專家談物流無人機:怎樣才能確保安全?

(原標題:民用無人機試驗與實驗環境的設想) 張姮 中國人民解放軍61135部隊 蔡琰 吳強 中國航空工業發展研究中心

當前,國內外的空中物流行業已經開展了一系列的試驗和產品研發,如瑞士等國開展了空中物流等無人機定期飛行試驗。但是這些活動仍然屬於試驗性的飛行,並且基本上都是在偏僻、地面人畜車輛等較少的偏遠環境開展。

以空中物流為代表的民用無人機的使用瓶頸在於:(1)承擔物流載體的無人機的防墜毀設計和墜毀時對地面減災設計尚未得到根本性的突破；(2)缺乏一個國家或行業認可的公共試驗與測試環境。

對無人機生產商而言,公共試驗和測試環境將用來對計劃進入市場運營的物流無人機進行全方位的試驗和測試；對於無人機管理者而言,則可用來對物流無人機的運行模式和監管模式進行考評。因此,我國應當儘快建立物流無人機試驗與實驗基地。

國外物流無人機試驗與測試進展

2015年2月,多家媒體報道了小型無人機「空中快遞」的新聞。消息稱,美國聯邦航空局(FAA)於2月15日在世界上首次發表了關於小型無人機「空中快遞」的技術性以及飛行條件等方面的準則。

該準則規定:快遞物品重量為25千克以下；飛行可能的時間段為公共機關所規定的黎明到日落；最高飛行速度為160千米時；最高飛行高度約152米；飛行中,飛行的管理者能夠目視。

2013年12月,亞馬遜公司首度在視頻中公開了小型無人機「空中快遞」服務,用以小型貨物的配送利用。另一方面,谷歌公司於同年4月宣布收購小型無人機送貨的開發企業泰坦航宇公司,8月公開了固定翼小型無人機送貨項目的「項目·翅膀」的試驗驗證視頻。

2015年3月19日,FAA批准了亞馬遜的「空中快遞」的飛行試驗。進一步,4天後關於飛行器的相關法規333部以無人機系統(UAS)作為特例,將UAS的飛行範圍嵌入於以塔台控制的機場為中心的約9.26千米範圍內等項目之中。

2015年4月,FAA決定向亞馬遜和谷歌公司發放進行小型無人機「空中快遞」的飛行試驗許可,表明政府支持小型無人機「空中快遞」業務的發展。由此可見,2015年成為小型無人機「空中快遞」的元年。

今後,小型無人機的「空中快遞」與自動駕駛汽車,包括由DARPA所推進的人型機器人技術領域將對美國乃至世界行業發展所帶來極大影響。

物流無人機主要需要解決兩方面的問題:

(1)無人機自身的安全性,包括自身可靠性和墜地時對地面減災；

(2)運營模式,偏重於管理和運行過程。

一旦滿足兩方面的無人機出現,將會快速佔領市場。物流,只是空中貨運無人機的一個使用子類,廣義的物流(包括人員運輸)將是無限的。

為了研發滿足安全性、運營模式要求的無人機,美國共建立了6個無人機系統試驗場,分布於北達科塔州、紐約州、內華達州、弗吉尼亞州、阿拉斯加州和德克薩斯州,研究領域覆蓋了無人機系統的耐飛性、數據傳輸鏈路、將無人機融入空域的實施、空中交通管制、失效模式檢驗、標準的制定等等,基本覆蓋了無人機試驗與實驗環境研究的各個方面。在這個領域,美國已經做了很多紮實的工作,將為美國的無人機行業的發展提供堅實的基礎和強大的助力。相比之下,我國在該領域尚處於起步階段,與美國相比差距非常明顯。

物流無人機試驗與測試研究必要性

與軍用飛機、無人機不同,民用無人機在使用時,不能要求地面做避讓、防護等行為。因此,民用無人機的飛行可靠性和一旦墜地時對地面的傷害減災技術,就成為必須考慮的問題,這類似於民航客機首先要考慮可靠性,再考慮經濟性的問題。

尤其是空中物流用無人機,飛行、投遞、接物,都是在城市上空使用,首先必須考慮的就是飛行可靠性、不僅僅是正常飛行能力,還必須在嚴酷的各種自然環境和人為環境、甚至是人為威脅和打擊的情況下、保持繼續飛行的能力。此外,一旦因自身、外界環境或事件,導致不能正常飛行,必須有下降時對地面人員及物品的危害減災能力。

那麼未來運行時,物流無人機將會在什麼樣的環境中運行?將會受到什麼樣的威脅?將會產生什麼樣的威脅呢?

歸根到底,物流無人機要有以下能力:

(1)規避能力:規避固定障礙物和迎面的、側擊的、尾隨的各種飛行物。

(2)定位能力:各種衛星定位、慣性定位和手機基站定位。

(3)抗地磁干擾能力:高壓線、鋼鐵制構架、手機基站等引起的地磁指南針紊亂。

(4)抗打擊能力:意外的各種重量、速度的飛行物撞擊,如彈弓等。

(5)抗電磁干擾能力:地面電火花、各種遙控裝置、無線電台、手機基站等等。

(6)抗各種氣象能力:風/陣風/持續風/、雷電、雨、雹。霾、霧,反映抗風、抗衝擊電流、抗濕等。

(7)墜毀時對地面的災害足夠小的能力:預知墜毀、預知何時開啟墜毀安全減災裝置。

(8)足夠飛行的能力:結構緊實、足夠的飛行航程和足夠的載重。

只有滿足了應對這些威脅因素的能力要求,物流無人機才有可能在城市上空,在各種自然、人為的干擾下安全地使用。為此,無人機經得住上述各種情況的考驗,這需要通過試驗來驗證。

一般而言,在設計有人機時,通常要經過強度使用、風洞試驗、電磁兼容試驗、雷電RCS試驗等等,然後是飛行試驗、武器打靶試驗,艦載機還有著艦試驗。這些試驗,無不是為了驗證飛行的作戰性能。那麼,作為物流無人機的實驗環境,就必須能夠創造出這些威脅因素,來模擬實際運行中的各種可能不利的環境,物流無人機必須通過這類試驗的認證,才能放心地投入市場運行。

除了驗證無人機的安全飛行能力和墜地減災能力,無人機的飛行管理和規則驗證也是需要特定的試驗環境,不能要求在無人機不成熟、沒有安全把握的情況下,到真實的城市環境來驗證規則。因此,需要這個環境開展管理規定、空域監管方面的試驗。

物流無人機試驗與測試系統構成

首先,需要明確物流無人機試驗與測試系統建立原則:能夠涵蓋上述各種測試的試驗環境,要具備真實的或者接近真實的城市運行環境,具備試驗種類的完整性,才能考評無人機可靠性、對地面減災和運行模式合理性 。

物流無人機試驗與測試系統需包括以下方面內容:

(1)摸擬城市建築環境 試驗場必須具有一定的面積,需要建設代表各類城市「建築起伏」的建築群,包括樓字、高壓線塔、橋樑等,以及假人和植被,統稱為地面效應物,,這些效應物將模擬無人機運營的城市上空環境,,同時,還將作為無人機墜毀時的撞擊試驗環境 。

(2)電磁和地磁干擾環境 物流無人機必須能夠承受電磁干擾和地磁素亂,將設置各種功率、頻譜的電磁干擾裝置,以及鋼架、手機基站等影響地磁的裝置(含計量裝置) ,作為評估無人機在飛行、起降的抗電磁干擾、地磁紊亂的手段。

(3)氣流環境 創造持續風、陣風、紊亂風測試環境,,測試物流無人機在各種風環境下的飛行穩定性,即抗風能力。

(4)導航定位測試環境 測試物流無人機在其裝備的衛星定位、慣性定位或者其他定位的精準飛行能力,測試物流無人機在其裝備定位系統受到干擾時的精準飛行和應對能力。

(5)墜毀測試環境 評價物流無人機開啟墜毀減災措施後的效果,評價物流無人機在各種正常和不正常墜落情況下對地面物品(房屋、車輛、植被、人員等各種效應物)的損害程度。同時,還能夠開展物流無人機墜地時的起火情況評估(對森林、高壓線、油庫等)。

(6)空中撞擊測試 測試物流無人機在各種速度情況下,遭到各種體積、重量、速度、角度的物體撞擊後的穩定性、抗墜毀性以及墜毀後對地面災害的評估。

(7)空中避讓測試 測試物流無人機在各種運行模式下,對出現在航路前方的空中障礙物、側方和後方飛來的物體的避讓能力和恢復原航線飛行能力的測試評估。

(8)任務規劃測試 反映各種路徑規划下的飛行航跡與規劃航跡的吻合度,屬於飛控、抗風、 抗雨等自然環境的綜合測試。

(9)降雨環境測試 測試物流無人機在各種級別的降雨環境下(往往連同各種級別風) 的可靠性,以及墜毀災害測試。

(10)雷電壞境測試 測試物流無人機在各種級別的雷電環境下(往往連同各種級別風) 的可靠性,以及墜毀災害測試。

(11)熱環境、冷環境測試 測試民用無人機系統在各種溫度環境下的系統可靠性。

結論

綜上所述,對產品的測試,不僅僅是性能指標的測試,還必須是環境的測試。尤其是以空中物流無人機為代表的民用無人機,必須考慮在任何環境下的城市上空飛行安全問題。把日常的各種不測提前到測試環境來,通過儘可能多的試驗和實驗,才能最大程度上保證產品的使用安全。

文章原載於中航傳媒《無人機》,環球網無人機頻道已得到作者授權。

責編：張姮、蔡琰、吳強

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