自主式補給無人直升機開始飛行驗證

時杰

為期5年的“自主航空貨運/通用系統(tǒng)”（AACUS）科研項目是美國國防部迄今關(guān)于自主控制的最大研究項目。AACUS是響應(yīng)美國海軍陸戰(zhàn)隊緊急作戰(zhàn)需求而構(gòu)思，這個需要要求無人直升機將貨物運送到?jīng)]有數(shù)字地圖和GPS的著陸區(qū)，具有自主規(guī)避航線上障礙物的能力，并可在有限的空間內(nèi)選擇安全著陸點。

極光飛行科學(xué)公司按照美國海軍研究辦公室（ONR）“自主航空貨運/通用系統(tǒng)”（AACUS）項目開發(fā)的自主無人直升機已開始飛行驗證。

AACUS的飛行驗證

2017年12月晴朗、寒冷的一天，極光飛行科學(xué)公司在弗吉尼亞州的一個城市訓(xùn)練基地開展了AACUS項目的飛行驗證。一架無人直升機在美國海軍陸戰(zhàn)隊匡提科（Quantico）基地的兩個著陸場之間運送補給品。試驗看起來非常容易，但設(shè)在模擬村子附近帳蓬里的一排屏幕上顯示，這架自主無人直升機在很費力地工作。

一名俯瞰著陸區(qū)的水兵，在一個簡單的平板電腦顯示屏上錄入運送補給品請求。在數(shù)千米以外的地方，無人直升機自主規(guī)劃其遞送補給品的航線。

地面站操控員審查和預(yù)設(shè)航線，并操控?zé)o人直升機起飛。爬升后，無人直升機搭載的激光傳感器掃描地形、樹木、電線和其他障礙物。若探測到航線上有樹，無人直升機則在飛向目的地之前，將爬升到較高、較安全的高度。

無人直升機在航線上不斷掃描，為避開探測到的障礙物，無人直升機將略微調(diào)整其規(guī)劃的飛行航線。在著陸區(qū)等待的水兵，探測到危險物的出現(xiàn)，可能是有人想越過清空的著陸區(qū)，水兵立即按平板電腦上的一個復(fù)飛按鈕，無人直升機則自主執(zhí)行360。轉(zhuǎn)彎，返回到規(guī)劃的航線，在接收到解除警報的信號后繼續(xù)飛行。

在接近模擬的村子時，前視激光傳感器集中掃描著陸區(qū)，對墻和其他可能的障礙物進行測繪，估算地形的傾斜度和粗糙度，然后系統(tǒng)自主調(diào)整到安全的著陸地點。

在最后進近階段，系統(tǒng)探測到著陸區(qū)的一個小型障礙物，一只鵜鶘籠子，并使無人直升機側(cè)向移動，使其在著陸時，障礙物在旋翼的旋轉(zhuǎn)范圍之外。降落后，有人跑向無人直升機，將補給品卸下來。然后當該區(qū)域被清空后，小山上的水兵便按平板電腦上的一個按鈕，使無人直升機返回基地。

這些飛行驗證是AACUS項目的結(jié)束演示。這個為期5年的科研項目是美國國防部迄今關(guān)于自主控制的最大研究項目。AACUS是響應(yīng)美國海軍陸戰(zhàn)隊緊急作戰(zhàn)需求而構(gòu)思，要求無人直升機將貨物運送到?jīng)]有數(shù)字地圖和GPS著陸區(qū)，具有自主規(guī)避航線上障礙物的能力，并可在有限的空間內(nèi)選擇安全著陸點。AACUS被設(shè)計成是一種自主裝置，可安裝在任何旋翼機上，將它轉(zhuǎn)換成補給或救援平臺。

后續(xù)的試飛

今后兩年內(nèi)，美國海軍研究辦公室計劃進行一系列操作試驗來確定對海軍陸戰(zhàn)隊MUX項目的自主控制要求。MUX是海軍陸戰(zhàn)隊的大型多用途遠程無人機，可能于本世紀20年代初作為與陸軍的聯(lián)合項目出現(xiàn)。

美國海軍陸戰(zhàn)隊戰(zhàn)斗實驗室在2018年春天開始的“海龍”（Sea Dragon）2025的第2階段綜合訓(xùn)練中，將采用上述ACUSS試驗直升機，即極光公司從一架UH-1H改裝的，具有自主能力的AEH-1無人直升機進行試驗。“海龍”訓(xùn)練重點是試驗后勤技術(shù)。

接著是美國海軍航空系統(tǒng)司令部于2018年8月驗證其吊掛載荷操作，10月驗證著艦操作。美國陸軍和海軍航空系統(tǒng)司令部計劃在201 9年3月驗證將包含自主醫(yī)藥補給和傷亡撤離，一些可由未來MUX執(zhí)行的任務(wù)。

2011年至2014年，美國海軍陸戰(zhàn)隊曾在阿富汗部署兩架洛馬/卡門公司的K-Max貨運無人直升機，為前線基地提供補給，從實戰(zhàn)中學(xué)到了如何在地面控制這些飛行器的有價值知識。但ACUSS與它完全不同，需要有自主控制能力。

AEH-1試驗機

AEH-1作為AACUS的試驗機，已被改裝成一個具有數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)的無人直升機。AEH-1采用羅克韋爾·柯林斯公司的飛控計算機，來驅(qū)動與該無人直升機艙底下與機械控制系統(tǒng)連接的伺服作動器。AACUS裝置在波音公司的UH-6“小鳥”無人直升機和貝爾206直升機上試飛后，安裝于AEH-1。

AEH-1無人直升機的機頭、機腹和尾桁處分別安裝了激光雷達傳感器，可對無人直升機的任務(wù)環(huán)境進行測繪。近地自主公司已與極光公司一起研究此感知系統(tǒng)。為表征著陸區(qū)的實景，系統(tǒng)還采用了不同波長的攝像機，系統(tǒng)因此能知道著陸區(qū)是堅實的土地，還是長滿百合的池塘。這些傳感器還用于視覺測程法（Odometry），采用攝像機圖像在無GPS的情況下，為無人直升機導(dǎo)航。

機頭上安裝的威力登（Velodyne）公司的激光雷達作為主傳感器，掃描飛行中和著陸區(qū)的障礙物。它在飛行過程中旋轉(zhuǎn)，掃描范圍為270 °。其數(shù)據(jù)為由塊組成的3D數(shù)據(jù)格網(wǎng)（即由激光雷達產(chǎn)生的一種數(shù)字地圖），根據(jù)激光雷達的回波，這些塊可標記為空的，或占滿的。取決于飛行階段，基于所需的分辨率，這些塊可變大或變小。在接近目的地時，前視傳感器集中掃描著陸區(qū)的更窄范圍，以探測小物體。當無人直升機進近時，這可使自主系統(tǒng)選擇一個安全的降落點，而無須先飛越著陸區(qū)。

AEH-1也可選擇由飛行員駕駛，而當以自主模式飛行時，機上配備一名安全飛行員。這樣就可以用安全和高效的方式迅速擴展系統(tǒng)的工作范圍。選擇有人駕駛可使此原型機集中于研發(fā)自主控制，而不是飛行器管理，由飛行員操作發(fā)動機，并在自主系統(tǒng)工作不好時接管對直升機的控制。

裝在座艙中的一個由NASA研發(fā)的“天上公路”顯示器會把自主系統(tǒng)計劃執(zhí)行的工作及其原因告訴飛行員。而地面站和平板電腦上由庫塔（Kutta）技術(shù)公司研發(fā)的等效狀態(tài)知曉顯示器則使操作員和用戶了解無人直升機的飛行情況。

AACUS被設(shè)計成像飛行員那樣駕駛無人直升機。使用者經(jīng)不到半天時間的培訓(xùn)，就能使用平板電腦上的一個APP將此無人直升機召喚到他面前，而且它可像由飛行員操縱那樣自主飛行到著陸區(qū)。

AACUS可使自主式無人直升機在無任何航空知識的使用者操控之下，飛到?jīng)]有任何地面基礎(chǔ)設(shè)施的著陸區(qū)著陸。

極光公司將AACUS設(shè)計成平臺通用的便攜式任務(wù)裝置，而且采用開放結(jié)構(gòu)，可按無人直升機不同的尺寸和速度增加或減小裝置的大小。系統(tǒng)的每個部件都可在無人直升機間通用。其由卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)開發(fā)的航跡和航路規(guī)劃算法可移用到各型無人直升機上。傳感器是模塊式的。飛行器性能模型可通過輸入飛行手冊適合不同的無人直升機。

雖然AACUS的一個目標是用于美國海軍陸戰(zhàn)隊提出的MUX無人機，但此自主技術(shù)可用作任何電傳控制直升機的飛行員輔助裝置，提高視覺不良環(huán)境下的操作安全性。它還可使任何有人或無人直升機的飛行控制自主化。美國海軍陸戰(zhàn)隊已與陸軍在一架馬洛伊（ Malloy）航空公司的小型貨運無人機上聯(lián)合試驗此感知系統(tǒng)，并考察步兵作戰(zhàn)單元如何在建制上采用這種能力。

美國海軍陸戰(zhàn)隊對自主補給的興趣由其向分布式作戰(zhàn)方式的演變所引起，此種作戰(zhàn)需要支援分布在廣大地理區(qū)域的小型作戰(zhàn)單元，需要將補給品迅速分送到前線。在AACUS項目下研發(fā)的自主能力還可用于包括電子戰(zhàn)在內(nèi)的其他任務(wù)，以及支援班這樣的小型作戰(zhàn)單元。

（責(zé)任編輯：劉英姿）