北航大学生研发“红海行动”式无人机,搭载了高清晰度的双摄像头和画面无线传输设备

在今年热映的军事大片《红海行动》中，各种高科技武器让观众直呼过瘾。尤其是在蛟龙突击队员被武装分子用迫击炮伏击的情节片段中，突击队员远程遥控微型飞行器这一利器侦察战场环境，并通过“自爆”的方式杀伤敌方迫击炮阵地人员，给大家留下深刻的印象。现实生活中，来自北京航空航天大学的一群本科生也研发了一部类似《红海行动》里那样的微型无人机，它仅有32开书本大小，起飞重量只有160克，搭载了高清晰度的双摄像头和画面无线传输设备。

与我们所熟悉的四旋翼无人机相比，这种名为“微型信息化固定翼飞行侦察平台”的无人机能够做到空中“放手就飞”，不论水平飞行还是垂直飞行，它都灵活自如，可以实时开展“战场”侦察，并远距离传输画面。这架无人机亮在前不久相举行的今年北航第二十八届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛上亮相，成为科技擂台赛擂主，受到校内外人士关注。记者了解到，大学生们团队已经为这架无人机申请了发明专利。

挑战无人机世界级难题

王金瀚、郭嘉伟是这架无人机的发起者，两人都是北航大三本科生。王金瀚现在在北航航空科学与工程学院就读，郭嘉伟则是在软件学院就读。谈及这一发明的缘初衷由，两人说这是缘于大一时“初生牛犊不怕虎”的冲劲儿。

2015年，王金瀚涵和郭嘉伟同时考入北航航空科学与工程学院，成为大一新生，从事空气动力学和流体力学研究的胡天翔是他们的班主任。在一次飞行器的研究课上，胡天翔老师提到，固定翼微型飞行器是全世界研究领域的热点与难点。这一下子激起了王金瀚的兴趣，“当时就想挑战下这个世界级难题，动手做一架小无人机。”他说，自己从小对各类飞机模型都非常感兴趣，无人机又是近几年的热点。他把自己的想法和好友郭嘉伟分享，两人一拍即合，开启了研究。

固定翼微型无人机的“难点”到底在哪儿？王金瀚说，现在国内外对固定翼微型飞行器的研究，难点主要集中在飞机外型与飞行控制系统上。出现的问题主要是气流引起的，在飞行过程中，固定翼飞机的翼尖容易形成涡流，扰乱飞行，不利于飞行器在空中的稳定。这就需要他们在已有的研究的基础上，从飞行器外部的形态和内部的飞控系统共同入手，打造一个“内外兼修”的完美机体。

第一代无人机性能欠佳

2015年11月，王金瀚、郭嘉伟和同学们正式开始了研究。他们陆陆续续买来几十个飞行器模型，研究机体在飞行过程中的缺陷。他们发现，为了克服飞行时飞机翼尖涡流的影响，模型飞机的翼展尺寸几乎都在50厘米以上，并且起飞重量大多只有20克，“这样的重量，就别考虑搭载摄像头等装备进行航拍侦察了。”王金瀚说，为此他们决定必须通过优化要通过飞机外形的优化，提升搭载性能。

经过近半年的努力，大学生们团队成功“破冰”，研发出第一代固定翼无人机。那是一个单螺旋桨三角翼飞行器，由木质层板制成，整体外观看上去像是一个扑克牌里的“黑桃A”，又像是一个扑克牌里的“黑桃A”，或者当年美军赫赫有名的F117“夜鹰”隐形战斗机。这部无人机翼展长18厘米，起飞重量40克，在体积和起飞重量上突破了已有模型的极限。

第一初代的“黑桃A”在2016年举行的第二十六届“冯如杯”上获得了科技发明类的二等奖。然而队员们并不满足于此，队长王金瀚说，在比赛答辩的时候，老师就提出了更高的期望。虽然成功将固定翼微型飞行器制作出来，但不论在载重，还是在控制系统上，他们实现的突破微乎其微，飞行器仅仅只能承受10克的重量，并且控制系统还非常原始，只能在空中水平飞行，不能实现悬停、垂直起飞等动作，“和市面上的普通固定翼飞机模型在性能上没有区别，这远不是我们要达到的目标。”王金瀚说。

“美国队长”激发灵感

“冯如杯”结束后，整个团队陷入新的“冰封期”时期——，知道性能远远不够，但不知道从哪个方向突破。王金瀚说，当时正巧影院暑期档在热映《美国队长3》，在看到影片中男主角从背部就可以甩出一架扁平的无人机后，大家的思绪跟着“美队”一起“解冻”了。“当时灵感就来了。”王金瀚说，“我们希望新一代飞行器能够兼具多旋翼和固定翼的优点，在空中能够灵活自如的飞行。”他们马上投入到飞行器的改进研究中，。在经过了不知多少次的“改进-、测试-、推翻-、再改进”的过程后，2017年的“冯如杯”上，第二代无人机亮相。

改进后的飞行器有两个螺旋桨，由塑料泡沫制成，形状已非常接近最终版本，唯一不同的是飞行器后部有两个垂直尾翼。这一版无人机的起飞重量提升到120克，最大载重提升至30克，并且成功解决了机体在垂直状态下灵活飞行的问题。这一版的飞行器得到老师们的一致好评，这一年，他们拿到了“冯如杯”一等奖。

“但我们还是发现了飞行器存在的‘硬伤’。”王金瀚说。虽然飞行器的翼展依旧保持了18厘米的长度，但是由于垂直尾翼的存在，整个机体的厚度却增加了；此外，制作飞行器的材料过于简单，泡沫塑料太容易损坏，光是测试用的机体就毁了好几个，“作为我们学生我们经费有限，真是心疼得不行。”。

改进后放手就飞自主导航

经过团队的反复攻坚，第三代无人机无论在硬件还是软件上都有了新的突破。硬件方面，他们将碳纤维和泡沫塑料复合，采用固化工艺，得到全新的超轻固化材料。他们还用双平行尾翼替代了原来的垂直尾翼，就像美军的B2“幽灵”轰炸机一样。

软件方面，一直负责飞行控制系统的郭嘉伟，拉着同在软件学院的马宇航和罗观洲两位同学“入了伙”。他们发挥优势，将算法控制加入到飞控技术中，实现了飞行器的“主动控制”-——-能够自动感应飞行环境与飞行状态，控制双发差速，稳定航向。此外，他们还对摄像头进行了图像算法优化，并采用双摄摄像头，在垂直方向上采用500万像素，可用于目标追踪；水平方向上采用200万像素，双摄都可以录像，实现全方位监控。

记者最初看到这部无人机时，很难将它和“飞机”联系在一起——--通体黑色的它更像是一册比32开略大、厚度不到两厘米的练习本。只有前部两支5厘米左右的螺旋桨显示出了它的飞行属性。王金瀚说，可别小瞧了这架无人机，它的起飞重量达160克，这意味着载重可以到40克，“如果按照国外军用小微无人机的概念，40克的载重足以搭载各种侦察设备，或者包裹了可碎裂破片的爆炸装置，就像《红海行动》里的无人机一样。”

王金瀚说，这架无人机起飞前，只需人工设定好目的地和路线，飞行器即可放手就飞。“这就和导航是一个道理。”郭嘉伟解释道，控制者可通过手机接收端看到航拍到的飞行姿态和航向，还可以看到传回的视频图像。

将组建无人机队“蝠群”

凭着“微型信息化固定翼飞行侦察平台”，王金瀚、郭嘉伟团队在本届“冯如杯”科技竞赛中获得科技擂台赛擂主。记者了解到，团队已经为这架无人机申请了发明专利。王金瀚说，这样一架“黑科技”无人机，制造成本在一千元以内，如果能够投入量产，成本将会更低，因此他们相信应用前景会非常光明。

今年下半年，团队的成员都将升入大学四年级，准备毕业设计、深造读研将耗费他们的大量精力。王金瀚说，从目前来看，他们可能需要暂时将这个项目放一放，交给下一届的学弟、学妹去进一步完善和提高。但着眼未来，他们肯定还会关注这架无人机的进一步优化——在体积上，无人机的尺寸还可以再小，这样一个小号旅行箱就能装载一组10套无人机，执行多样化的飞行任务；在功能上，他们会考虑将无人机设计成更加有利于多机协同作业的模式，“一个无人机群，不同飞机分配完成不同的任务，然后通过一个中枢指挥系统完成多样化的任务，实现效能的最大化。”王金瀚说，在老师的指点下，他们为这样的无人机群起了个形象的名字——“蝠群”。

此外，他们还打算给飞行器加入投放装置，让无人机真正可以实现军民两用，军用可以“自爆”或者投放炸弹，民用则可以拍摄一些时下最流行的短视频方便分享。