“歌爾杯”第四屆國(guó)際無(wú)人飛行器創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽詳解

周好楠

2016年10月19-23日，由中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司、浙江省人民政府、中國(guó)航空學(xué)會(huì)主辦的“歌爾杯”第四屆國(guó)際無(wú)人飛行器創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽在浙江安吉縣舉行。大獎(jiǎng)賽以“創(chuàng)新+科普”為主題，旨在促進(jìn)科技創(chuàng)新、普及航空知識(shí)、培育航空創(chuàng)新文化、提高國(guó)民航空意識(shí)，已成為我國(guó)最有影響力的航空科技創(chuàng)新賽事。

具有實(shí)用價(jià)值的科目設(shè)置

本屆大獎(jiǎng)賽推出了兩個(gè)新的專業(yè)競(jìng)技賽，分別針對(duì)固定翼和旋翼類無(wú)人機(jī)。與上一屆的移動(dòng)平臺(tái)著艦任務(wù)類似，本屆大賽的競(jìng)技環(huán)節(jié)設(shè)置同樣有實(shí)用價(jià)值。

競(jìng)技類比賽中的一個(gè)科目是固定翼無(wú)人機(jī)穿越障礙賽。該科目要求無(wú)人機(jī)按照規(guī)定線路自主飛行，途中穿越各種形狀的障礙門，并自動(dòng)識(shí)別指示燈，按燈光指引選擇繞飛障礙的方向。這一任務(wù)要求，讓人不由聯(lián)想起在搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)中的探查與搜救內(nèi)容。執(zhí)行這種任務(wù)時(shí)，往往要求無(wú)人機(jī)避開(kāi)障礙，找尋搜救通道，并通過(guò)實(shí)時(shí)圖形傳輸功能為外界通風(fēng)報(bào)信。中國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，積極探索無(wú)人機(jī)自主規(guī)劃航路技術(shù)，可以為無(wú)人機(jī)未來(lái)在災(zāi)害搜救等任務(wù)中的應(yīng)用積累有益的經(jīng)驗(yàn)。

旋翼類的任務(wù)是“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”，要求飛行器對(duì)模擬作物有針對(duì)性地執(zhí)行“植保任務(wù)”——能夠自動(dòng)識(shí)別電子屏幕給出的目標(biāo)作物代號(hào)，并精確移動(dòng)到預(yù)定位置，對(duì)目標(biāo)果樹(shù)相對(duì)應(yīng)的作物用染料進(jìn)行噴涂。這一項(xiàng)目顯然是在探索無(wú)人機(jī)技術(shù)的農(nóng)業(yè)植保應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)人機(jī)在解決上述問(wèn)題方面的潛力不可忽視。它具備低空穩(wěn)定飛行的特點(diǎn)，可以保持與作物的最佳噴灑距離。通過(guò)GPS等定位和姿態(tài)控制手段，無(wú)人機(jī)可以在復(fù)雜地形上完成噴灑作業(yè)，免除了人力跋涉艱難又無(wú)法應(yīng)用機(jī)械化作業(yè)的煩惱。但要完成這樣的任務(wù)，無(wú)人機(jī)還要解決續(xù)航時(shí)間、精確測(cè)高、成本偏高、載荷限制等問(wèn)題?！熬珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)”項(xiàng)目的設(shè)立，就是對(duì)無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)方面的有益探索。

無(wú)人機(jī)解決方案各有妙招

不管是固定翼無(wú)人機(jī)穿越障礙賽還是“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”，都要求參賽隊(duì)針對(duì)多個(gè)目標(biāo)制定出一套合理的無(wú)人機(jī)解決方案。競(jìng)技賽采用兩輪預(yù)賽、兩輪決賽的賽制，其中預(yù)賽為排位賽，決賽的最好成績(jī)?yōu)樽罱K成績(jī)。這樣的賽制設(shè)置，讓競(jìng)技賽一輪比一輪精彩。

固定翼無(wú)人機(jī)穿越障礙賽比拼的是無(wú)人機(jī)自主起降、高精度航線跟蹤、動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別與避障和高機(jī)動(dòng)飛行能力。結(jié)合規(guī)則圖來(lái)看，不到200米的跑道上，設(shè)計(jì)了3個(gè)穿越門（1/2/3）和兩個(gè)障礙柱（a/b）。無(wú)人機(jī)從跑道起飛后，需依次穿越1、a、2、b、3，不僅穿越順序不能變，而且不能漏過(guò)任何一個(gè)門或障礙柱。障礙柱上裝有橫向的紅綠燈，飛行器必須從亮著綠燈的一側(cè)繞行。在每輪飛行中，無(wú)人機(jī)須進(jìn)行4圈有效飛行才被視為完成任務(wù)。

這個(gè)項(xiàng)目的難點(diǎn)是無(wú)人機(jī)須具備快速智能識(shí)別功能。在每圈飛行中，障礙柱的紅綠指示燈方向都會(huì)變化，且變化是隨機(jī)的，而固定翼無(wú)人機(jī)每圈的飛行時(shí)間僅為10秒左右。無(wú)人機(jī)在穿越任務(wù)門后，大概只有2.5秒時(shí)間識(shí)別障礙柱的綠燈方向并判斷從該側(cè)通過(guò)。

除此之外，無(wú)人機(jī)還須具備厘米級(jí)GPS導(dǎo)航功能。無(wú)人機(jī)須穿越的3個(gè)任務(wù)門，尺寸是6米×6米。而無(wú)人機(jī)翼展必須大于2米，即使翼展為2米，其飛行誤差也必須控制在4米以下。參照現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展水平，民用GPS導(dǎo)航的精度在1米左右。而比賽中的干擾因素很多，這個(gè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，選手還得利用差分軟件將精度控制在厘米級(jí)。

在預(yù)賽階段，一些隊(duì)伍的參賽機(jī)在穿越任務(wù)門時(shí)就遇到了問(wèn)題：有的在穿越過(guò)程中撞上了任務(wù)門；有的因繞行障礙柱時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大而無(wú)法順利通過(guò)下一任務(wù)門。為了保證在決賽階段有可供使用的參賽機(jī)，不少隊(duì)伍采取了保守的飛行方案。有的無(wú)人機(jī)只按既定路線穿越3個(gè)任務(wù)門，不再對(duì)障礙柱繞行方向做判斷，有的則降低了飛行速度。兩輪比賽過(guò)后，中航工業(yè)成飛技術(shù)中心隊(duì)成績(jī)較好，不僅基本完成了穿越任務(wù)門和避障任務(wù)，而且多次刷新了單圈飛行紀(jì)錄。

比賽也是試驗(yàn)的過(guò)程。為了獲得最好成績(jī)，參賽隊(duì)員們?cè)诿枯啽荣惡蠖紩?huì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并通宵達(dá)旦地調(diào)試優(yōu)化無(wú)人機(jī)的自控程序。在固定翼無(wú)人機(jī)穿越障礙賽中，來(lái)自南京航空航天大學(xué)的海鷗戰(zhàn)隊(duì)就成功地實(shí)現(xiàn)了一次逆襲。

本屆賽事南京航空航天大學(xué)共派出3支代表隊(duì)參加固定翼類賽事，但3支代表隊(duì)在兩輪預(yù)賽中均未能完成所有任務(wù)，且摔壞了3架無(wú)人機(jī)。在連連打擊下，隊(duì)員們并未氣餒，而是不斷嘗試優(yōu)化無(wú)人機(jī)的自控程序，并在天氣允許的條件下到賽場(chǎng)試飛。在最后一輪決賽中，奇跡出現(xiàn)了。南京航空航天大學(xué)海鷗戰(zhàn)隊(duì)的參賽機(jī)不僅完成了穿越避障任務(wù)，而且將4圈的飛行時(shí)間控制在6分鐘內(nèi)，成績(jī)有效。最終獲得了大獎(jiǎng)賽一等獎(jiǎng)（獎(jiǎng)金20萬(wàn)元）。

“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”旋翼類無(wú)人機(jī)賽也不簡(jiǎn)單。作業(yè)區(qū)（10米×3米）是一棵模擬果樹(shù)，上面有0-9共10個(gè)數(shù)字，代表果樹(shù)的不同部位。作業(yè)區(qū)的一邊有個(gè)數(shù)碼顯示屏，每過(guò)30秒會(huì)顯示1個(gè)數(shù)字（亮10秒），標(biāo)示果樹(shù)的病蟲(chóng)害部位，3分鐘內(nèi)顯示5個(gè)數(shù)字。旋翼無(wú)人機(jī)在識(shí)別出這些數(shù)字后，需在“果樹(shù)”的相應(yīng)“果實(shí)”上噴灑顏色。

理想的比賽狀態(tài)是，無(wú)人機(jī)在1-2秒內(nèi)識(shí)別出顯示屏內(nèi)的數(shù)字，并用20秒時(shí)間完成病蟲(chóng)害部位的顏色噴涂，然后回到數(shù)碼顯示屏前，等待下一個(gè)提示的數(shù)字。這就要求無(wú)人機(jī)具備快速識(shí)別圖像和定高懸停能力。

模擬病蟲(chóng)害的數(shù)碼框尺寸為0.6米×0.7米，中間有1個(gè)0.3米×0.4米的黑框。如果顏色噴在黑框里，得到相應(yīng)的分?jǐn)?shù)；如果顏色噴在數(shù)碼框里、黑框外，只得一半分；如果顏色超出數(shù)碼框，則不得分。

要是遇上大風(fēng)天，無(wú)人機(jī)很可能定位很準(zhǔn)，但噴歪或噴錯(cuò)了。面對(duì)這個(gè)難題，很多代表隊(duì)設(shè)計(jì)的解決方案是先讓無(wú)人機(jī)定點(diǎn)懸停，識(shí)別顯示屏上的數(shù)字，然后一一確定“果樹(shù)”上的“果實(shí)”的數(shù)字，找到目標(biāo)后進(jìn)行噴涂。不過(guò)在實(shí)際比賽過(guò)程中，一些隊(duì)伍的無(wú)人機(jī)出現(xiàn)了無(wú)法識(shí)別顯示屏上數(shù)字的問(wèn)題。即使能夠有效識(shí)別，一一確定“果實(shí)”上數(shù)字的過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間也較多，使得無(wú)人機(jī)無(wú)法完成5個(gè)“果實(shí)”的噴涂。

值得一提的是，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的隊(duì)伍在規(guī)則的框架下成功完成了這項(xiàng)任務(wù)，并拿走了旋翼類項(xiàng)目的一等獎(jiǎng)（獎(jiǎng)金20萬(wàn)）。他們?cè)O(shè)計(jì)的解決方案，是讓無(wú)人機(jī)在起飛后先確定“果樹(shù)”上的“果實(shí)”的數(shù)字，然后定點(diǎn)懸停識(shí)別顯示屏上的數(shù)字，每識(shí)別一個(gè)就找到目標(biāo)進(jìn)行噴涂。這種作業(yè)方式的效率很高，該隊(duì)無(wú)人機(jī)每次的總作業(yè)時(shí)間都被控制在3分20秒左右。

在賽后采訪中，領(lǐng)隊(duì)楊麗英表示，之所以能取得較好的成績(jī)，是因?yàn)樗麄冄芯克恢睆氖伦詣?dòng)化控制理論和方法的研究開(kāi)發(fā)，加之連續(xù)兩年參賽，積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。在參賽無(wú)人機(jī)研制中，他們采取了科學(xué)合理的自動(dòng)控制理論，通過(guò)程序讓無(wú)人機(jī)對(duì)作物標(biāo)志數(shù)字進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，并把視覺(jué)獲取的圖像序號(hào)轉(zhuǎn)化為位置信息，然后結(jié)合GPS差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的精確定位，最終較為成功地完成了任務(wù)?？雌饋?lái)這些技術(shù)都不新鮮，但在系統(tǒng)集成與驗(yàn)證方面，參賽隊(duì)員卻付出了艱苦努力，幾次變更控制策略，最終找到了較為合理的解決方案。由此可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)作為微型飛行器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)與數(shù)字通信技術(shù)的結(jié)合體，其交叉科學(xué)與技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，仍然是一個(gè)富于挑戰(zhàn)性的課題。這也正是大獎(jiǎng)賽希望鼓勵(lì)創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，是大賽的宗旨所在。

渦噴編隊(duì)飛行賽抓人眼球

除了兩個(gè)專業(yè)類比賽，脫胎于國(guó)際航模大師秀的渦噴編隊(duì)飛行賽非常靚眼，讓到場(chǎng)觀眾領(lǐng)略了另一種飛行之美。

渦噴模型是航空模型中的貴族，入門門檻高、觀賞性強(qiáng)。正是這些特點(diǎn)堅(jiān)定了安吉政府引入渦噴編隊(duì)飛行賽的決心。1985年，渦噴模型在德國(guó)出現(xiàn)，國(guó)際渦噴模型協(xié)會(huì)（IJMC）由此成立。1995年，首屆渦噴模型大師賽在德國(guó)舉行，并逐步向歐洲、美洲、亞洲輻射。隨著技術(shù)的提升，像真機(jī)成為渦噴模型的主流。動(dòng)力強(qiáng)勁的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，使得模型飛行速度超過(guò)了200千米/小時(shí)，配合發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲往往能給人真機(jī)飛行的感覺(jué)。

大約在10年前，IJMC開(kāi)始舉辦渦噴編隊(duì)飛行賽，每?jī)赡暌粚?。因?yàn)闅W洲的渦噴模型運(yùn)動(dòng)開(kāi)展得比較好，所以該賽事一直在歐洲舉辦。說(shuō)到這次的中國(guó)渦噴編隊(duì)飛行賽，IMJC主席馬克為新聞媒體介紹了歐洲渦噴模型的發(fā)展現(xiàn)狀。“在歐洲，渦噴動(dòng)力航模的玩家大約占航模玩家總數(shù)的5%-10%，他們大多處于30-50歲年齡段。在我的家鄉(xiāng)德國(guó)法蘭克福附近，方圓50千米內(nèi)就有不少于20個(gè)航模飛行場(chǎng)。它們由各個(gè)飛行俱樂(lè)部管理。在這里大孩子們會(huì)帶著小孩子們學(xué)習(xí)航模技術(shù)，從最簡(jiǎn)單的航模逐漸晉級(jí)到復(fù)雜的航模，其中一部分人最終會(huì)成為渦噴模型玩家?！碧岬皆撡愂率状巫叱鰵W洲，馬克表示感謝安吉政府搭建的賽事平臺(tái)，并指出在中國(guó)渦噴模型運(yùn)動(dòng)的潛力巨大。

有高端競(jìng)技，有靚眼航模，更有技術(shù)對(duì)接和科學(xué)普及。本屆創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽同期舉辦了首屆中國(guó)民用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)峰會(huì)，邀請(qǐng)民用無(wú)人機(jī)的研發(fā)專家、生產(chǎn)企業(yè)和用戶參加，創(chuàng)造交流與合作的機(jī)會(huì)。本屆大賽還創(chuàng)新地舉辦了航空嘉年華活動(dòng)，觀眾可以在這里進(jìn)行飛行探秘、風(fēng)洞體驗(yàn)、模擬飛行、航模制作等活動(dòng)。

據(jù)了解，從2016年開(kāi)始，大賽將在安吉連續(xù)舉辦4年，比賽周期也由兩年一屆改為一年一屆。作為冠名贊助商，歌爾集團(tuán)有限公司的加入，也成為本屆賽事與產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合、商業(yè)運(yùn)作成功的標(biāo)志。