,希望通过该项目寻求一种新方法,使微型无人机可在无远程控制的条件下,对建筑物内房间、楼梯、走廊,以及存在障碍物的环境进行快速搜索。

  该项目旨在开发和演示足够小的微型无人机在不依赖GPS协助以及人工遥控的情况下,能够以20米/秒的飞行速度通过一个打开的窗口并在复杂的室内飞行。这类微型无人机的设计灵感来自于鸟类及昆虫,如苍鹰,苍鹰能在包含众多障碍物的茂密森林中快速地飞行,而不会撞击任何树木。许多昆虫也能以难以置信的速度和精度在复杂环境中飞行和徘徊。“轻量快速自主飞行器项目”的目标是探索非传统观念的自主方法,赋予微型无人机像苍鹰一样敏捷地执行任务的能力,包括能够轻松地在狭小的空间内高速飞行,并快速判断该房间是否已经到过。

  如果新算法开发成功,可以提高微型无人机的态势感知能力,例如,能够在杂乱的环境中穿过障碍物飞行,并减少在处理低级任务中所需的处理能力、通信能力以及人为干预。这将有效减少相关人员的工作量,使其可以专注于监视等更重要的任务。

  2. 美国陆军研制出间谍机器蝇飞行器


  图1 间谍机器蝇

  据悉,美国陆军已经研发出一款可用于监测的小型仿昆虫飞行器——间谍机器蝇,并已经开始进行测试,如图1所示。美国陆军研究实验所(ARL)的研究人员使用锆钛酸铅(PZT)材料为这款飞行器制作了一对仅有3毫米长的机器翅膀。由于所使用的PZT材料在受到压力时会产生电荷,在电压下或电场中会产生拉力,因此PZT材料被通上电后,翅膀就会弯曲和拍打,从而使得这一机器苍蝇具备了飞行的潜力。

  研究人员还用PZT材料为外型类似于千足虫的飞行器设计了“机器腿”,一旦有了电压,“机器腿”就可以模仿千足虫爬行。然而,波尔卡维奇教授表示:尽管目前这些翅膀和腿都可以正常发挥功能,但是要制造出一个“完全可行”的机器昆虫可能还需要10到15年的时间。不过,通过和哈佛大学以及其他学术和工业研究人员的合作,或许可以加快研究进度。

  3. 美国哈佛大学研制如苍蝇大小的微型无人机


  图2 如苍蝇大小的微型无人机

  美国哈佛大学的科研人员在昆虫的启发下,研制出如苍蝇般大小的微型无人机,其小巧程度也成为了无人机研发领域中的最新突破,如图2所示。据悉,该无人机有一对通过导电的“肌肉”来供应能量的“翅膀”,整个无人机的能量供应和控制都要经过一根轻量级的系绳线,因此能够像自然界随处可见的昆虫那样进行各种敏捷的回旋“飞舞”。由于其“头部”安装有金字塔状的光传感器,所以它可以平稳地飞行。此外,在其光敏“眼睛”的导航下,无人机也不会迷失方向。该无人机的主体由碳纤维制成,仅重106毫克,是世界上最为小巧、最为轻便的微型无人机之一。

  4. 美军装备背包式“速眼”微型无人机


  图3 “速眼”微型无人机

  美军装备了一款重1磅(约0.45千克)的4旋翼微型无人机,在执行作战任务时可以装入小型野战装具包内,随时取出进行发射,执行情报监视、侦察任务,如图3所示。

  该无人机名为“速眼”,它采用先进的仿生学技术,空中机动非常灵活,具备在狭小空间里飞行的能力。“速眼”无人机的“最大卖点”是从包中取出后就能发射,不到1分钟时间就能起飞,再过10秒钟就能飞至120米的空中。“速眼”安装有1台轻型高分辨率光电摄像机和1台红外摄像机,可对地面步兵或车辆等目标进行跟踪,并将获取的数据信息实时传送给地面操纵人员,协助地面部队的行动。这两部摄像机分别向下和向前拍摄,下视摄像机主要用于上方监视和目标跟踪任务,前视摄像机主要用于检查门口、狭窄地形和在复杂地形下进行机动,两部摄像机都安装有红外LED装置,便于在夜间作战时使用。

  另外,“速眼”无人机上安装的自动驾驶仪和传感器都非常先进,它可以通过GPS指令信号自动飞行和盘旋,具有较强的抗风能力。“速眼”的自动驾驶仪包含所有飞行控制模块,并能采用手动飞行、高度保持和GPS遥控飞行等多种飞行模式。手动飞行模式下,操纵人员像操纵遥控直升机那样控制“速眼”,同时收集实时视频图像;在高度保持模式下,“速眼”可以在指定地点上方盘旋;在GPS遥控飞行模式下,“速眼”可以根据输入的坐标飞达指定位置盘旋,因此,非常适合于战场监视行动。

  “速眼”无人机外壳采用碳素纤维材料,能抵抗碰撞,所有电子元件和摄像机都有防水功能,具有全天候作战能力。由于采用模块装置,发动机和螺旋桨等易磨损部件很容易更换,电动马达在100英尺(约30米)以内,静音效果非常好,很难被察觉。“速眼”无人机的便携式地面站采用电池供电,设有2个操纵杆和若干按钮,高分辨率显示屏显示GPS坐标、飞行高度等数据和两部摄像机传回的图像信息,屏幕信息在阳光下也清晰可见,而且配有遮阳板,也能装入士兵野战背包之中。

  5. 美国“沉默鹰”太阳能微型无人机完成首飞

  据美国《无人机飞行》报道,薄膜光电模块开发商美国Ascent太阳能技术公司(ASTI)与微型无人机开发商沉默鹰无人系统技术公司(SFUAS)宣布,成功进行了“沉默鹰”微型无人机的首飞。该无人机由Ascent太阳能技术公司的超轻量化、灵活的光电模块提供动力,通过太阳能或电力来驱动,可根据民用、公共安全或国防用途来更换机翼。“沉默鹰”微型无人机部署便利,集成了高效的空气动力学设计,轻质复合结构,以及单片集成、超轻量级薄膜光电模块,重量仅为11.35千克(25磅),续航能力为6~12小时。

  6. 美国麻省理工学院展示可自充电的微型无人机


  图4 可自充电的微型无人机

  美国麻省理工学院展示了可自行定位、降落在电线杆上充电的微型无人机。该无人机可借助输电线路发出的磁场,为自己寻找最理想的充电地点,如图4所示。发明者穆尔表示,一般无人机虽然可在空中灵活自如的完成任务,但是它最大的问题就是无法携带足够电源进行长时间出行任务。而自己设计的这款像“小鸟”一样的无人机,不仅可以利用机鼻上磁场探测器准确降落在特定位置,还可以侦测到电线杆,自行补给电量。当这款无人机每飞到距离电线杆4米范围内,位于机鼻的侦测器便会感应到电磁场,从而像雀鸟般降落在电线杆上进行充电。该款无人机可用来执行一系列新的任务,包括在楼宇内外执行监视任务。

  7. 美国研制全球首款“可降解”微型无人机

  据美国《新科学家》杂志网站报道,美国一个研发团队研制了全球首款“可降解”的微型无人机。该无人机主体部分由被称为菌丝体的材料制成,菌丝体是真菌的营养体,由许多菌丝聚集在一起组成。被培育成了定制的无人机形状。黏性纤维素“皮革”用来保护无人机的“真菌身体”。在保护层之外,还覆盖着利用胡蜂唾液克隆的蛋白质,具有防水功能。电路则是用银纳米粒子墨水印刷的,目的是尽可能让无人机能够生物降解。

  据参与研发的美国国家航空航天局艾姆斯研究中心称,微型无人机广泛应用在情报侦察领域,但倘若意外坠毁,会暴露自身目标。“可降解”无人机有助于避免这些问题,因为它在降解后,就变成了一小洼黏液,可避免自身目标被暴露。然而,目前该款无人机中有一些部件是生物无法取代的。在波士顿举行的国际基因工程机器大赛上,该无人机在进行自己的第一次短途飞行时,研究人员就给它安上了从一个普通的机械四轴飞行器上借来的螺旋桨和操纵装置。另外,它还有一块标淮电池。研究团队的下一步目标将确保该无人机的传感器也能够安全降解,他们已经开始探究如何利用大肠杆菌来制造传感器。

  8. 美国斯坦福大学研制可穿戴微型无人机


  图5 可穿戴微型无人机

  美国斯坦福大学研制了一款名为Nixie的四旋翼无人机,经折叠后变成一个腕带,是世界上第一款可穿戴无人机,如图5所示。用户只需要按一下按钮,便可展开Nixie,放飞后可利用机载运动传感器控制飞行。还可利用计时器或者手势召唤Nixie。研究人员表示:Nixie搭载有微型照相机,可在飞行时拍摄照片或者视频。

  9. 美专家预测3D打印有望使部队按需制作微型无人机

  美国BAE系统公司的专家预测,在不久的将来,前线特种部队有望在较短的时间内按照大小、航程和载重量等参数,现场3D打印出所需的微型无人机。

  2014年8月,美国弗吉尼亚大学的一个研究团队已经用3D打印技术制成了1.8磅重(0.8千克)、名为“剃刀”的无人机的9个机体部件。该团队利用“溶化叠加建模”技术,使用溶化过的材料通过层层喷涂最终制成了“剃刀”的机身。剃刀的整个制造过程耗时31小时,所用材料成本为800美元,而在计入所用电子设备(如平板电脑式地面站)后的总价格仅为2500美元。

  该团队最后完成的(第三个)原型机由打印出来的9个机体部件像乐高玩具一样拼接而成。飞机的核心是一个整体部件,装有一个通往内部货舱的可移动舱口。舱口中容纳了所有的电子设备,其中包括一部谷歌Nexus 5智能手机(安装有一款可控制飞机飞行的定制版航电应用程序)和一部RC飞机自动驾驶仪(可通过手机信息输入管理控制界面)。剃刀的机翼结构是带有副翼和小翼的一个部件,可支撑嵌在上面的一个小型喷气引擎。

  这架飞行器的翼展为4英尺,重量仅仅1.8磅,即便搭载全部电子设备,重量也不到6磅;这种设计足以令其以每小时40英里的速度飞行45分钟。更早期的一个原型机能够达到时速100英里,而研发小组相信,若能配备一节效能更强的蓄电池,飞机的时速能够达到120英里。

  剃刀的可承载重量可达到1.5磅,因而能够轻松搭载起一架照相机。由于电池完全充满电量只需2个小时,且非常易于更换,因此如果使用者手边拥有三或四组电池,剃刀就可以在空中实现几乎无中断式的持续飞行。飞机既可以在一英里范围内由使用者遥控飞行,也可以依靠预装的GPS航路系统导航飞行。研究小组还使用过Nexus智能手机的4G LTE实现对剃刀的控制,这则意味着使用者可以从距离更远的地方指挥飞机。

  另外一家名为Solid Concepts的公司也能够采用3D打印技术在一夜之间制成多种型号无人机的机身、机翼、头锥和机尾等。但专家也承认,现在的3D打印技术还不太成熟,而且在取得实质性飞跃之前,生产厂家和政府部门还需要坐下来就打印机、打印材料以及打印过程制定一系列的标准和规范。这样,3D打印技术的未来发展道路才会是有序且有质量保证的。

  10. 美国公司研制出混合动力六旋翼无人机


  图6 混合动力六旋翼无人机

  目前市面上绝大多数无人机都是电池供电,即使运送快递也只能搭载3公斤左右的货物,飞行时长不超过40分钟,距离大概十几公里。目前完全采用汽油发动机的无人机基本都是比较大型的,比如无人直升机或者航空航天甚至军事领域中应用的无人机。

  美国初创公司Top Flight Technologies最近研制出一款混合动力六旋翼无人机(样机),采用的是相对简单的串联混合动力引擎,由电池和汽油发电机联合提供电力,其中汽油发电机不直接通过机械连接推动旋翼工作,而是给电池充电或者给电动马达提供电力以驱动无人机飞行,如图6所示。

  因此,Top Flight采用混合动力的无人机可以使其外形小很多,还可以负载9公斤重量货物飞行2.5小时或者160公里,能够媲美同样大小的以汽油为动力的无线遥控直升机,性能要优于大部分多旋翼飞行器。

  公司CEO 兼联合创始人Long Phan表示,目前Top Flight Technologies正在致力于研究新的发动机以使无人机飞行可达3个小时以上,并且将会研发障碍躲避技术和其他安全特性。这款混合动力无人机预计将在今年底发售。

  11. 美科学家模仿鸟类翅膀打造新型飞行机器人


  图7 使用“变形翅膀”的飞行机器人

  据英国《每日邮报》网站报道,美国斯坦福大学的机器人专家以蝙蝠和鸟类在空中避免碰撞的方式为灵感,制造出了一种使用“变形翅膀”的飞行机器人,如图7所示。新款机器人的翅膀以碳纤维和聚酯薄膜打造,每个翅膀上都装有3D打印而成的鸟类腕关节装置,这些关节使翼手在翅膀拍打的过程中能够自动折叠和展开。驱动翅膀的翼臂通过肩关节与机器人的身体相连,翼展长度40cm,翼弦宽度8cm。

  这种变形技术由斯坦福大学的专家研发,除了躲避碰撞以外,采用这种构造的未来飞行机器人还可以轻松穿过树枝等障碍物,并具备在意外冲撞后迅速恢复的能力。研究团队从研究鸟类和蝙蝠的翅膀入手。在飞行时,鸽子、燕子等鸟类可以把翅膀收拢在身体两侧以通过空隙,研究人员模仿这一动作打造了这款能够自主折叠和展开的机械装置。腕关节装置也使机器翼手在受到硬物撞击能发生暂时性形变,撞击过后再自动展开。这与鸟类羽毛遭遇障碍物时不会损伤翅膀结构完整性的原理相似。

  2015年早些时候,洛桑联邦理工学院的研究人员设计了一款空陆探索机器人,这款机器人运用了“自适应形态学”技术,可以适应不同地形并自动改变形状,根据行动需要迅速完成行走和飞行模式间的切换。机器人的灵感来源于吸血蝙蝠,有望被运用于搜救队的搜救任务中。

  12. 美军研发16克微型无人机


  图8 16克微型无人机

  近期,美军CP-ISR微型无人机项目研发出了一种全新的概念产品PD-100 Black Hornet,如图8所示。它的重量只有16克,由挪威的Prox Dynamics公司研发生产。PD-100 Black Hornet续航时间为半个小时,内置3个摄像头,可以通过无线传输视频提供实时情报。由于体积小,发动机也很安静,这架小小的间谍无人机几乎可以轻松钻入建筑物而不被发现。

  美国陆军试图把无人侦察机的概念落实到每一支队伍,并最终落实到每个士兵。这架微型无人机Black Hornet现在还处于进一步改进过程中,例如将重新配置更强大的军事数据传输器,增加夜视功能,提高导航能力,以及增强在室内或其他拥挤环境中的可控性。最终,这些跟蜂鸟差不多大的微型无人机将会跟随特种部队进入有危险的室内环境,或是为狙击队侦察障碍物背后的情况。

  13. 美国研究者研制出防水无人机Splash


  图9 防水无人机Splash

  Splash采用完全防水的四引擎直升机设计,能降落漂浮在水面上,或者利用内部的电动装置在水面滑行,还能从水面上起飞,如图9所示。除了具备专业的跟拍功能之外,Splash还提供紧急救援呼叫功能,此外,它还可以挂载有效载荷以及紧急信号弹发射功能,在用户遇到紧急情况的时候可以指示救援队方位。

  Splash无人机提供了两种版本:一种是支持手动控制,另一种是可以通过内置的系统和传感器实现自动追踪拍摄。用户可以提前设置好Splash的飞行路线,也可以启动“跟随”模式,从而自动跟在用户身后拍摄画面,还可以悬空在某一处捕捉用户的行动。由于用户可以设置成通过一个按键让Splash回到原点,因此无需担心它会“迷路”。

  Splash是由ABS热塑性聚合物制成的框架,内置5.8 ghz 600 mw视频发射机和防水常平架,每小时能飞25英里。目前在盐水和淡水中测试,都还稳定,但在获得稳定的信号方面仍需要进一步加以完善。

  14. 谷歌放弃初期机型转而开发新版无人机


  图10 谷歌初期机型

  谷歌Google X实验室负责人阿斯特罗·泰勒近期在“西南偏南”互动媒体大会上称,谷歌正在开发新版无人机,初期机型(如图10所示)设计由于难于控制已经放弃。

  2014年8月,谷歌发布了一款名为Project Wing的单翼无人机送货系统,并进行了测试。这款原型产品拥有一个5英尺长(约1.5米)机翼,采用了4个电动推进器,重量不到19磅(约8.6千克),无需跑道便可起降。这种设计融合了垂直、盘旋起飞和着陆特点。据悉,谷歌无人机携带货物最大重量为22磅(约10千克)。这款无人机的计算机控制系统位于尾部,动力系统则位于头部。另外,这款无人机还配置了GPS、摄像头、无线电设备、加速计和陀螺仪等传感器。在测试中,谷歌无人机将包括疫苗、水和收音机在内的物资运给澳大利亚昆士兰农户。相比其他类型的无人机,谷歌无人机的机械构造较为简单,但却很难操控,比如在大风环境中,它不能正常盘旋飞行;机翼朝上或者朝下飞行时,所携带的货物会大幅移动。

  早在2011年,谷歌已经开始开发无人机,目前还不清楚这家公司何时开始测试这种单翼设计。但泰勒表示,8个月后,有一半的团队成员知道这是一个失败的产品,18个月后,这一数字上升至80%。不过,谷歌创始人拉里·佩奇和谢尔盖·布林鼓励这类“失败”,原因是研究人员从中可以总结出经验,以尝试不同的技术和策略。

  15. 亚马逊力推八翼无人机送货服务


  图11 亚马逊八翼无人机送货服务

  据亚马逊创始人Jeff Bezos称,亚马逊将推出Amazon Prime Air服务,目标是在半小时内将商品送达客户手中。Amazon Prime Air使用的小型无人飞行器具备八旋翼,而在四根细细脚架的下方有着可以夹上固定尺寸运送盒的自动夹具,其所能承受的包裹最大限重为5磅(约 2.26 公斤,据称亚马逊 86% 的产品都低于这一重量),飞行距离10英里(约16千米),如图11所示。亚马逊计划用4到5年的时间来将其融入到现有的物流系统之中,届时有可能会给全球物流行业带来变革。

  不过,无人机的安全性仍然是一大担忧,尤其是当它载着重物飞行时。为此,辛辛那提大学的研究人员用8旋翼设计代替传统的4旋翼设计,以便在一两个马达出现故障时仍然能够正常飞行。但飞行过程中仍然需要解决更加复杂的技术问题。全自动无人机必须随时根据环境的变化自我调整飞行状态,而在增加货物之后,这种调整变得更加困难——它必须具备主动适应包裹的能力。

  除技术因素之外,受美国商业飞行管理条例所限,亚马逊在普及无人机配送方面屡屡受挫。2015年,FAA(美国联邦航空管理局)虽然给亚马逊下达了准许其进行户外测试的通知,却并没能为亚马逊带来多少助益。

  亚马逊对FAA的不满主要存在如下几个方面:

  (1)亚马逊早已向FAA提出了无人机试验飞行申请,但FAA共花费一年半时间才给予批准,相比之下,全球其他国家的申请审批时间均不超过一或两个月。

  (2)FAA的申请标准是针对某特定型号,而其他国家都是针对某一类无人机飞行器,研发厂商可以灵活进行试飞,快速优化迭代。由于FAA的低效率,其已批准的该型号无人机快递项目在技术上已经落后被淘汰,亚马逊已不需要再测试该款无人机。

  (3)FAA有的规定不太符合实际情况。例如,所有的无人机都必须配置一名人工操作员,无人机必须保证在操作员视线当中飞行。亚马逊表示,未来无人机的发展趋势,是最大限度降低人工操作员对无人机飞行的干预。亚马逊的无人机已经配备了先进的传感器和飞行控制技术,搭载智能信息系统,可以最大程度降低飞行风险,从而在人工视线之外飞行。

  亚马逊强调,其研发的无人机主要用于快递送货,但是由于美国政府监管的滞后,亚马逊已经落后于其他同行公司。为了应对FAA,亚马逊早就把试验场所移到了欧洲国家,而亚马逊的Bezos对FAA的漫长审批时间也早有预期。他曾表示,无人机真正能用于商用可能还需要四五年时间,最大的困难可能在于FAA方面。

  二、俄罗斯

  1. 俄罗斯陆军完成新型无人机测试

  2012年,俄罗斯陆军在位于莫斯科地区的Alabino军事基地对从俄罗斯市场的迷你无人机中选出的3款产品进行了演示,包括“斯特克扎”(Strekoza)、Eleron-3SV和“奥兰”(Orlan)。

  “斯特克扎”无人机由ZALA航空公司研制,是一种垂直起降型无人机,重2.3千克,是此次试验中的最小型无人机。该无人机采用飞翼式设计,翼展约0.8米,续航时间达1.5小时,并可根据用户需求安装摄像机、电视或红外传感器。

  Eleron-3SV无人机由艾尼克斯(Enics)公司研制,飞翼设计采用电发动机驱动,其特点是配有2个向下的鳍片和1个螺旋桨式推进器。该无人机的翼展为1.47米,最大垂直起降重量约5.5千克,续航时间达2.5小时。该无人机配装的模块化有效载荷包括摄像机、陀螺稳定红外热像仪、10倍变焦摄像机或在支架上配备低成本摄像机的红外热像仪。

  “奥兰”无人机由特种技术中心(Special Technology Center,STC)研制,重约16千克,是此次试验中尺寸最大的无人机。该无人机采用标准的空气动力设计,机翼位置较高且机身前部装有拉进式螺旋桨。与另外2个无人机系统不同的是,该无人机由活塞式发动机提供动力,续航时间达16小时,其有效载荷包括高分辨率照相机、电视摄像机和红外成像仪。

  此次试验披露了迷你无人机在寒冷天气条件(温度范围为-20℃至-25℃)下的一些技术问题,工业代表表示将尽快解决这些问题。据俄罗斯国防部透露,俄罗斯陆军正在计划采购几十架目前正在试验的无人机系统。

  2. 俄罗斯积极装备军用无人机助力国防任务


  图12 “梨式(Grusha)”无人机

  “梨式(Grusha)”无人机是最早装备俄罗斯军队的无人机之一,由“伊孜玛什—无人机系统公司”制造,基本功能是侦察与监测,有效飞行半径不大,只有约10公里,如图12所示。该无人机用于对目标进行侦察,以修正火力,能从300~500米的高度将目标坐标传送给指挥所,毫不费力地“看到”已伪装的对象并对火力效果进行记录。由于其拥有浅色涂装和能透过雷达信号的塑料机身,所以不易被敌人发现。“梨式”无人机体型很小,非常像一架儿童玩具飞机,因此可以将其归类为迷你无人机,其最大升限为1000米,飞行时间不少于1.5小时,足够在不大的范围内完成侦察任务。该无人机发动机为电动式,这使它近似于完全无声。


  图13 “副翼3SV(Eleron 3 SV)”无人机

  “副翼3SV(Eleron 3 SV)”无人机由“Eniks”公司制造,能在全天任何时候执行军事任务并且不易被发现,如图13所示。与“梨式”相比,“副翼”无人机拥有更多功能,不仅用于在较小半径内执行空中侦察任务,还可用作无线电干扰工具。它拥有侦察无人机的标准设备:摄像机、红外成像仪、10倍放大的摄像机。其最大起飞重量是5.3公斤,最大有效载荷1公斤,最大时速为130公里,可爬升至4000米的高度。据“副翼3SV”无人机的设计者介绍,与俄罗斯国防工业公司根据同以色列航空航天工业公司(Israel Aerospace Industries Ltd)2010年签订的合同在俄罗斯生产的国外同类产品“哨所(Zastava)”无人机相比,其价格要便宜4倍。


  图14 “海雕-10(Orlan-10)”侦查无人机

  “海雕-10(Orlan-10)”是另一种战术侦察无人机,但与轻巧的“梨式”和“副翼”相比,它显然增加了重量,速度变得更快,如图14所示。“海雕-10”无人机重14-18公斤,能携带5公斤有效载荷,使用可拆卸弹射器发射,飞行高度5千米,飞行时速可达170公里,能在空中飞行16小时,且能实时向操纵台回传图片,从而大大拓宽了其使用范围。这种无人机能在不易到达的地方监控长距离对象并可用于搜救工作。“海雕-10”无人机的最大亮点是其模块化结构。根据研制该机型的“特种技术中心”公司介绍,其镜头无需像国外同类产品那样更换,只需将信号从摄像机切换到热成像仪,或者向无人机发出传递详细图片进行仔细研究的指令即可。这些操作可在其距基站125公里远的地方飞行时直接完成。一个控制点可以同时控制4架“海雕”无人机。与此同时,其中一架还可用作其他无人机的数据转发器,从而提高集体行动的总距离。“海雕-10”无人机已成功通过国家测试,获得陆军和空降部队将领的高度评价,很快将进入量产。

  据悉,2014年俄军列装“海雕-10”空中侦察与监视系统数量将增加三倍,而国防部计划2015年仍以这种速度采购无人机。与其他军用无人机(“梨式”、“石榴”、“哨所”、“索具”、“前哨”)一样,“海雕”无人机于2014年在部队首次被用于警卫军营免受恐怖袭击。而在演习和练习期间,这种无人机能在3000至6500米的空中飞行,为司令部提供有关装甲车辆纵队行进、分队前出至预定区域等情况的作战情报,能实时监控教练战斗任务的执行。指挥员利用无人机获得的侦察数据和航拍相片对假想敌进行火力打击。不仅如此,这些无人机的技术装备还能向显示器传输“战斗”情景,观察炮兵射击结果,进行炮火修正。

  三、以色列

  1. 以色列公司推出HoverMast悬停式无人机


  图15 HoverMast悬停式无人机

  以色列的Sky Sapience公司研制出一种系留式悬停无人机,被称为HoverMast,可由车辆发射,长期悬停在一个固定的地方,回收时也不需要其他回收系统,升空时使用一台中央风扇,四台推进器用于实现稳定和机动,如图15所示。四台推进器折叠起来放置一个直径为80 cm的容器内,可安装在车辆顶部,布放时容器自动打开,然后按一个按键使HoverMast展开并在15秒钟内升空。通过电缆既可从车辆直接供电,也可通过一台独立的发电机供电,电缆可延伸30~50 m。另外,电缆还能作为数据链使用,无人机重10 kg,可搭载9 kg的任务载荷。

  HoverMast主要特征是体积小,能快速自动布放,任何未经专业培训的操作员都能够操作完成情报、监视与侦察(ISR)任务。需要的操作仅仅是在车内按一下按钮,等待15秒钟,就能自动完成侦察任务。Sky Sapience公司与Controp公司合作,使用Controp公司提供的光电传感器任务载荷、激光指示器、雷达和情报收集系统来完成侦察与监视任务。

  2. 以色列公司推出可垂直起降的偏转旋翼无人机Panther


  图16 偏转旋翼无人机Panther

  Panther(“黑豹”)无人机由以色列航宇工业公司(IAI)研制,最大特点是既可以常规起降,也可以垂直起降,如图16所示。该款无人机采用一种新型自动飞行控制系统,可以确保飞机在垂直起降和水平飞行两种状态之间正常转换。该机的起降实现了高度自主化,并且操作简单方便,只需操作员在操控台上简单点击屏幕即可。

  “黑豹”的动力装置独创性地采用3台“超静音”电动机:1台位于机身尾部,主要提供升力;2台位于机翼,发动机、螺旋桨和翼根部均可进行90 偏转,使得“黑豹”能像V-22“鱼鹰”倾转旋翼机那样实现垂直起降到水平飞行的转换,起飞和回收方式十分灵活,可以方便地在小块地面或舰船甲板上起飞和降落。

  “黑豹”无人机起飞重量约65千克,还可以更换模块化机翼,有2米、6米、8米等多种翼展的机翼可供选择,在使用6米翼展的机翼时,能携带8公斤设备(包括昼/夜稳定摄像机、激光测距仪和指示器等)飞行6小时,工作半径超过60千米。每套“黑豹”系统包括两架无人机和一个控制站。“黑豹”机腹下的光电塔可以为步兵分队提供实时战场影像资料。

  此外,该公司工程人员还在“黑豹”的基础上开发了“迷你黑豹”。“迷你黑豹”仅重12千克,分解后可装进步兵背包,采用微型燃料电池,能携带1千克载荷飞行90分钟。

  2013年,以色列海军将对以色列航宇工业公司(IAI)研制的“黑豹”(Panther)倾转旋翼无人机进行测试,以评估将其部署在水面舰艇上的可能性,评估工作的焦点主要集中在“能否在水面舰艇上高效使用该型无人机”这一问题上。随着“黑豹”和研制中的其他无人机型号投入使用,以色列海军水面舰艇部署的直升机数量将会逐渐减少。

  3. 以色列公司推出新型轨道飞行器(Orbiter 3b)无人机


  图17 新型轨道飞行器(Orbiter 3b)无人机

  2014年,以色列航空防御系统公司对外公布了新型轨道飞行器(Orbiter 3b)无人机,如图17所示。该无人机翼展4.2 m,飞行高度限 5486 m,飞行速度可达130 km/h,采用车载弹射起飞,降落伞气囊着陆。与Orbiter 3无人机相比,Orbiter 3b 无人机续航时间更长,达到7 小时,航程 150 km(Orbiter3的航程为 50 km)。

  该无人机的研发历经三年时间,由于采用电发动机,使其具有“极小的声学和视觉目标特性”。它能够以 10 MB/s 的速度传输信息,防止敌方的控制,并能够在 GPS 拒止环境下操作。Orbiter3b 目前已有 10 家国际客户提出了购买意向,其中包括美国的一个客户。目前,绝大多数客户选择采用 Controp 公司研制的 T- Stamp 小型光电稳定载荷,该载荷质量为3 kg,包括一个制冷红外夜视相机和一个高分辨率昼间相机。T-Stamp 载荷装有一个激光指示器,可为其他平台上的半主动激光制导空地武器进行地面目标指示。

  四、英国

  1. 英国谢菲尔德大学开发可自主飞行的微型无人机


  图18 可自主飞行的微型无人机

  目前的微型无人机大多离不开地面人员的手动操控,但英国谢菲尔德大学一个团队新研发的微型无人机实现了自主飞行,如图18所示。

  这个团队测试的四轴微型无人机装备有先进的摄像头以及气压和超声波感应器,能够自动感知周边环境,也即自主侦察周边物体并对其进行探测。这一能力不仅使其能够自动避开碰撞,同时也增强了其搜索能力。更重要的是,这款无人机还能不断领会、预测其他无人机的行进路线,并与它们协作完成某项任务,即便多个此类无人机在无人操控状态下同时运行,它们之间也不会发生碰撞。

  2. 欧洲海岸警卫队将获得3D打印的无人机


  图19 3D打印的无人机2Seas

  欧洲海岸警卫队将在他们的打击毒品走私工作中获得一款新武器——3D打印的无人机2Seas,如图19所示。

  2Seas无人机长1.5米,利用燃气驱动,由南安普顿大学航空学工程师Jim Scalan和Andy Keane设计。2Seas以世界上第一架全3D打印的飞行器——南安普顿大学激光烧熔飞行器(SULSA)为基础,但与翼展1米的SULSA不同,2Seas的翼展为4米,其机翼、油箱以及发动机均采用了3D打印技术。2Seas利用高效的燃气发动机,可以只消耗7升燃料而完成5小时的巡逻监视任务,其最高时速可达100公里/小时。2Seas将在英国北海和英吉利海峡水域上空巡逻,用来搜索沿英国、荷兰、比利时和法国海岸流窜作案的贩毒分子。

  目前,2Seas已经过了很多严格的飞行测试,包括各种恶劣天气环境的测试。下一步,2Seas将主要经受加载有效载荷的测试。据称如果这些测试顺利的话,2Seas将在2015年或更早投入到实战中。

  3. 英国公司推出全自动无人机AirDog


  图20 全自动无人机AirDog

  Helico Aerospace公司展出了能够自动跟踪并拍摄户外运动视频的全自动无人机——AirDog,如图20所示。该无人机能搭载GoPro相机(一款小型的可携带式防水防震相机),仅仅需要用户戴上可绑在手腕上的遥控器AirLeash,操控AirDog的飞行路线即可。另外,AirDog可以自动起飞和降落,在飞行过程中,利用陀螺仪稳定技术确保物体始终处在画面中。

  AirDog重3.9磅(约1.7千克),采用长距蓝牙技术实施运动追踪,最高时速为40英里(约64千米)。根据具体的应用、飞行速度、温度和海拔高度的不同,飞行时间在10分钟至15分钟之间,可以在风速最高为23节的大风中运行。AirDog还有多个预设飞行模式,而且还可以通过一款智能手机应用进行设置。

  五、法国

  1. 法国开发无人机拉网拦截技术


  图21 拦截者MP200的无人机

  据英国《每日邮报》网站报道,当地时间2015年2月9日,法国研究人员在布里耶地区拉克试验了最新的无人机拦截技术,这台名为拦截者MP200的无人机在试飞过程中成功拉网捕获疑似“大疆”系列无人机,如图21所示。该“拦截者”在空中放下并张开一张网,覆盖住“猎物”,再由操作人员控制并按照预定程序返回地面,从而在空中抓住被检测到的无人机。

  近几个月来,法国发生数起无人机进入敏感区域事件,这些区域中大部分为核设施,这对于一个核能利用率排名世界前列的国家来说十分令人担忧。因此,法国当局希望能监控并及时发现入侵的无人机以及它们的远程遥控者,并最终以最小的代价消灭这些无人机。

  2. 法国成功开发出全球首个不带重力加速度计的迷你飞行器


  图22 迷你飞行器“BeeRotor”

  法国国家科学研究中心研究人员日前根据飞行昆虫视觉机理,成功开发出全球首个不带重力加速度计即可沿崎岖表面自由飞行的迷你飞行器,如图22所示。这款名为“BeeRotor”的迷你飞行器“眼睛”上方和下方安装有24个光电二极管,可在飞行时用作“光流感测器”感知周围环境,从而对飞行进行反馈性调整,躲避各类障碍物。扮演飞行器“大脑”角色的是三个“反馈回路”,分别用于控制飞行高度、速度和平衡。该款迷你飞行器重量仅80克,不带重力加速度计和测量飞行速度、高度的装置,却能够在各种高低不平或处在运动变化中的环境下自如飞行。例如,它能够在内壁不规则且处于运动状态的管道内飞行。

  3. 法国公布新型ASV-100微型无人直升机


  图23 ASV-100微型无人直升机

  法国航空监视公司公布了一款新型无人直升机ASV-100,可填补大型平台留下的市场空白,如图23所示。ASV-100既可作军用,也可民用,比市场上的其他无人直升机尺寸更小,费用也更低廉。

  ASV-100尺寸小,采购、使用和维护费用低,并且其11kw涡轮发动机使用JP-5燃油,使其作为海上监视平台具有更好的通用性,因为JP-5燃油在沿海巡逻船中广泛使用。另外,ASV-100可通过ARDENT FMV 30任务系统处理信息,并实时向地面传输图像。据简氏公布的信息,ASV-100机长2.6米、机高0.8米,主旋翼直径2.9米,最大起飞重量40千克,典型巡航速度44节,视距内视频数据链的有效距离50千米,最大载荷20千克,续航时间4小时,能够在高达25节的风速下起飞。其模块化载荷包括前机头下的光电/红外和激光测距转塔、任务计算机、卫星或视距内通信系统、机载任务舱,上述任务载荷重量不超过8千克。

  六、荷兰

  1. 荷兰研制出世界上最小无人机拥有三维视觉


  图24 世界上最小的自动鼓翼微型无人机——DelFly Explorer

  荷兰德夫特工业大学研究人员研制出世界上最小的自动鼓翼微型无人机——DelFly Explorer,具有像蜻蜓般的三维视野,如图24所示。DelFly Explorer仅重20克,在房间里盘旋时,仿佛一只大蜻蜓或蚱蜢。可自动振翅而飞,并能够绕开障碍物。”

  该无人机由碳纤维等复合材料造成,采用两个低分辨率的摄像机,可以再现人眼的三维视觉,并机载一个可以摄取周围环境状况的计算机,以免撞上障碍物。目前,该无人机翼展达28厘米,在家里绕着植物周围飞舞,犹如昆虫一般。该无人机两个羽翼的每一侧都能迅速拍打产生升力。研究人员说:“它有自己的小型锂聚合物电池,允许飞行约9分钟,它在观测时采用机载处理器和配套开发的运行步骤来作出即时决策,并通过无线模拟视频、陀螺仪和一个晴雨表计算所在的高度。”

  该无人机可以确切地知道哪里存在障碍,在演示飞行中,其可以飘落在一堵墙边,旋即优雅起飞离去,寻找另一个路径。不同的运行步骤将允许它执行不同的任务,由于它是自主飞行的,所以可以被送入密闭空间,如混凝土建筑物或矿井,用于搜寻伤亡人员。

  2. 荷兰研究人员研究救护微型无人机


  图25 救护微型无人机

  一位23岁的荷兰研究生日前展示了一款由其设计的救护微型无人机,如图25所示。这款高速飞行的无人机能在极短的时间内将除颤器、氧气面罩或急救药物送到人们身边,大幅缩短紧急医疗救护的响应时间,提高心脏病、糖尿病患者或溺水人员的生存几率。这位名叫亚历克·梅蒙特的年轻人来自荷兰代尔夫特理工大学,由其设计制造的这款无人机时速可达100公里,由6个螺旋桨驱动,能装载4千克的货物;可根据手机的GPS进行导航。一旦到达现场,控制室中的专业医务人员可通过机载摄像头及通话装置指导救助。

  梅蒙特的无人机能够在1分钟内从12平方公里的范围内飞到需要急救的患者的身边,能将心脏骤停患者的生存几率从8%提高到80%。据称,这种救护无人机已经引起了阿姆斯特丹急救部门的兴趣。荷兰心脏基金会也非常看好这一项目。

  七、瑞士

  1. 瑞士工程师设计出世界首款球状耐碰撞无人机Gimball


  图26 世界首款球状耐碰撞无人机Gimball

  瑞士联邦洛桑理工学院(EPFL)创办的下属公司专门为搜救行动推出一款包覆在球形镂空笼网特殊设计中的耐碰撞无人机(Gimball),并在阿联酋举办的无人机“世界杯”国际竞赛中获得了百万美元大奖,如图26所示。该款新无人机是一个小而轻量级的无人机,碰上障碍物不会失去稳定性,还可以与人保持联系、安全飞行,其主要将用于支持搜索和救援。

  该款无人机采用包覆在球形镂空笼网中的特殊抗碰撞设计,这种设计具有如下优点:

  (1)利用障碍“勇往直前”。设计思路不再是躲避障碍,而是通过障碍物来发现建筑物附近的路径,例如其在发现一扇打开的窗户之前能够沿着一排窗户滚动。

  (2)高稳定性。由于所有结构微妙的机械装置都位于笼子中,它能够在屋顶椽条之间反弹,在没有损坏的情况下可以沿着高低不平地面滚动,碰撞之后仍能保持较好的稳定性。这种设计可使其在最复杂的地型地貌飞行,而无需复杂的传感器。因此,该无人机除了可以飞行之外,还可以在墙壁、天花板和地面上行走。

  (3)耐碰撞。Gimball的外层是一个超轻且坚实的碳纤维笼,接触建筑物后会像球一样反弹,从而避免昂贵部件损坏。

  (4)不伤人。球形设计能够保护周围的被救援人员,以免被其双螺旋桨伤到。

  Gimball的旋转摄像机支架和高清相机都安装在保护性碳纤维笼中,可实现远程监控,操控者可以通过无人机相机直接“观看”目标。这种特殊结构可确保向操控者发送近距图像,能够展现建筑结构的详细状况及其缺陷。

  2. 瑞士Sensefly公司研发出Exom四轴飞行器


  图27 四轴飞行器Exom

  Parrot的旗下公司瑞士Sensefly一直以制造无人机翼而闻名,其今年在CES2015上首次展出四轴飞行器Exom,配备有5组传感器来保证飞行的稳定,如图27所示。这5组传感器能拍摄地面物体,使得飞行器相对地面保持平衡;五组传感器(摄像头+超声波传感器)的位置分位于前后左右及下方,确保360度感测周围的物体。Exom还内置有一颗270度可拍摄高清视频和照片的高清摄像头及一台热成像相机。这些配置使得Exom成为一款专业的四轴飞行器,可用在某些危险的场景,例如用来检查坍塌桥梁底部的现场状况。飞行器的定价和发售时间暂时未定。

  八、澳大利亚

  澳大利亚利用3D打印技术制造微型无人机


  图28 利用3D打印技术制造的无人机监视设备——CyberQuad

  澳大利亚CyberTechnology公司推出了一款利用3D打印技术制造的无人机监视设备——CyberQuad,如图28所示。CyberTechnology公司以往使用传统的制造方法制造无人飞行器,但是现在发现3D打印技术可以让制造变得效率更高而且更便宜。CyberQuad四旋翼无人机的许多部件都是由3D打印技术制造的,目前有“mini版”和“maxi版”两款型号。“mini版”的尺寸为420×420×200毫米,最高时速为每小时27公里,空中停留时间仅为20分钟左右。“maxi版”则更大一些,其尺寸为690×560×200毫米,最高时速为每小时37公里,空中停留时间达到25分钟。CyberTechnology公司声称这些飞行器工作时十分安静,噪音大约65分贝,和普通谈话差不多,并且机身能根据要求涂成各种颜色。“maxi版”可以搭载分辨率为1080i的高清摄像机,而“mini版”只能搭载VGA制式的摄像机。

  九、日本

  日本研发碳纤维无人机


  图29 碳纤维无人机

  据日本媒体报道,近日,在日本仙台市举行的“联合国国际防灾会议”防灾产业展上,一款由该国东北大学开发、由碳纤维制骨架包裹的无人飞机正式亮相,如图29所示。据悉,在该无人机球型机体中,搭载有小型摄像机,当其在碰到障碍物之时,虽受到冲击会变弯,但仍可继续拍摄。此外,这款无人机直径仅为1米,机身轻便小巧,研究人员预计今后会将其应用在桥梁内侧的检查工作等领域。

  十、新加坡

  新加坡AdNear公司利用消费型无人机收集手机信号


  图30 消费型无人机

  据《福布斯》网站报道,在美国联邦航空管理局(FAA)上周公布拟议中的商用无人机飞行管理条例前,新加坡的位置营销公司AdNear已经利用市场销售的消费型无人机收集手机信号强度和其他无线数据,并测定手机的位置和运动情况。

  AdNear公司于2015年2月在洛杉矶试验无人机收集手机信号,如图30所示。但在这次试验前,AdNear已经使用地面上的方法收集消费行为数据,如通过自行车、汽车和火车收集亚洲5.3亿用户的数据。根据上周末FAA发布的拟议中的商用无人机管理条例,AdNear的无人机营销活动是可行的,但显然需要更明确的法规,以确保普通市民的隐私和数据传输的安全。

编辑:侯雨婷
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