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何玉庆:无人机的研发历程
发布时间:2018-10-26 来源: 【字号:  

  无人机,这个火遍大江南北的“机器人明星”,正以不可思议的方式吸引着全世界人的目光!它既是国家军事装备发展水平的代表,也是人们生产活动中辅助作业的特种设备,也是普通人手中可以随意摆弄的玩具。

  必赢贵宾会无人机研发团队,“以提升无人机自主/智能性为目标”、“以推广无人机应用为己任”,不畏艰难困苦,十几年如一日,致力于我国无人机科研事业的发展。

  一、万事开头难

  世纪之交,随着机器人在工业领域的巨大成功,各行各业对机器人概念的认可和接受程度日益增加,必赢贵宾会作为我国机器人的摇篮,开始探索特种机器人技术与系统研究。在此背景下,2003年5月,正在美国康奈尔大学留学的韩建达博士满怀激情回到必赢贵宾会,在时任所长王越超和老一辈机器人专家谈大龙研究员的大力支持下,创立了旋翼飞行机器人(以下称无人机)研究方向。

  旋翼飞行机器人是在当时特种机器人领域发展的理念之一,即将机器人技术与有人直升机装备结合,用机器人技术逐步取代对(有人)平台的实施操控。对必赢贵宾会来说,直升机这一传统航空器平台研究完全没有基础,整个研发团队仅有韩建达、吴镇炜和两个博士研究生。国外在上世纪九十年代才步入相关技术快速发展时期,针对这一全新领域,他们从直升机的基础知识学起,以电动航模直升机为主要平台,开展了一系列技术攻关,逐步掌握了直升机的飞行原理、动力学模型,并在飞控这一核心技术领域进行了重点研究。

  在坚持技术攻关的同时,研发团队也在努力寻找各种发展机会。然而,一个新的团队要想获得外部的认可与信任是极其困难的。当时国内技术领先的LE110是上海雏鹰科技有限公司与中航602所等联合研制的无人直升机系统,我所研发团队与其技术总师蒋新桐取得联系,希望开展关于飞行控制的技术合作。为了赢得信任,我们抬着笨重的信号分析仪奔赴上海,针对LE110遇到的主旋翼转速不稳等技术难题,进行现场方案说明和试验。然而,几个技术专家对我们建议的“对主旋翼进行离线建模并设计稳定转速控制”方案提出各种质疑。尽管在蒋总的大力支持下,地面主旋翼转速建模试验得以顺利开展,但最终我们还是与上海雏鹰公司的合作失之交臂。

  二、思路转型与技术突破

  早期“走出去”的失利使团队清醒地意识到,要想获得行业认可并开创属于自己的天地,一要自身拥有强大的技术力量,所谓打铁还需自身硬;二要在行业应用上下大力气,做出能被认可的实用化系统。于是,研发团队定下了“以无人机自主飞行控制为技术抓手,大力推广无人机在特殊行业的应用”的基本发展思路。

  这一时期,研发团队提出了机器人自主行为共性技术体系概念,并迅速开展了一系列技术攻关,先后获得了国防973、国家863项目、自然科学基金重点项目等一系列国家重大、重点项目支持,切实提升了无人机这一复杂系统的飞行控制性能。与此同时,团队摈弃了电动无人机,直接以实际应用价值更高的、更加复杂的油动无人机作为研究对象,开展了大量的飞行试验,验证了各种技术在实用化无人机系统上的有效性。以李明院士为组长的国防973项目专家组认为我所团队是:国内首家将旋翼飞行机器人自主控制技术进行实际平台全面试验验证的单位。在机器人学领域顶级期刊Journal of Field Robotics上由澳大利亚学者撰写的旋翼飞行机器人研究综述文章认为,我所作为中国大陆唯一的团队,被列为27个世界知名旋翼飞行机器人研发团队之一。

  

大载荷无人机起降试验

  这一时期,在吴镇炜老师和齐俊桐博士的带领下,团队足迹踏遍祖国大地的各个角落,自行研发的SIA-40和SIA-100无人直升机在多个行业获得应用,成为无人直升机行业内高技术的典型代表。例如:

  在农业领域:2010年7月,新疆农业航空产业基地揭牌仪式隆重举行,我所自主研发的无人机应邀参展,并获得了与会专家的一致好评;在陕西杨凌举行的第二十届中国杨凌农业高新科技成果博览会上,获得组委会评选出的最高奖——“后稷特别奖”。

  在地震救援领域:2013年4月20日,四川省雅安市芦山县发生7.0级地震,造成重大人员伤亡。我所无人机急赴灾区开展救援,共排查了芦山6个乡镇,获取了近50平方公里震区的空中信息,排查了高层危楼50余栋,大大提高了国家救援队灾后排查救援的工作效率,赢得了国家地震救援队的信任并获得高度评价,接连发了两份相关简报。

  在电力巡线领域:2013年8月21日,在辽宁省抚顺市遭受暴雨、洪水灾害后,我所无人机第一时间赶赴受灾最重的清源地区,对多处输电线路进行了大范围自主巡线作业,为现场的输电线路抢修提供了第一手资料,为线路恢复供电赢得了宝贵时间。这只是一次无人机在电力行业应用的典型案例,此时我所无人机在电力行业应用中的相关技术已趋成熟,并获得2012年度辽宁省科技进步一等奖。

  在南极科考中:2014年11月,我所无人机前往南极参加中国第31次南极科考,并执行中国南极冰盖机场选址勘察任务,实现了50千米范围连续目标观测、雪龙船上随时起降,顺利完成海冰观测任务。

  三、求变才能适应

  2012年前后,国内无人机产业迎来跨越式发展,无人机一跃成为最炙手可热的产业,并得到市场的极大青睐。但随后的几年,良好的行业环境却给无人机团队的发展带来了严峻的挑战:一方面,与社会资本大量投资无人机行业相对的现实是相关人才极度匮乏,研发团队中的多名技术和管理骨干先后离职,选择“下海”经商,人才流失为团队发展带来了明显的冲击;另一方面,无人机产业的兴起,使团队发展必须直面激烈的(企业)竞争,市场行为的介入加之院所运行模式的制约,使得团队很难以一己之力和与财力雄厚的公司正面抗衡,转型势在必行。

  2015年2月,中国科学院院长白春礼提出,为了适应新的改革形势和发展要求,中科院将办院方针调整为“三个面向”、“四个率先”。其中三个面向即面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场。以此为契机,团队顺应发展潮流,重新将发展目标定为“攻克无人机技术前沿、研发无人机实用装备”,集中精力解决重点、难点成为我们新的工作方向。

  一方面,团队专注于无人机领域难啃的硬骨头开展攻关,先后突破了强风干扰下的稳定飞行控制、严重故障下的安全飞行规划、复杂条件下的智能学习等技术难题。在多款无人机系统上进行了实际飞行测试,大幅提升了无人机的飞行性能;研发了倾转旋翼无人机、作业型旋翼无人机等多款新概念无人机系统,其中后者实现了无人机从被动观测型到主动作业型的根本改变,得到了学术领域和行业用户的高度关注;积极开拓研究方向,率先提出将无人机和地面、水面等移动机器人组成编队,开展跨域协作等学术研究。

  另一方面,团队由过去的“注重特种功能实现”全面转向“研发实用工程系统”的研制理念,先后组队赴中航601、中航602等国内知名飞机设计总体单位考察学习,并结合自身特点和优势,依托兄弟单位在质量管理方面的丰富经验,制定了一整套实用的质量管理体系,先后研制成功“云鸮100”和“翔鹰200”两款新型无人机装备。

  

无人机研发团队

  云鸮-100无人机是完全自主研发的一款中小型无人机系统。“云鸮”中的“云”代表团队所在地飞云路,也象征着团队事业直冲云霄;“鸮”是猫头鹰,我国古代常用来命名鸮形目猛禽,西方将其视为智慧的象征。“云鸮”象征我们的无人机能像空中猛禽一样,灵活而又不失聪慧。

  一款无人机的成型没有捷径,只能靠刻苦钻研才能得来。在过去三年间,攻关小组对全机200多个零件进行了优化设计,有时候出现一个问题或现象,全组成员无一例外参与剖析,查阅资料、外出调研,从不同角度献计献策。当改进方案确定后,无论是下班时间还是节假日,都会在第一时间完成零部件的改进、装配和系统调整,确保尽快进行验证飞行。小组成员常常身兼数职,既可以加工装配还可以辅助飞行,既可以分析设计还可以进行地面站监控,大家把云鸮当作自己的孩子一样尽力呵护。在飞云路试验场,无论是夏天烈日暴晒、还是冬天雪花飞舞,总能看到飞行试验人员的身影,在室外一站就是二、三个小时,大家都说搞无人机的都是不要命的,得有强大的心理素质和过硬的身体素质,有做科学研究的脑子还得有下地干活的力气。在团队共同努力下,目前云鸮100累计飞行时间数百小时,已经成为无人机家族的新成员。

  翔鹰200无人机是团队研制的最大一款无人机系统,是走向装备研制道路的标志性成果。攻关小组7名成员来自满、蒙、回、汉四个民族,但他们怀揣同样的飞翔梦想,为共同的目标努力拼搏。相比航空工业部门完备的支撑条件与研发体系,团队研制大型无人机装备面临着诸多技术、非技术难题,常常需要深入偏远的试飞场地开展长期的系统测试。我们克服后勤保障短缺等诸多困难,建立了从无人机的贮存运输,到维护调试的一整套独立外场实验保障体系。

  由于试飞场地的时间限制,需要争分夺秒,保证试验工作的开展,他们陪伴着无人机见过法库早上4点钟的日出、株洲晚上19点钟的夕阳,领略过海上7月午后的艳阳,也体验过12月的湿冷。曾经夜以继日的开展故障排查工作、曾经顶着炎炎烈日奋战在大洋深处、曾经拖着一身的疲惫总结试验经验教训……。最终攻克了大载荷无人直升机的全自主飞行、舰载起降控制等多项技术难题,成为国内为数不多的具备研制大载荷无人直升机能力的团队。

  2017年,经过多年努力,取得了丰硕成果,研发团队也成功获批筹建“辽宁省智能无人机技术与系统工程技术研究中心”。

  寒来暑往、潮起潮落,十五个春夏秋冬悄然而逝,我们无人机团队经历过鲜花和掌声,也遭受过嘲笑和质疑。正所谓“逆水行舟、不进则退”,在未来的日子里,我愿携手团队中的每一位成员勇往直前,不抛弃不放弃,致力于“攻克无人机技术前沿”和“研发无人机实用装备”,与研究所共同成长、共创辉煌。

  路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!

作者:

  何玉庆,男,1980年9月出生。2002年9月至今在沈阳自动化研究所学习和工作,研究员。

 

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