遥控飞行无人机与“真”无人机

遥控飞行无人机与“真”无人机 remotely piloted vehicle and unmanned aerial vehicle

1916年9月12日, 美国的斯佩里(Sperry)和劳伦斯 (Lawrence)的“休伊特-斯佩里自动飞机(Hewitt-Sperry AutomaticAirplane)”完成人类第一次有动力无人飞行，人类便开启了无人机研究的新纪元，人们在最初定义无人机时，采用的是最直观的物理概念，只考虑了飞行员与飞机的物理位置关系，即：飞机上没有飞行员的飞机则称为无人机，起初在英语中用pilotlessaircraft表达，这也是无人机最基本的内涵。
随着无线电遥控技术的发展，航空工程师使用了无线电在地面遥控无人机的飞行，这就出现了遥控飞行器(Remotely Piloted Aerial Vehicle, RPAV)和遥控飞 行系统(Remotely Piloted Aircraft System, RPAS)术语，在此期间也有人使用UninhabitedAerialVehicle作为无人机的名称术语。
Unmanned Aircraft System (UAS)在《无人机路 线图2005~2030》被美国国防部和FAA所采用[1]，并给出了定义：指不载有操作人员、利用空气动力提供升力、可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可回收使用、携带致命或非致命有效载荷的有动力飞行器。此定义明确了无人机的最基本内涵：1) 飞机上无驾驶人员；2) 能完成一定的使命任务；3) 能够重复使用。
依据上面的定义，弹道或半弹道飞行器、巡航导弹和炮弹不能看作是无人飞行器，原因是导弹不能回 收；目前遥控航空模型飞机是否属于无人机仍有疑义和争论，未有定论，主要原因是现代航空模型飞机也采用了先进的控制技术，其功用也在变化，从司法层面和飞行管理层面上无法明确鉴定。笔者认为：如果只是在视距内进行表演娱乐活动， 遥控航空模型飞机可认为不属于无人机，
无人机发展到现在，在技术上使用Unmanned Aerial Vehicle (UAV)来代表无人机，而在民间中，则经常使用drone(老式军用无人机发动机有规则的噪声与公蜂的蜂鸣相似的原因)来代表无人机[1,2]。
无人机的两种形式表达：unmannedaerialvehicle和uninhabitedaerialvehicle仔细探究其含义是有区别的，unmanned从字面上有两个含义: 其一是直接的含义，无人的，飞机上无人；其二是无人操纵的；而uninhabited只有飞机上无人的含义。从unmanned字面上讲，无人 机应同时具备两个含义, 即: 人不在飞机上并且人不操控飞机, 飞机能够“正常”飞行，也就是说无人机从起飞准备-滑行-起飞-空中飞行-返场着陆-退出关停的全过程(图1)都可不需要人介入。因此，用“unmanned aerialvehicle”来定义无人机是最合适的，更能体现“真” 无人机的内涵。无人作战飞机(UCAV)的英文表达应为: unmanned combat aerial vehicle。
无人机经过100年的发展，其演变与发展是全方位的，其内涵也发生了重大变化，无论执行的任务千变万化，但其最根本的变化还是其飞行控制方式的变 化，按照无人机飞行控制方式的变化，无人机经历了 下面几个发展阶段，并形成了相应种类的无人机：
(1) 遥控飞行无人机(阶段)； (2) 遥控加局域自动飞行无人机(阶段)； (3) 全自动飞行无人机(阶段)； (4) 全自动加局域自主飞行无人机(阶段)； (5) 全自主飞行无人机阶段(下一阶段,即将来临)。
目前，国际上无人机的最高水平是全自动加局域自主飞行无人机，根据不同的任务需求以及人力和成本的情况，依据实际情况来选择无人机的种类，这几 类无人机可以并存，相互补充，充分发挥每一种无人 机的优势。
技术发展到现阶段，从狭义上定义，无人机的飞 行可与人没有直接关系，即: 人与无人机二者存在隔离的状态；从广义上讲，由于无人机作为一类可飞行的工具或武器，人要使用它，就必须明确“人机权限”问题：人是无人机的主人(主宰)，无人机的行为要听从人的管控，但人的自身能力、精力以及精确控制飞机能力的限制，不可能分分秒秒或时时刻刻管控无人 机，因此无人机必须要有独立自主(自动)工作的能力。

从上面的分析中可知，遥控飞行无人机(remotely piloted vehicle)与“真”无人机(unmanned aerial vehicle) 其内涵和本质是有区别的。遥控飞行的无人机的构架原理图见图2，“真”无人机的构架原理图见图3。从图2和3可直观看到二者的不同，遥控飞行无人机是在人直接控制下工作的，即人在其工作环中；而无 人机是在人授权下工作的，人在其工作环之外，而不是在工作环之中，这一本质上的差别就导致了二者在设计中系统结构、控制功能和实现方法的不同。

无论怎样给无人机下定义, 有自我独立工作能力应是其本质属性, 但不变的原则是: 无人机由人使用，人是无人机的“主人”，无人机必须听从人的管控，无人机自我独立工作权限自然是由人随时进行设置的，显而易见，为实现无人机的功用，无人机的结构与能力是在“制造”它时构造的。因此，标准的无人机应有3 个工作模态：自主(自动)模态、人工干预模态和人工 操纵模态。这3种模态的使用是由人(操作员)设置与选择的。人(操作员)选择模态也应综合考虑实际环境的 复杂情况, 可遵循“将在外, 君命有所不受”的原则进 行模态选择. 上面的3个工作模式的定义与含义如下: (1) 自主 (自动)模态是无人机系统的默认模式，此模式按照人制定的规则、理念、思路进行工作，管控无人机的飞 行；(2) 人工干预模态是在自主(自动)模态下，人主动 纠正自主(自动)飞行的偏差，是在默认控制基础上增 加一△增量；(3) 人工操纵模态是在控制系统出现故障而无法自主(自动)控制无人机应急条件下，由人直接操纵飞机。一般情况下，人工操纵难以保证飞机的控制效果，其原因很简单：人不在飞行现场，难以准确感知飞机的运动信息，因而也就难以准确控制飞机，无人机采用上述3个工作模态事实上也明确了“人 机权限”问题，人作为无人机的“主人”，人通过制定规则和策略管控无人机，无人机按规则和策略自主(自动)生成控制指令控制飞机的飞行；飞行中出现与人的设想不一致结果时，人可进行适度的修正；飞行出现应急情况时，人可直接操控飞机，这是“孤注一掷”的行为。
由于无人机在整个使用过程中，不同的飞行阶段有不同的使命和任务，因此，三种工作模态在不同的飞行阶段执行不同任务命令，基于此原因，在构造无人机系统工作逻辑结构时，应采用“因地制宜”的原则进行飞行阶段与3种工作模态的逻辑构造置，即：先确认阶段，然后再选择工作模态。采用上述模态也是涉及到无人机操控人员的日常培训理念问题，按上面模态的设置，无人机日常的训练方式应该是：以模拟器虚拟训练为主，重点在任 务方面的训练，飞行特情训练为辅，再辅以少量的实 物飞行训练的方式。
需要强调的是：既然无人机能够自主(自动)飞行，就涉及到如何自主(自动)飞行？飞行的好与坏？即自主(自动)飞行的能力和水平，也就是其智能的高低，这 就出现了自主与智能的内涵与相互关系问题。
（节选自“无人机的自主与智能控制”，《中国科学：技术科学》）