自主“大篷車”拓展無人貨運(yùn)業(yè)務(wù)

瑞萊博公司已在美國國家空域成功完成172“天鷹”無人飛行，正在開展自主“大篷車”適航審定。

在為聯(lián)邦快遞（FedEx Express）等包裹速運(yùn)公司提供支線貨運(yùn)服務(wù)中，塞斯納“大篷車”及其飛行員目前每天僅飛行幾個小時。一些欲在貨運(yùn)市場取得創(chuàng)新發(fā)展的初創(chuàng)公司已洞察到新的市場機(jī)會，即把飛機(jī)改裝成自主無人機(jī)，由操控員到地面監(jiān)督無人機(jī)運(yùn)營，從而提高飛行利用率和經(jīng)濟(jì)效益。

瑞萊博機(jī)器人（Reliable Robotics，下稱瑞萊博）公司正在開發(fā)一種自主平臺，將塞斯納208“大篷車”（208 Caravan，下稱“大篷車”）飛機(jī)進(jìn)行改裝以完成無人貨運(yùn)業(yè)務(wù)。2020年6月，改裝后的“大篷車”在首飛中實(shí)現(xiàn)全部測試目標(biāo)，在飛行測試的第三天也就是6月30日，首次自主著陸測試取得成功。據(jù)悉，另一家美國初創(chuàng)公司X翼（Xwing）也把一架“大篷車”改裝為自主無人機(jī)并進(jìn)行測試。

瑞萊博公司背景

瑞萊博機(jī)器人公司位于美國舊金山，由太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和特斯拉（Tesla）公司多名前任工程師創(chuàng)立。瑞萊博聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官羅伯特·羅斯（Robert Rose）曾在太空探索技術(shù)公司主持“獵鷹” 9號（Falcon 9）火箭和“龍”（Dragon）太空艙飛行軟件開發(fā)，在特斯拉公司主管“自動駕駛”（Autopilot）輔助轉(zhuǎn)向項(xiàng)目。瑞萊博另一位聯(lián)合創(chuàng)始人兼工程部副部長朱格·費(fèi)弗爾（Juerg Frefel）曾在太空探索技術(shù)主持“獵鷹” 9號火箭和“龍”太空艙計(jì)算平臺的開發(fā)。

172“天鷹”成功完成無人飛行

圖1 瑞萊博一架改裝的“大篷車”完成自主著陸。

2018年2月，瑞萊博機(jī)器人公司在一架塞斯納172 “天鷹”（172 Skyhawk）上安裝了自動化設(shè)備，并開展飛行測試，該機(jī)于當(dāng)年10月首次實(shí)現(xiàn)自動著陸。

2018年12月，一架172 “天鷹”首次實(shí)現(xiàn)全自動、遠(yuǎn)程操控進(jìn)場飛行。經(jīng)過全面安全性分析后，2019年9月該機(jī)經(jīng)美國聯(lián)邦航空管理局批準(zhǔn)，進(jìn)行了首次無人飛行。

2019年3月，瑞萊博機(jī)器人完成B輪融資，共籌集資金3350萬美元，繼續(xù)開展172 “天鷹”和208“大篷車”的大量模擬測試。

自主平臺開發(fā)

瑞萊博自主平臺的核心層是電傳操縱控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制飛行器沿航線穩(wěn)定飛行。在核心層之上，是自主平臺的一個外環(huán)層，執(zhí)行航跡定義和管理其他無人機(jī)系統(tǒng)。外環(huán)層的上面一層負(fù)責(zé)處理無人機(jī)外部問題，而最上面一層實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。

自主平臺全部由瑞萊博機(jī)器人公司內(nèi)部開發(fā)，使飛行器自主完成多個從啟動、滑行、起飛、降落、滑入跑道和停止的進(jìn)場過程。該系統(tǒng)將與傳統(tǒng)控制裝置和儀器安裝在一起，使飛行器仍能以有人駕駛模式飛行。

2017年瑞萊博推出該產(chǎn)品時，認(rèn)為可以整合其他供應(yīng)商的系統(tǒng)，但找不到合適的現(xiàn)成組件，雖然可以買到已取證的航電計(jì)算機(jī)，但沒有能為一架飛行器提供自動化功能的計(jì)算機(jī)、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備。之后，該公司開發(fā)了電動作動器，因?yàn)楝F(xiàn)有作動器無法使各型飛行器在所有飛行階段完成自動駕駛飛行，也不能滿足性能、完整性和可靠性要求。

瑞萊博機(jī)器人司開發(fā)了自己的導(dǎo)航解決方案，當(dāng)飛行器全自動著陸時，即使沒有GPS信號，也能提供高精度坐標(biāo)。雖然瑞萊博未公布導(dǎo)航解決方案的細(xì)節(jié)，但表示應(yīng)用了航天工業(yè)的普通技術(shù)，并參考不同導(dǎo)航系統(tǒng)提供的各種信息。感知與規(guī)避系統(tǒng)開發(fā)將盡可能整合現(xiàn)有產(chǎn)品資源，并同時使用機(jī)載和非機(jī)載信息。

機(jī)載系統(tǒng)可以檢測出問題并提供選項(xiàng)菜單，供地面控制中心操控員使用，以便能對自主性進(jìn)行全面監(jiān)督。遠(yuǎn)程操控員看到的是涵蓋所有選項(xiàng)的先進(jìn)控制界面，并在該界面參與高級決策，例如，當(dāng)另一架飛行器影響“大篷車”飛行時，操控員將調(diào)整其航線。

開展適航審定

瑞萊博非常重視“大篷車”的適航審定，正在開展美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）補(bǔ)充型號適航審定，目標(biāo)是兩年內(nèi)投入商業(yè)貨運(yùn)運(yùn)營。首席執(zhí)行官羅斯表示必須成為運(yùn)營商，因?yàn)檫m航審定要求遠(yuǎn)不止飛行器平臺。第一次審批將包括遠(yuǎn)程操控員培訓(xùn)等在內(nèi)的整體審批。

圖2 172“天鷹”已在美國國家空域成功完成無人飛行。

瑞萊博開發(fā)的自主平臺分為多個層級，以逐步開展美國聯(lián)邦航空管理局適航審定。羅斯稱，借用大家都在討論的“小型化產(chǎn)品發(fā)展”概念，可將瑞萊博開發(fā)的多層級自主平臺稱為“小型化自主性發(fā)展”，這意味把問題分解為容易解決的小問題，逐步推動并最終完成適航審定。層級將全系統(tǒng)劃分為從飛行器適航審定到飛行標(biāo)準(zhǔn)等幾個部分，可向美國聯(lián)邦航空管理局不同部門申請適航審定。

羅斯稱，與其他公司的不同之處在于，瑞萊博著眼于系統(tǒng)性解決問題，以及如何將所有問題整合在一起，創(chuàng)建一個完整的適航審定過程。在首次適航審定時，機(jī)載系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、地面網(wǎng)絡(luò)和控制中心均需要開展適航審定，必須解決維修計(jì)劃和操控員培訓(xùn)問題。因?yàn)樵诳深A(yù)見的未來，操控員在地面遠(yuǎn)程監(jiān)督這些系統(tǒng)，隨之而來的是滿足維修要求和第135部及121部運(yùn)行要求。