無人機網絡與通信
UAV Networks and Communications
[美] 卡米什·納莫杜裡（Kamesh Namuduri）
[法] 塞爾日·肖梅特（Serge Chaumette） 著
[美] 耶格·H. 金姆（Jae H. Kim）
[美] 詹姆斯·P. G.斯特本茲（James P. G. Sterbenz）
劉亞威 闫 娟 杜子亮 餘骅欣 陳 蕾 譯
第1章
無人機系統概述
Jean-Marc Moschetta，Kamesh Namuduri
本章重點從民用的角度，介紹無人機（UAV）和無人機網絡的背景以及使用環境。本章将讨論無人機的類型、燃料、載荷能力、速度和航程等問題，還将讨論無人機和無人機網絡在工程與技術方面的發展現狀，以及無人機網絡的優勢，這些優勢包括态勢感覺的提升和無人機之間通信延遲的減少。本章還将展現無人機網絡的應用，無人機網絡在設計、研制和部署方面的研究、機遇與挑戰，以及無人機網絡的研究路線圖。
近幾十年來，許多術語被用來指代無人機，最近的一個稱作“遙控空中系統”（Remotely Piloted Aerial System, RPAS），“遙控”意味着無人機總是要由地面上（也可能是空中、海上）的人負責操縱。這一術語和上世紀80年代無人機的老名字“遙控飛行器”（Remotely Piloted Vehicle, RPV）非常像，不過RPAS更強調空中系統不僅包括飛行器本身，而且還包括諸如地面控制站、資料鍊和天線等組成元素。RPAS還可以代表好幾架飛行器屬于相同的系統，這些飛行器可作為一個整體由單個操作人員遠端操縱。在這種情況下，操作員作為遠端駕駛員，不太可能真的去控制每架飛行器。
在航空領域，駕駛一架飛行器基本上意味着要控制飛行器飛行，這是一個非常精确的概念，關系到根據重心控制飛行器姿态的能力。大多數無人機都是遠端操縱的，它們幾乎都由機載自動駕駛裝置來控制飛行，是以無人機不是一個遠端駕駛的飛行器而是一個遠端操縱的飛行器，它執行發送到機上的導航指令，諸如航路點、路徑和決策算法這樣的導航指令，甚至可能就包含在機載計算機中，以便無須人類參與就能完成飛行任務。這樣人類就可以專注更高層次的事物，如制定決策或定義政策。“遠端操縱飛行器系統”（Remotely Operated Aircraft System, ROAS）這個術語可能對現在的科學團體來說更有意義。
本書依然選擇了經典的術語無人機（UAV）或無人機系統（Unmanned Aerial System, UAS）來指代無人機自己（即UAV）或整個系統（即UAS），無人機系統一般包括一組無人機（有可能就一架）、一個控制站、資料鍊、一個支援裝置以及操作人員。
1.1 無人機類型和任務
許多作者已經提出了不同無人機系統的各種分類方式，比如可按照飛行器類型、尺寸、品質、任務範圍、高度、航程等分類，每種分類方式都指出無人機系統某一典型特征，但這也必然忽略它的另一重要方面。無人機系統的大多數課程都從無人機分類方式開始，這都基于某種正常分類法，包括：高空長航時（High Altitude Long Endurance, HALE）無人機、中空長航時（Medium Altitude Long Endurance, MALE）無人機、戰術無人機、垂直起降（Vertical Take-Off and Landing, VTOL）無人機以及小型和微型無人機。這些描述的主要缺陷在于它們基本上都是基于已有系統，混合了任務能力（VTOL、長航時）、尺寸（小型或微型）和其他特征—比如高度（高空或中空）。這樣的分類方式無法為各種任務和飛行器構型的選擇提供一個綜合視角，而且這也使得構想未來的無人機變得非常困難，因為它植根于已有無人機系統的市場劃分。
對于不同無人機系統來說，更适合的分類方式是複式矩陣，組合了典型任務剖面以及飛行器主要構型。
任務剖面可包括：
1）需要垂直起降能力的（室内/室外）偵察任務；
2）需要長航時能力的（近程/遠端）監視任務；
3）其他特定任務，如投送物資，監控包括風電機組和核電廠在内的特定設施，軍事領域某些需要（低聲音和雷達信号）掩護的戰術任務，以及耐久的信号傳送。
就任務剖面而言，大多數最終使用者如果不采用之前已定義的飛行器構型，就很難真正定義它們的任務需求。對于無人機系統設計流程來說，恰當地區分任務需求和載荷/飛行器的定義非常重要，例如，要調查海洋中的一片遠方區域，要明确規定區域的大小、起飛區和待調查區域之間的距離、獲得所需資訊允許花費的最長時間，與後勤、法規、操作成本等相關的額外限制。如果遠方區域距離起飛區很遠，就必須選擇一架遠端飛行器。如果遠方區域不太遠但是需要持久監視，則無人機系統要由一架長航時飛行器或者一群小型飛行器組成，每架飛行器航程有限，但通過飛行器輪流執行任務就可以提供無限時長的監視能力，一群小型飛行器可能是權衡成本和任務之下更好的選擇。确實，小型飛行器比大型的更好部署，而且由于監視區域縮小，其安裝的載荷也會更便宜。
飛行器構型一般有三種：固定翼、撲翼和旋翼構型，還應該加上第四種，即組合了前面任意兩種構型的飛行器。第四種主要包括可轉換飛行器，如傾轉旋翼平台、傾轉機翼平台或者傾轉機體平台，還可包括大多數已有的撲翼飛行器，通常它将撲翼和固定翼的控制面（在尾翼或升降舵中扮演重要角色）組合到一起。其他飛行器構型如飛艇和滑翔傘，可認為是單獨一類，盡管它們擁有目前和未來無人機系統的一小部分特征。
1.1.1 固定翼無人機
固定翼無人機的範圍很廣，尺寸可從微型無人機（又稱微型飛行器，Micro Air Vehicle, MAV）一直到幾乎超過任何已有正常飛行器的無人機。固定翼MAV的一個例子是航空環境公司的“黃蜂”（Wasp），是翼展41cm、重量275g的電動飛翼MAV。更小的固定翼MAV也可設計出來，比如2005年佛羅裡達大學的Peter Ifju教授開發了翼展10cm的柔性翼MAV（如圖1-1所示）[26]。
圖1-1 翼展10cm的固定翼MAV（Michall Sytsma提供）
與極小尺寸的固定翼無人機相比，波音公司的“太陽鷹”（SolarEagle，如圖1-2所示）應該算是一種“衛星無人機”，它可以連續24h不間斷地飛行一周時間，這歸功于其機翼上面覆寫的太陽能電池以及對機體制造的超嚴格限制帶來的極輕重量。這架翼展130m的固定翼太陽能動力無人機必須對抗“平方–立方定律”，即重量的增加速度要快于機翼面積。是以，太陽能無人機更适合做成更小的尺寸，因為與大型飛行器相比，其大部分動力都可以從太陽那裡獲得。
舉例說明，一款翼展50cm、名為“太陽風暴”（Solar-Storm）的固定翼無人機已經被設計和制造出來，其機翼被柔性太陽能電池覆寫，可以延長完全由标準電池作為動力的同款無人機的續航裡程。在天氣晴好的日子，“太陽風暴”（如圖1-3所示）[7]最多可以從太陽能提取飛行所需總動力的45%。從實用的角度看，這麼小的太陽能動力飛行器不需要那種插到電源中的電池充電裝置，當一架小型無人機在空中時，同樣的一架可以在地面為自己充電。
圖1-2 飛行中的波音“太陽鷹”示意（照片版權：波音）
圖1-3 翼展50cm的固定翼太陽能動力無人機（來自Murat Bronz的“太陽風暴”）
盡管固定翼無人機從本質上講是難以懸停的，但是比起旋翼無人機，它們仍是遠端或長航時監視任務的優良候選者，就連手持發射的中型固定翼無人機（少于10 kg）也可以一天在空中保持8h，這通常足以完成一個典型的監視任務。盡管正常飛機的設計已經是廣為人知的工程技術，但是由于低雷諾效應會使空氣動力和推進性能降低，導緻小型或微型無人機的設計知識仍不成體系。為了實作良好的性能，需要專門針對小型無人機領域，精細地應用和改良設計和制造技術。此外，長航時的需求依賴的高比值，其中CL表示升力系數，CD表示阻力系數，是以，長航時固定翼無人機對應着相當高的升力系數值，這可能導緻巡航條件接近機翼失速，設計一架長航時固定翼無人機應當明确最小載荷系數和起降性能的需求，之後還要進行專門的風洞試驗和優化流程，如圖1-4所示，顯示了Delair技術公司在法國航空航天大學（Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, ISAE）低速風洞中開發小型固定翼無人機DT18[133]。
圖1-4 一架翼展1.8m的固定翼長航時無人機（來自Delair技術公司的DT18）
近年來除了在燃料電池小型化上取得的進展，還有一種方式可以極大提升小型無人機的續航能力，即從大氣中提取能量。能量收集可使用熱氣流實作，比如滑翔機或有風速梯度的情況，诠釋這種機理的最好例子是信天翁的飛翔，它受益于海面上由大氣邊界層創造的風速梯度，這種現象也稱作“動态翺翔”，現在可以更好地了解它并可對它進行數學仿真，一些作者認為動态翺翔的原理可用來制造無人機，用于海上監視、監測以及搜尋與救援任務（如圖1-5所示）[1]。
圖1-5 由信天翁飛行啟發的小型長航時無人機概念（Philip Richardson拍攝，2012）
1.1.2 撲翼無人機
從航空學出現伊始，一些作者就主張工程師應該從已有的飛行動物（鳥或昆蟲）中獲得靈感。持這一觀點的人們認為，動物在漫長的進化中逐漸将飛行最優化，那些迷人的案例包括了許多種類的小型和大型飛行動物，從已知最小的飛行昆蟲柄翅卵蜂（長0.15mm）到著名的飛行恐龍無齒翼龍（翼展7m，體重仍有争議）[450]，特别應該提到的是蜂鳥，它是航空環境公司最近開發的納米飛行器的靈感來源（如圖1-6）[254]。
圖1-6 航空環境公司圖檔（左圖由Getty圖像公司Lavvy Keller和Litiz Ba提供，右圖由Coral von Zumwalt公司提供）
由于涉及内部流場的複雜性和不穩定性，了解撲翼的空氣動力學很大程度上仍然是一個懸而未絕的問題，過去40多年來，許多研究團體都将其作為興趣點，開展了多種實驗和數值技術方法研究。
現在很難确定撲翼飛行是否真比旋翼系統更高效，事實證明，與正常的旋翼相比，鳥和昆蟲即使是在很低的雷諾數下，也沒有特别高效的懸停方式[294]，而且最近的研究表明，撲翼可能對某些昆蟲來說不如之前想的那樣高效[308]。空氣動力學性能如此差的原因，應該與翅膀拍打運動的起始和結束位置上氣動力學效率很低有關，因為相對空速在那些點變得非常低，相反，一副旋翼旋轉過程中幾乎可以提供恒定的升力。
撲翼的另一個局限是其固有的技術複雜性。在飛行中撲翼同時提供升力和推力，并且還涉及俯仰、橫滾和偏航控制，這讓自動駕駛裝置極難設計。最後，旋翼沒有從自然系統中生物進化的事實，不會阻礙工程師将旋翼無人機視為垂直起降任務的候選者，車輪、螺旋槳或旋翼雖然高效，但都不是出自自然界進化過程。一些作者指出自然界也不是這樣缺乏想象力，比如楓樹種子或細菌鞭毛的運動，不過楓樹種子隻是一個被動的旋翼滑翔機，從樹上掉落時要靠其較大的升阻比到達遠處，SAMARAI單翼納米飛行器就是受楓樹種子飛行啟發的，它以置于翼梢的微噴流為動力，總重僅10g[463]。
長遠來看，撲翼無人機可能在特定的圖像識别任務中變得非常有用，執行任務需要隐蔽性，而它們模仿鳥或昆蟲以及可從人類視線輕易消失的能力正合适。撲翼無人機還可受益于新材料，如與各種微機電系統（Micro-Electromechanical System, MEMS）相關的電活性聚合物[176]。此外，近來微制造技術的發展也使得複雜的鉸接機構可以做得非常小，現在已可做出像昆蟲那樣的共鳴胸腔[452]。
1.1.3 旋翼無人機
與固定翼無人機的局限性和撲翼無人機的複雜性相比，旋翼無人機吸引了科學團體的海量注意力。據最近公開的資料，目前在法國飛行并由法國民航機構注冊在案的3 000～
4 000架無人機中，約80%是有多個旋翼的旋翼飛行器。旋翼無人機廣受關注的第一個原因是旋翼構型提供了懸停的能力，這對保證清晰的圖像識别至關重要，懸停還是一種很容易起降的方式，無須複雜的程式，比如準備好的跑道或特殊的降落裝置，而且多旋翼很好制造并且非常易于室内飛行。十幾年前幾乎隻能見到四旋翼的多旋翼，但近來多旋翼飛行器已經包括了六旋翼、八旋翼以及各種共軸多旋翼的組合。增加旋翼數量被認為是提高安全性的好方法，因為如果一個電機壞了，其他電機可以立即補償校正。通常不同的旋翼以相同的方位角分布，不過一些設計者也選擇采用與之不同的構型，以便在飛行器前方獲得更好的視野，比如ASTEC公司的“隼8”（Falcon 8），近兩年很受歡迎（如圖1-7所示）。
圖1-7 一架由上升技術公司開發的小型八旋翼無人機（照片版權：Lakeside Labs GmbH）
盡管直升機由主旋翼和反扭矩尾槳組合而成，它們還是要依靠周期變矩旋轉斜盤來進行飛行控制，是以設計一架直升機比設計多旋翼需要更多的經驗和專業知識。當減小旋翼直徑時，雷諾效應開始降低推進效率，對于給定的最大總尺寸，使用一個單旋翼比用許多直徑更小的旋翼更有效，它們覆寫相同的槳盤面積。不過為了消除所産生的扭矩，可以采用與正常直升機一樣的反扭矩尾槳或者在下面加一個反向旋轉的旋翼，這樣的共軸旋翼可實作高度保持以及圍繞垂直軸的控制。便攜式共軸無人機的最新例子是“小妖精”（Sprite），配備雙軸萬向攝像頭的1.2kg共軸無人機（如圖1-8所示），這架旋翼機可以飛行10-12min，折疊槳葉後可用背包輕松裝載。
圖1-8 由上升航空系統公司開發的1.2kg的共軸小型無人機（Ascent AeroSystems提供）
共軸旋翼會損失推進效率，因為下旋翼是被上旋翼産生的螺旋槳滑流吹動而不是被均勻的自由流吹動。相對于兩副孤立的反向旋轉旋翼，總的效率損失通常被認為是30%左右，使用更大的槳盤面積可以彌補這一互相作用帶來的損失。
由于有明顯的旋轉部件，旋翼機可能難以應對障礙物，是以旋翼無人機通常配備有防撞的外部結構以保護旋翼。很明顯這種保護會增加重量，并且如果它們在碰撞期間不能吸收能量，那麼可能無法有效實施保護。發泡聚丙烯（Expanded Polypropylene, EPP）泡沫以及碳棒或橡膠帶可用于提供各種形式的緩沖或“機械保險絲”，舉個“機械保險絲”的例子，即螺旋槳可以使用簡單的O形橡膠圈安裝在電機軸上，這有助于避免螺旋槳和軸在旋翼槳葉和障礙物之間發生碰撞時受損。就一般的無人機設計而言，建議考慮輕量化和柔韌性而不是剛度和重量，一架柔軟的輕型飛行器比一架堅硬而沉重的飛行器更容易從碰撞中恢複過來。
一種提升旋翼飛行器魯棒性的良好設計方式是在旋翼周圍增加一個涵道（編輯注：涵道是指氣體流過的通道）。涵道旋翼比無涵道的旋翼更有效，它們幾乎完全抵消了槳葉葉梢的損失，是以增加了給定槳盤面積的推進效率。此外長涵道會産生額外的升力，這主要得益于擴張型出氣口的設計。通過将适當的進氣口和出氣口設計，與經過優化的、幾乎沒有槳葉葉梢損失的旋翼槳葉相結合，可以獲得具有額外升力和推進效率的罩環，這完全補償了重量的增加。Br2C就是這樣一個例子，罩環效應提供了額外的升力和推進效率，是以飛行器充分利用了保護性外部結構以及完全的重量補償（如圖1-9所示），與“小妖精”共軸無人機相反，Br2C由位于旋翼滑流内的一對襟翼控制。長涵道旋翼飛行器的缺點是因為存在鈍體效應而難以承受強的側風。
圖1-9 由法國航空航天大學開發的一款重500g的涵道共軸旋翼微型無人機（版權為Aéroland公司所有，在Sylviane & Christian Veyssiere的準許下重新制作）
1.1.4 可轉換無人機
多旋翼在戶外多風條件下難以充分發揮作用，是以其成功多少會受此影響。高速前飛受到各種空氣動力學副作用的限制，比如當迎面的自由流相對于旋轉軸顯著傾斜時，旋翼的效率會變差。雖然固定翼無人機無法妥善實作懸停飛行，但旋翼飛行器基本隻能低速前飛，而且通常在快速飛行階段效率很低，是以一些無人機設計旨在結合固定翼和旋翼構型的優點。
這些設計組合稱為可轉換無人機，為結合固定翼和旋翼構型的優點，可以遵循兩種不同的設計政策：一種是從飛機構型開始并對其進行修改以實作垂直飛行；另一種政策是從旋翼飛行器構型開始并對其進行修改以實作水準飛行。第一種政策的例子是由美國Aerovel公司開發的20kg的“柔性旋翼”（Flexrotor）無人機，基本上它由一個翼展3m的普通飛機和一個超大的螺旋槳組成，兩個小的反扭矩螺旋槳位于兩個翼梢（如圖1-10所示）。
“柔性旋翼”屬于傾轉機身無人機或尾坐式無人機家族，這意味着它們可以垂直起降并且能水準巡航飛行，在飛機模式下飛行時翼梢螺旋槳中的折疊槳葉可以限制阻力。該型飛行器由大型螺旋槳提供推進力，在直升機模式下飛行時它也起到主旋翼的作用，是以可以通過改變槳距在飛行階段調節自身：懸停中用小槳距，巡航飛行中用大槳距。
圖1-10 由Aerovel公司開發的一款20kg的可轉換無人機（版權由Aerovel所有，在準許下重新制作）
可轉換雙翼飛機概念是第二種政策的例子，該概念将标準的多旋翼構型與下面添加的一組升力面相組合[215]，設計的關鍵是水準飛行時，整個機身以90°的角度傾轉。在飛機模式下，飛行器表現為雙翼飛翼，具有良好的空氣動力學效率。雖然由于沒有水準尾翼，飛翼可能不是靜穩定的，但沿着機翼放置的電機可用于保持俯仰控制。最近，法國無人機公司Parrot推出了“搖擺”（Swing）—雙翼傾轉機體無人機概念的商業版本，它利用了X翼而不是普通的雙翼機翼（見圖1-11）。
圖1-11 由Parrot公司開發的一架四旋翼小型無人機（圖檔版權：法國航空航天大學）
可轉換構型的其他案例包括傾轉旋翼無人機和傾轉機翼無人機。傾轉旋翼無人機将旋翼安裝在旋轉軸上，允許主機身在從巡航狀态轉換到懸停狀态過程中保持水準。在傾轉機翼無人機上，機翼的一部分位于螺旋槳滑流中，這部分機翼與旋翼是實體連接配接的，使其和旋翼在飛行狀态轉換期間共同旋轉。在這兩種案例中，這種可轉換飛行器都需要額外的傾轉機構，這意味着重量和複雜性的增加。此外，由于存在包括電機在内的可移動部件，整個重心的位置在轉換期間将發生變化，這在開發自動駕駛裝置時增加了一些複雜性。亞琛工業大學[328]開發的AVIGLE給出了傾轉機翼無人機的一個例子，AVIGLE無人機看起來像一架普通飛機，隻是它的機翼可以垂直傾斜而機身保持水準。需要注意的是必須在尾部附近增加一個額外的垂直旋翼，以便在轉換期間保持對俯仰的控制（如圖1-12所示）。
圖1-12 左圖：由亞琛工業大學開發的一架傾轉機翼無人機（經飛行系統動力學研究所準許重新制作）；右圖：由極光飛行科學公司開發的一架傾轉旋翼無人機（經UAVGlobal.com準許重新制作）
極光飛行科學公司開發的“冰鞋”（Skate）是高效傾轉旋翼無人機的一個很好的例子，“冰鞋”采用一個矩形飛翼布局，由安裝在獨立傾轉機構上的一對電機驅動，可以控制滾轉和俯仰，偏航控制由差動節氣門提供，是以不需要諸如襟翼或升降舵這樣其他的可移動部件來控制飛行器。在巡航飛行以及懸停中，由于飛行器在懸停中垂直傾轉，是以旋翼幾乎與翼弦平齊，隻有飛行狀态轉換需要旋翼軸相對于機翼傾轉。不過一些傾斜旋翼構型比如V-22“魚鷹”（譯者注：一種有人駕駛運輸旋翼機）要求機身保持水準。這種傾轉旋翼構型的主要優點在于，不需要修改嵌入式系統、天線和有效載荷的布置，就可以适應懸停時的姿态變化。不過，由于螺旋槳滑流會沖擊機翼的一部分，旋翼傾轉會出現一個下載下傳力。
最後還應該提到兩種在無人機設計領域發揮一定作用的額外構型。第一種構型是滑翔傘，滑翔傘由一個機身和降落傘組成，機身上通常在推進器位置配備一個螺旋槳，而降落傘起到飛翼的作用。這種無人機的一個例子是瑞士飛行機器人公司開發的“漫遊”（Swan）（如圖1-13所示）。滑翔傘無人機的主要優點是能夠非常緩慢地飛行，并以非常緊湊的方式包裝。因為滑翔傘可以在飛機上部署并釋放，是以對于覆寫大面積的搜尋和救援任務來說，它們是優良的候選方案。第二種構型是飛艇，Ride工程公司開發的“天體-P2”（Sphere-P2）項目給出了這種解決方案的例子。由于能夠長時間停留在空中，輕于空氣的無人機具有吸引力，但是它們有兩個主要缺點：①對風非常敏感；②給定飛艇體積後可升空的有效載荷有限。一些飛艇被系留以便保持在一定範圍内對一個地區進行永久監視。在“天體-P2”項目中，設計了共軸旋翼用于提供高度保持，而水準控制則來自可移動的重心。
圖1-13 左圖：瑞士飛行機器人公司開發的一款滑翔傘無人機（圖檔版權：瑞士飛行機器人公司）；右圖：由Ride工程公司開發的一款輕于空氣的無人機（圖檔版權：俄羅斯Ride工程公司）
1.1.5 混合無人機
目前還湧現了不少新型無人機，都是出于非常實際的目的而出現。無論是在森林中還是在城市環境中的地面附近飛行，執行識别任務的無人機難免遇到各類不可預測的障礙：樹木、電線、天線、煙囪、屋頂等。此外，一些識别任務可能要侵入建築物，需要進入非常狹窄的走廊或隧道，在這些任務剖面中是無法避免障礙的，使用正常的地面車輛可能也會受限，因為越過障礙物總是困難且危險的。而且許多情況下在任務執行過程中可能需要讓無人機降落。例如警察執行任務時可能突然需要無人機完全不發生聲響，這意味着要關掉電機，然後無人機就必須着陸或緊貼地面，但仍要能夠在沒有人為幹預的情況下起飛并繼續飛行。混合無人機這種飛行器就旨在結合空中飛行器和地面車輛的能力。
混合無人機的主要思路是不再将障礙視為問題，而是将其作為增添某些新特征的機會。在設計方面，增加一個外部防撞結構例如一組碳棒，雖然重量增加，但也可能帶來一種新的能力，比如在地面上滾動或懸挂在天花闆上。這種混合無人機的第一個例子是MAVion的“滾與飛”（Roll＆Fly），它是一個矩形飛翼，由牽引車位置的兩個反向旋轉螺旋槳驅動，機翼兩側裝有一對自由輪（如圖1-14所示）。由于位于機翼後緣的兩個升降舵處于螺旋槳滑流中，是以飛行器可以垂直飛行遠離障礙物。MAVion也可以作為正常雙發飛翼水準飛行。在這兩種情況下，俯仰和滾轉的控制由升降舵提供，可在整個飛行域内保持高效，偏航控制則由差動油門提供。當撞擊平坦的表面例如地闆、天花闆或牆壁時，車輪不僅保護螺旋槳，而且允許它們與牆壁保持恒定的距離。差動油門可以幫助飛行器在地面上滾動時“行駛”。
圖1-14 左圖：MAvion“滾與飛”，在垂直牆面上滾動（圖檔版權：法國航空航天大學）
右圖：“視景空中”（Vision-Air）“粘與飛”（Stick & Fly），微型無人機緊貼在窗上，電機關閉（圖檔版權：法國航空航天大學）
遵循與地面車輛和空中飛行器結合的思路，這裡有另外兩個有趣的概念，它們都基于外部防撞結構并可以在飛行器周圍自由旋轉的想法。第一個例子是伊利諾伊州理工學院開發的“混合地面和空中四旋翼”（Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor, HyTAQ）項目（如圖1-15左圖所示），在HyTAQ上，為了使地面運動成為可能，在最初的四旋翼飛行器中增加了一個滾籠。在地面運動期間，與空中模式相比，飛行器消耗的能量要少得多，并且可以簡單地通過飛越來輕松應對障礙物。第二個例子是由瑞士洛桑聯邦理工學院開發的“平衡球”（GimBall，如圖1-15右圖所示），在“平衡球”中，飛行器安裝在球體内，球體可以圍繞垂直軸和水準軸自由旋轉，是以飛行器可以穿過非常複雜的環境（例如森林或電線網）而不會被卡住。
前沿技術似乎徹底改變了無人機的标準分類，使它們不能簡化為固定翼、旋翼或撲翼無人機，對無人機概念的概述需要包括新穎的構型，例如可轉換和混合無人機。可轉換和混合無人機的使用對于無人機聯網至關重要，因為它們為執行多任務行動開辟了道路，而這需要協同以及動态任務配置設定。
圖1-15 左圖：裝有滾籠的HyTAQ四旋翼（在伊利諾伊州理工學院Matthew Spenko準許下重新制作）；右圖：擁有雙軸旋轉空間的“平衡球”小型無人機（版權為Alain Herzog所有，在準許下重新制作）
1.2 無人機叢集化和小型化
開發無人機系統（UAS）有很多非常實際的好理由，其中一個是純經濟性的。如果能夠花費更少的資金實作給定的監視或識别任務，它将比輕型飛機等正常系統更具競争優勢。無人機系統在大型無人機和小型無人機之間也是如此，單個飛行器的小尺寸可由大量作為一個編隊操作的小型飛行器補償。
盡管無人機聯網幾乎可以使用任何尺寸的飛行器完成，但它隻對小型或微型無人機才有意義，實際上隻有小型無人機可以在短時間内發射，因為它們隻需要非常有限的後勤活動和很少的操作人員。如果每架無人機需要超過一分鐘的發射時間，那麼為了實作協同飛行而發射數十架無人機是根本不可能的。很可能第一架在空中的無人機任務終止時，最後一架無人機還沒起飛。隻有小型無人機才适合完成大量飛行器的聯網。
操作諸如“全球鷹”（譯者注：機長14.5m，翼展39.9m，高4.7m）之類的大型無人機需要大量的操作人員，而多飛行器監視任務隻能使用小型或微型無人機進行。無人機叢集增加了飛行器的數量，是以基本上就是操作員數量的問題，建構無人機網絡不是需要許多操作員控制多個無人機，而是要讓一群飛行器由單個操作員控制。由單個操作員控制的無人機機隊不僅需要每架飛行器都具有高水準的自主性，還需要新的控制和導航算法來有高效地驅動無人機網絡，這些新算法将在以下章節中進一步詳述。目前重要的是要考慮連續發射數十架飛行器并操縱一群無人機的實際問題，這嚴重依賴于使每架飛行器小型化的能力，最好就是墜毀一架飛行器并不會引發技術和經濟上的重要後果且仍然可以完成任務。是以在進一步深入研究之前，必須仔細研究無人機的小型化可以達到的程度。
1.3 無人機小型化：挑戰與機遇
如果無人機網絡始終依賴于飛行器小型化的能力，那麼小型化本身就意味着會出現一些機遇以及新的設計挑戰。
在機遇方面，無人機小型化需要使視覺和電磁信号變小，對于與防務和安全相關的一些應用場景，小型飛行器會由此在隐蔽性方面具備很大的優勢。小型飛行器也更容易降低噪聲，并且如果通過成熟的僞裝技術使其适當地适應環境，它們将變得幾乎不可察覺。無人機小型化的另一個優點是它們可以被放入高度受限的環境中，例如隧道、倒塌的建築物、通風道、管道、下水道，在如此狹小的空間中，地面車輛比飛行器更容易卡住。而且，小型通常意味着飛行器更便宜，丢失一個100美元的飛行機器人，同時還有數百個正在執行識别任務，這不是一個大問題，而失去一架“捕食者”（譯者注：單價約403萬美元）級别的無人機對操作員的影響則至關重要。最後，在一些應用場景中，将大量協同飛行的飛行器組合在一起，可能是完成複雜和多任務行動的一種非常高效的方式，而單個飛行器則顯然需要做更多的工作。
盡管小型化無人機非常理想，但無人機小型化面臨着重要的設計挑戰和技術瓶頸，例如陣風敏感度、能源、空氣動力學效率，等等。
1.3.1 陣風敏感度
設計小型無人機不能僅僅将正常飛行器構型按比例縮小。這有幾個原因，其中一個與飛行器的陣風敏感度有關。為了說明這種影響，我們考慮一下正常的固定翼飛行器。在水準飛行中，升力方程将飛行器重量和升力以如下等式表達：
這裡根據著名的平方–立方定律，如果L為飛行器的總尺寸，則品質m和機翼表面積S分别以L3和L2變化。倘若CL幾乎保持在統一的數量級，則飛行速度必然會如此變化：
這表明在按比例縮小飛行器時飛行速度需要降低。現在考慮沿俯仰力矩軸的運動方程，我們可以這麼寫：
這裡J表示轉動慣量與L5成比例。是以等式（1.3）簡化為：
這意味着當減小飛行器尺寸時，滾轉加速度将趨于增加。是以與大型飛行器相比，小型飛行器對陣風更敏感。除了由于式（1.2）導緻飛行速度更慢的事實之外，小型飛行器還将遇到大氣擾動，其典型速度與飛行器速度相當。換句話說，駕駛一架小型無人機就像駕駛一架普通飛機穿過風暴。
1.3.2 能量密度
盡管與最好的電池相比汽油的能量密度仍然很高，但是當熱燃燒發動機的尺寸急劇減小時，它們将無法保持高效率。這種現象是因為燃燒室中産生的熱量與L3成正比，而通過燃燒室壁消散的熱通量僅會以L2減少。是以将熱發動機小型化将不可避免地導緻熱力學效率變低，因為在燃燒室内産生的大部分熱量将通過壁快速蒸發。由于腔室停留時間的限制，增加旋轉速度以補償熱損失也不是一個可行的解決方案；較差的壓力密封性以及摩擦力的增加是另外的問題，當尺寸減小時這一點會降低熱燃燒發動機對設計人員的吸引力[381]。是以，小型無人機設計人員隻能選擇電動飛行器，忍受其有限的比能量，對于高品質的锂聚合物電池，其最大值約為20Wh / kg。盡管在燃料電池以及锂聚合物電池的其他新型化學替代品領域取得了較大進展，但能量密度仍然是現階段進一步将無人機小型化的巨大限制。
1.3.3 空氣動力學效率
雷諾效應讓飛行器周圍流場中的黏滞效應變得重要，以如下公式變化：
這表明當飛行器尺寸減小時黏性的重要性顯著增加。當雷諾數較低時，可能發生層流分離，這導緻最大升力能力變差以及即便在低迎角時也會出現高阻力。由于當雷諾數減小時機翼翼型的空氣動力學性能以及螺旋槳葉片的效率急劇下降，是以小型飛行器的空氣動力學效率代表了設計的一個關鍵挑戰，這需要新的空氣動力學方式來産生具有有限阻力的升力。
1.3.4 其他設計挑戰
無人機小型化的困難不僅在于與空氣動力學、推進裝置和飛行控制相關的實體原因，還有其他方面的技術挑戰，其中一個與電磁幹擾相關。事實上，當所有電子元件都封裝在狹小的空間内時，電機産生的電磁場會幹擾磁力計或全球定位系統（global positioning system, GPS）接收器内的信号。此外，無人機小型化的經驗表明電線的重量占到小型無人機總重量的很大一部分，是以需要內建化以減少由于各種元件之間的電氣連接配接而增加的重量。
1.4 無人機網絡及其優勢
無人機網絡可被視為飛行的無線網絡，網絡中的每架無人機本身作為一個可以收發資訊的節點，也可以為發給網絡中其他無人機的資訊提供中繼。網絡可以是自組織（ad hoc）的、沒有任何配套基礎設施，也可以由基于地面和/或基于衛星的通信基礎設施支撐。無人機網絡的拓撲或配置可以采用任何形式，包括網格、星形甚至是直線，它主要取決于應用環境和用例場景。
首先了解為什麼我們需要無人機網絡。單個無人機隻是因其處在更高的高度就具備幾個優勢，其中最重要的是在地面（或空中）發射器與空中（或地面）接收器之間的清晰視線，事實上這就是将用于蜂窩或廣播通信的天線放置在塔上的原因，塔的典型高度為50英尺到200英尺（15.24m～60.96m）。單個無人機節點可以作為位于地面的發射器-接收器對之間的中繼，擴充它們之間的連接配接範圍，如圖1-16所示。當由于地形不平或環境混亂而無法在發射器和接收器之間建立清晰的視線時，由無人機搭建的通信基礎設施為地面基礎設施提供了更好的替代方案。
圖1-16 一架無人機可以作為發射器–接收器對的中繼節點，擴充兩者間的通信範圍
圖1-17顯示了兩架無人機如何協同工作，将資訊從地面上的一個無線電台傳輸到另一個無線電台。多架無人機可以作為中繼節點鍊擴充通信範圍。圖1-18顯示了一組無人機組成了ad hoc（點對點）網絡，作為移動ad hoc網絡或空中移動自組網絡（Mobile Ad hoc Network, MANET）。空中MANET是一種多跳網絡解決方案，用于遠距離傳輸資訊，空中MANET中的每個節點充當一個終端以及承載網絡中資訊的中繼節點或路由器。在一個ad hoc配置中，不需要任何其他基礎設施（例如衛星或中央伺服器）來支撐無人機叢集。
在實際應用中，基于地面和衛星的服務将提高無人機網絡的可靠性和耐久性。 例如，一個全球定位系統（GPS）傳感器有助于估算并交換無人機之間的地理定位資訊。具有基于地面和衛星的通信基礎設施的無人機網絡通常被稱為機載網絡。
圖1-17 兩架無人機協同工作，作為一個簡單的中繼網絡擴充地面通信的覆寫範圍
圖1-18 多架無人機組成一個空中移動ad hoc網絡
1.4.1 機載網絡的獨特特征
由于空中節點的移動速度比地面上的節點快得多，是以空中網絡的拓撲結構是高度動态變化的，圖1-19顯示了機載網絡的示例。極端變化的動态特性需要特定的路由協定和安全的資訊交換，此外，感覺與規避以及态勢感覺政策對于確定節點在飛行期間保持最小安全距離是必要的。
機載網絡是獨特的，并且在許多方面與僅涉及地面車輛的車載網絡顯著不同。為MANET和地面車載網絡設計的經典移動模型和安全政策不适用于機載網絡。機載網絡需要考慮移動模型的獨特特性，例如平滑轉彎以及能夠滿足最小延遲要求的高水準資訊安全保障、認證和完整性驗證政策。
圖1-19 一個真實世界的機載網絡由無人機系統以及基于衛星和地面的通信基礎設施組成
機載網絡是一種賽博實體系統（Cyber Physical System, CPS），其實體和賽博元件之間存在着強烈的互相作用。計算、通信和網絡元件構成系統的賽博元件，而飛行路徑、機動幾何形狀和多模資源（包括基于地面的節點和控制站）構成了CPS的實體元件。機載網絡的根本性挑戰是在其賽博和實體元件之間實作協同互動，如果能成功地探索并利用這種協同作用，将對下一代航空運輸系統極為有利。例如預測鄰近空域内空中飛行器的軌迹（如1 000平方英裡區域），組成具有友好節點的可信網絡，在其拓撲改變時重新配置網絡以及在空中與飛行員之間安全地共享音頻和視訊流資料，這将顯著提升空中飛行器的态勢感覺能力并提高航空運輸系統的安全能力。然而探索賽博和實體次元之間協同作用所需的基本設計原則尚未制定，這就非常需要生成實驗資料集來導出這樣的設計原則。
1.4.2 無人機網絡的移動模型
移動模型為連通性研究、網絡性能評估以及最終可靠路由協定的設計提供了架構。特别地，移動模型捕獲每個網絡代理的随機移動樣式，基于該樣式可以估算與變化的網絡結構相關的大量資訊，例如節點分布以及鍊路和路徑壽命的統計。為了提供準确的預測以促進空中聯網，為機載網絡開發逼真且易處理的移動模型至關重要。在有關文獻中已經廣泛研究了一些移動模型，例如随機方向（Random Direction, RD）和随機路點（Random Waypoint, RWP）。RWP模型假設一個代理選擇随機目的地（航路點）和行駛速度，它抵達後會在前往下一個目的地之前暫停。RD模型的擴充版本假設一個代理在随機選擇的行駛時間之後随機選擇速度和方向。這些通用模型的随機性質（例如它們的空間分布）可以在文獻中找到。廣泛使用的RWP和RD模型非常适合描述MANET中移動使用者的随機活動，但是它們缺乏描述空中飛行器獨特特征的能力，例如移動使用者和地面車輛很容易減速、急轉彎并沿相反方向行駛（參見表達了此類運動的增強型随機移動模型）。空中節點不能進行如此急轉彎或立即反轉行進方向，是以需要開發能夠表達機載網絡的獨特特征的逼真模型。
1.4.3 無人機網絡的發展現狀
無人機聯網和通信是一個新興的研究領域。盡管關于小型無人機的應用有大量文獻，但這項研究的大部分内容僅在理論和仿真方面，學術界和研究機構真正實作的數量有限。下面我們将讨論一些最近實作的無人機網絡及其成果。
1. AUGNet（美國科羅拉多大學，丹佛，2004）
AUGNet是ad hoc無人機-地面網絡的一種實作，由地面上的ad hoc節點和安裝在小型無人機上的ad hoc節點組成[71]，該試驗台說明了AUGNet的兩個用例。第一個用例是一個中繼場景，場景中具有更好的地面節點視角的無人機增強了地面節點的ad hoc網絡的連通性。第二個用例中無人機之間的ad hoc網絡增加了操作範圍并提升了無人機之間的通信。實驗結果表明，無人機支撐的網絡生成較短的路由、具有更好的吞吐量并提升了網絡覆寫範圍邊緣節點的連通性。最近在該試驗台上進行的實驗已經提供了關于不同操作方式下的網絡吞吐量、延遲、範圍和連通性的詳細資料。需要這樣的實驗來了解無人機網絡的性能限制。
2.利用商用現貨元件進行無人機聯網（美國空軍研究實驗室和哈佛大學，2006）
空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）和哈佛大學聯合開展了商用現貨（Commercial Off-The-Shelf, COTS）通信裝置的無人機聯網[198]。基于COTS的低成本且功能強大的通信裝置和無人機平台，該團隊分别使用支援802.11（在2.4GHz和5GHz）和900MHz技術的通信裝置對基于無人機的網絡進行了兩次現場實驗。該實驗是為了比較帶寬和通信範圍以及聯網能力，這些現場實驗收集的實驗資料比當時可用的任何仿真資料都更準确和真實。
3.耐久的機載網絡擴充（美國波音公司和海軍研究實驗室，2009）
“耐久機載網絡擴充”（Robust Airborne Networking Extension, RANGE）研究項目由波音研究與技術部和海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory, NRL）在海軍研究辦公室（Office of Naval Research, ONR）的支援下開展。該團隊開發、測試、評估和示範了無人機與地面站彈性移動網際網路的協定和技術，以擴充監視範圍和戰場空間連通性[124]。現場測試包括一個由11個地面站、一個移動車輛和兩架固定翼無人機組成的802.11地面–無人機網絡，展示了混合空中/地面聯網場景和移動自組織網絡（MANET）能力。
4. UAVNET（德國波昂大學，2012）
UAVNET是使用無人機的移動無線網狀網絡的一個原型實作[303]，每架無人機攜帶輕型無線網狀節點，使用串行接口直接連到無人機的飛行電子裝置，飛行無線網狀節點互相連接配接并通過IEEE 802.11s協定互相通信。每個無線網狀網節點都作為接入點（Access Point, AP）工作，為正常IEEE 802.11g無線裝置提供接入，例如筆記本電腦、智能手機和平闆電腦。通過建立由一個或多個飛行無線網狀節點組成的空中中繼，該原型能夠實作讓兩個通信對等體自主地進行互相連接配接。實驗結果表明，與基于地面的中繼網絡相比，多跳無人機中繼網絡的吞吐量明顯提高。
5.無人機網絡的移動模型（2014）
移動模型抽象了MANET中移動節點的移動樣式，它們通常用于估算不同應用場景中的網絡協定的性能，逼真的移動模型是建立逼真的仿真環境所必需的。在參考文獻[65]中已經提出了無人機的狗仔隊移動模型，該模型是一個随機模型可以基于狀态機模仿狗仔隊無人機的行為，其中五個狀态代表五種可能的無人機移動：停留、航路點、繞八字、掃描和橢圓形。該文獻将該移動模型與熱門的随機路點移動模型進行了比較。最近的一項研究參考文獻[438]提出了平滑轉向移動模型，該模型表達了空中飛行器做出直線軌迹和大半徑平滑轉彎的趨勢。
6. “天巡者”（SkyScanner）（2015）
“天巡者”是一個研究項目，旨在部署一隊固定翼小型無人機用于研究大氣層[6]。這是一個由五個合作夥伴參與的合作項目，包括法國國家科學研究中心（Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS）的系統分析和架構實驗室（Laboratory for Analysis and Archite-cture of Systems, LAAS）、國家計量研究中心（Centre National de Recherches Météorologiques, CNRM）的大氣計量研究組（Groupe d’étude de l’Atmosphère Météorologique, GAME）、法國航空航天大學（ISAE）的空氣動力學、能量學和推進系（Department of Aerodynamics, Energetics and Propulsion, DAEP）、法國航空航天研究中心（Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales, ONERA）的系統控制和飛行動力學部以及國家民航學院（Ecole Nationale de l’Aviation Civile, ENAC）的無人機實驗室。“天巡者”項目的範圍包括大氣科學、小型無人機的空氣動力學、能量收集以及分布式機隊控制。該項目依賴于無人機之間的強有力合作，這些無人機共同建構了大氣參數的3D地圖并決定了對哪些區域進一步繪制。
1.5 總結
本章讨論了無人機的類型和任務能力。它概述了無人機叢集、無人機小型化以及無人機小型化的機遇和設計挑戰；概述了無人機網絡的優勢并介紹了過去幾年展示的幾個無人機聯網項目；簡要讨論了無人機網絡的移動模型。