自主無人機進軍支線貨運市場

X 翼已瞄準支線貨運市場，正在將一架塞斯納208B“大篷車”多用途渦槳飛機改裝成物流無人機。在自動化技術(shù)升級中，該公司為“大篷車”安裝了本公司數(shù)字化自動駕駛儀，采用感知與規(guī)避系統(tǒng)實現(xiàn)無人機防撞。接下來X 翼將開展無人機適航審定，未來實現(xiàn)無人貨運運營，取消飛行員。

電子商務的發(fā)展正在擴大快遞物流的需求，為一些初創(chuàng)企業(yè)帶來了市場機會，這些公司希望采用電動技術(shù)和無人機等創(chuàng)新手段改變支線航空貨運經(jīng)濟。

塞斯納208B“大篷車”（208B Grand Caravan，下稱“大篷車”）飛機在支線貨運市場頗受歡迎，位于美國舊金山的初創(chuàng)公司X翼（Xwing）已選定“大篷車”進行無人化改裝，期望通過取消飛行員來降低運營成本，提高運營效率。

2020年X翼已完成A輪融資，募集資金約1400萬美元。這家初創(chuàng)公司正在對一架無人化改裝的“大篷車”進行自主飛行測試，它將成為X翼公司首型商用無人機。X翼已獲得第135部航空承運人合格證，正在計劃啟動支線貨運業(yè)務。在提供無人空中物流服務初期，“大篷車”會有飛行員，為后期改裝的無人機適航審定收集數(shù)據(jù)。

目標市場

X翼的目標定位是支線貨運市場，現(xiàn)在美國支線貨運市場，僅聯(lián)邦快遞（FedEx Express）一家就運營超過300架“大篷車”。根據(jù)X翼公司計算，如果將“大篷車”多用途渦槳飛機改裝為可選駕駛模式的飛行器，一名飛行員可在地面遠程管理多架飛行器，飛行員利用率提高3倍，運營成本降低20%～30%。

X翼首席執(zhí)行官馬克·皮耶特（Marc Piette）表示，傳統(tǒng)支線貨運物流運營中飛機和飛行員的利用率都很低，通常是早上飛行一次、晚上飛行一次。如果由操控員在地面操控無人機，一名操控員每天可以操控三架無人機，完全可以解決飛行員利用率低的問題，但在初期運營階段，X翼只允許一位操控員操控一架無人機。

X翼預計，通過航跡優(yōu)化獲得最高運營效率的航線，使無人機更精確地飛行，還能大幅降低燃油成本。此外，拆掉飛行員所需的系統(tǒng)，“大篷車”無人機將能運載更多貨物；當操控員休息時，減少傳統(tǒng)地理條件的限制。

圖2 X 翼公司技術(shù)人員正在進行無人化改裝工作。

無人化改裝技術(shù)

X翼正在采取務實的做法，目標是以最短時間，將最少的技術(shù)應用到無人化改裝的“大篷車”，使其盡快融入國家空域系統(tǒng)，這項工作不會耗費十年，而是半年、一年或兩年內(nèi)即能擁有無人化改裝技術(shù)。

自2019年12月以來，X翼公司無人化改裝的“大篷車”已完成70多次從起飛到降落的自主飛行。

集成“自主飛行”系統(tǒng)

在“大篷車”無人化改裝中，X翼使用了本公司“自主飛行”（Autoflight）系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，一套多傳感器感知與規(guī)避（DAA）系統(tǒng)匹配了一套新型數(shù)字化飛控系統(tǒng)（FCS）?！白灾黠w行”系統(tǒng)能實現(xiàn)無人機從起飛到降落的自主飛行，具有自動防撞功能。據(jù)X翼首席技術(shù)官馬克西姆·加里爾（Maxime Gariel）介紹，2020年夏天該公司已為“大篷車”增加了自動滑行和剎車功能。

多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)集成了廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）、機載雷達、攝像機和激光雷達傳感器以及數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫收集的數(shù)據(jù)，可提供空中和地面態(tài)勢感知。當與全權(quán)數(shù)字式自動駕駛儀耦合時，可提供自動防撞功能。

圖3 多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)安裝在“大篷車”支柱與機翼的連接處。

圖4 攝像機影像包括地形數(shù)據(jù)、飛行符號和目標航跡。

多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)有兩組傳感器，安裝在“大篷車”支柱與機翼的連接處。每組傳感器有兩部視覺攝影機，一臺雷達和一臺激光雷達，一臺紅外熱成像儀，安裝在左機翼，一部遠程攝影機，安裝在右機翼，這些設備為“大篷車”提供+/- 110°方位角視場。

多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)利用廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，識別裝有應答機的飛機，使用雷達探測和跟蹤障礙物，攝像機用于再次確認廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)和雷達探測到的目標，在進近、降落和滑行過程中為GPS提供支持，激光雷達用于探測地面障礙物。

影像數(shù)據(jù)技術(shù)

地面遠程操控員或機上飛行員可在顯示屏觀看攝像機拍攝的影像，顯示屏能呈現(xiàn)廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)和雷達提供的地形信息、平視顯示器符號和航跡數(shù)據(jù)。點擊觸摸屏可將3D影像旋轉(zhuǎn)360°，查看飛行器后方和攝像機拍攝范圍之外的交通情況。在顯示屏下半部，視圖自上而下顯示飛行器的位置、當前飛行航線、警戒線和安全飛行航跡帶。X翼根據(jù)行業(yè)共識標準，采用610m的避讓距離調(diào)整飛行器飛行。

視覺系統(tǒng)在飛行的同時采集數(shù)據(jù)，便于X翼利用傳統(tǒng)傳感器來訓練多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)。X翼稱現(xiàn)在還未依賴視覺系統(tǒng)，未來將提高“大篷車”的可靠性，不再使用視覺系統(tǒng)并降低成本。

軟件及硬件開發(fā)

X翼使用現(xiàn)有組件開發(fā)了原型機系統(tǒng)，這樣可以集中資源快速開發(fā)軟件。目前正與航空航天供應商伙伴合作，開發(fā)認證型多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)和數(shù)字式飛控系統(tǒng)硬件，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)鏈和地面控制站。

技術(shù)合作

在美國國家航空航天局（NASA）的一個項目支持下，X翼公司正在與旋翼機制造商貝爾合作，2020年已將多傳感器感知與避撞系統(tǒng)安裝于貝爾APT 70貨運無人機，以開展無人機融入國家空域系統(tǒng)演示驗證。

圖5 APT 70貨運無人機安裝X 翼公司感知與避撞系統(tǒng)開展演示驗證。

圖6 X 翼改裝的“大篷車”在舊金山附近自主著陸。

推進適航審定

X翼公司計劃啟動商業(yè)運營時，首先為“大篷車”配備飛行員，并使用多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)向飛行員提出規(guī)避操作建議，由飛行員選擇是否采用。獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）補充型號適航證后，再認證數(shù)字化飛控系統(tǒng)，最后認證全耦合系統(tǒng)并實現(xiàn)無人機自主飛行。

首席執(zhí)行官馬克·皮耶特表示，X翼首先啟動“機上有飛行員”的商業(yè)運營，部分原因是能讓該公司完成輕型飛行器的補充型號適航審定（STC），在這些已取證的商用飛行器上加裝多傳感器感知與規(guī)避系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，以后更容易開展無人機適航審定。在接下來的時間里，X翼將讓機上飛行員收集大量數(shù)據(jù)，一旦獲得足夠的數(shù)據(jù)，便與美國聯(lián)邦航空管理局合作開展無人機適航審定，然后取消飛行員。