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科研流行新工具:科学无人机

时间:2013-06-21 14:02:40  来源:  作者:


“暴风雨”无人机——翼展3.2米,巡航速度75节——被设计用来在风暴中飞行。然而今年3月,在针对一个新项目的测试中,它却被安排在蔚蓝平静的天空中飞行。在地面,美国科罗拉多大学博尔德分校(UC Boulder)博士生Maciej Stachura正在敲击一台平板电脑,为的是在手控起飞后,向飞机自带的电脑传输控制命令。而系统工程师James Mack始终把双手放在控制器旁,以防随时可能出现的问题;另一名博士生Neeti Wagle则在仔细凝望天空,确保“暴风雨”不会和任何东西发生碰撞。

“暴风雨”此次的任务是找到发送模拟呼救信号的一个灯塔。“暴风雨”在空中盘旋,它的汽油发动机发出的特殊噪声让人想到这类飞机的俗名:雄蜂。科学界更常用的叫法是:无人驾驶飞行器(UAV)。

飞行时间已持续了约40分钟,UC Boulder的团队仔细观察着空中的状况,听着周围的声音,注视着“暴风雨”在晴朗的天空里变成了一个遥远的小点。然而,Stachura的话语中却流露出一丝不安:“‘暴风雨’目前的飞行状况并不好。此时此刻,它应该离我们越来越近才对。”最终,“暴风雨”转向,调头朝着目标方向飞行。Stachura明显松了一口气:“这才是正确的路径。”

在科学界,无人机的使用也经历了类似曲折的历程。上世纪70年代,美国宇航局(NASA)首次尝试在高空研究中使用定制无人机,但随后无人机的使用陷入低潮。原因在于,配备一流传感器的无人机造价极其昂贵,令研究者望而却步,但便宜的装置却无法提供太多的价值。

所幸,在过去10年中,价格的降低和技术的进步——从机载导航使用全球定位系统(GPS)到自动驾驶仪的小型化——使得很多科学团体愿意使用无人机进行实验。

目前,无人机提供了一个收集数据的有效方式,尤其在极地研究、火山研究和野生生物学等领域取得了重要进展。具有多年研究无人机经验的佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的生态学家Adam Watts说:“无人机研制将会成为一项不可或缺的革命性技术——它们正在朝这个方向进发。”

但是,技术和法律上的障碍阻挡了无人机更广泛的应用。研究人员正试图提高无人机的自主性、操纵灵敏性和持久性。不过美国法律严格限制使用无人机的场合和方式。如果规定可以放宽——已经有了这样的迹象,将有更多数量的这类“会飞的科学机器人”在天空中大放异彩。

价格与续航成短板

近年来,随着一些国家的军方使用无人机追剿敌人,它已经引起了越来越多的关注,但同时也有一定数量的无人机被用于科学研究。NASA使用诺斯罗普·格鲁曼公司的“全球鹰”开展飓风和气候研究,它能飞至距地面约20公里的高空——远高于商用飞机的飞行高度。NASA接收了美国空军的这架无人机并可以免费使用,但是感兴趣的科学家要想使用该无人机,必须支付2000万美元的费用(且不包含传感器)。

大多数研究人员不得不凑合使用更小更便宜的系统。几千美元可以买到一架现成的无线电遥控的固定翼无人机,诸如“暴风雨”,而仅300美元就能买到旋翼直升机。装上一些传感器、一个自动驾驶仪和一台预先装入算法的便宜计算机,研究人员就拥有了一套无人机系统(UAS)。

除了设备上的差异,军用和民用无人机研究项目已经紧密联系在一起,且两者之间能够互相借鉴优势。实际上,很多大学的无人机项目中有一部分是军方资助的。

目前而言,大部分从事无人机研究的研究人员专注于技术的提高,旨在使设备更灵活、更自主以及更好地适应多无人机协同任务。自主飞行需要一系列算法,以破解来自传感器的数据、决定飞行方向、控制飞行路线,以及对无人机摄像头捕捉到的物体进行分类。

由于无人机主要使用燃气发动机和电池,因此如何增加续航时间也是研究人员关注的一个问题。为了减轻重量和节省成本,研究人员常使用小型无人机,但由于燃料容量小,所以航行时间也短。

为了应对这一短板,一些小组努力研制更加小型化的电池,另外一些小组则尝试让无人机像鸟类和滑翔机那样,利用上升气流和风的特性飞得更远。苏黎世瑞士联邦理工学院自主系统实验负责人Roland Siegwart的小组正在研制无须着陆的太阳能飞机,他开玩笑说:“把它们当做低轨卫星好了。”但它们在实际收集数据的工作中比卫星更有效率,因为研究人员可以控制它们的飞行轨迹。Siegwart说:“通过它们,我们可以实时掌握丛林火灾情况、监控偷砍森林行为,还能协助搜寻遭遇海难的旅客。”

监管严格

研究无人机的团队不断地通过网络视频来了解其他研究团队的最新进展。最出名的“YouTube明星”当属来自美国宾夕法尼亚大学的Vijay Kumar。他的团队能利用改良的Vicon系统在室内控制四旋翼直升机,该系统是一种动作捕捉系统,被用于好莱坞大片拍摄以及视频游戏制作中。

韩国科学技术高级研究院机器人中心主任Hyunchul Shim说:“规则已经被网络改变了。”Siegwart也表示:“网络的信息传播速度更快,这对吸引学生参与进来很有帮助。”

新发明使无人机的效率更高、成本更低,而监管将成为横在无人机进一步研究与普及过程中的一道坎。Siegwart说:“这仍然是一大问题。” 尤其是在美国,联邦航空管理局(FAA)规定:在户外作业的无人机必须获得官方的许可方可飞行(对非商业用途的业余无人机爱好者的管理则相对宽松一些)。UC Boulder无人机研究工程中心负责人Eric Frew抱怨道:“哪怕我们只是在校园操场上作业,哪怕只飞6英尺高,也必须获得许可。这种规定完全就是一刀切。”

位于华盛顿的FAA要求无人机运营者必须申请、获得两种许可证中的一种方可在户外利用无人机作业进行科研。申请需要提交一大堆材料,据该机构沟通部门的反映:“这些信息被FAA用来评估户外作业是否会对其他飞机、人群以及地面财产构成威胁。”这意味着在城市和人口密集地区,无人机作业将不被允许。而且许可的飞行范围只有20平方英里(大约32平方公里)。

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