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无人机能“自主”飞行吗?

已有 970 次阅读 2021-3-30 20:17 |个人分类:无人机|系统分类:科普集锦

无人机自主行吗?

Can UAV fly "autonomously"?

都世民

2021-03-16环球网有一文:超材料?比尔·盖茨支持的公司造袖珍雷达,让无人机自主避开其它飞机”。https://uav.huanqiu.com/article/42KUBWfZinx)这篇文章的标题,让我联想到人工智能的问题,人工智能研究人员一直想让飞行器“自主”飞行,也就是让机器有认知,有思维,本来这是不可能的事。然而无人机有雷达导航,就像导弹一样,应该属于主动导引;如果没有雷达导航,应称为被动导引。而标题的前面有“超材料”,是“超材料”无人机自主避开到底是什么因素导致无人机自主避开呢?

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https://uav.huanqiu.com/article/42KUBWfZinx

2021-03-16贤集网也刊袖珍雷达将让无人机可以自动躲避空域内其他飞行物。(https://www.xianjichina.com/special/detail_476802.htm文中指出,美国国家航空航天局(NASA)最近的测试表明,Echodyne制造的袖珍雷达让AiRanger无人机可以在拥挤的空域自由飞翔。这架无人机自主飞行了14.5英里(约23公里)的航线。这篇文章强调的是无人机使用Echodyne袖珍雷达”,自行探测和躲避其它飞行物。但文中也提到超材料
Echodyne公司拥有使用多种超材料(metamaterials)的许可证,这是人造材料,用于控制和操纵一系列物理现象,包括反射电磁辐射。使用超材料让Echodyne制造出比传统雷达小得多、耗电低得多、更便宜的雷达。这是体积、重量、功率、性价比优化的的雷达。这款雷达的价格不到3万美元
从两篇文章来看,这无人机自主飞行,到底靠什么?是超材料还是袖珍雷达?如果是两者都有它们之间是什么关系?这两篇文章并没有说清楚

什么是袖珍雷达(Miniature Radar)

·目前袖珍雷达没有明确的定义,笔者通过相关查询,认为袖珍雷达是一种袖珍式、便携式雷达。过去的雷达有固定式,有移动式,可以车载、船载、弹载、星载。但没有便携式。随着现代武器的更新,单兵式装备要求战士在单独行动时,能观察到周围的敌情,是需要配备一个便携式的雷达装备,能像笔记本电脑那样。

· 据报道,美国国防高级研究计划局(DARPA)研制成一种简易的装置,它能穿透30cm厚混凝土墙,感知墙后面15m内的空间有无人和物体是否移动?它称为“Radar Scope”新型袖珍装置每台售价仅为1000美元。电话听筒大小,重量为680克。

https://baike.baidu.com/item/袖珍雷达/3053499?fr=aladdin

· 目前我军装备的战场侦察雷达,已经日趋模块化,轻量化。现在的战场侦察雷达一般分为近距离便携式(《空天猎》中穿墙雷达为例)与中近距离车载式(《士兵突击》中阵地雷达为例)。近距离侦查雷达通常可由12位战士携带

 

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https://c.m.163.com/news/a/E4HBI8Q405159C5N.html)(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1621532417658075358&wfr=spider&for=pc

· 世界上多个国家已经对此进行了深入研究,对单个士兵的穿戴、头盔、武器都进行了相关研发,提出了各种各样的研发计划。对不同兵种的单兵作战和防护系统,综合加以考虑。
实际上这些单兵技术系统包括信息采集、处理、传输,还包括作战系统。单兵携带的电脑、集瞄准具、步话机和发射天线于一体的头盔,各种传感器和点面火力结合的新式武器等。新式武器融合了夜视镜、全天候激光瞄准器和热成像仪。新式武器带有拐弯射击系统,有小型高分辨率摄像机和监视器,能帮助士兵在拐弯处实时观察到墙后的目标。单兵装备移植到无人机上,用作导航设备,让无人机自动躲避空域内其他飞行物,这就不奇怪了。

性能超越的氮化镓技术

是什么超材料促成了袖珍雷达袖珍雷达的实现,不会是单一的材料和技术,氮化镓技术是其中的一个主要方面

1〕氮化镓是一种无机物,是氮和镓的化合物,氮化镓GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃GaN具有高的电离度

2GaNSiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料

氮化镓被誉为最新一代的半导体材料,发展和应用的潜力巨大。氮化镓比硅禁带宽度3倍,击穿场强高10倍,饱和电子迁移速度3倍,热导率高2倍。这些性能提升带来的一些优势氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件,同时体积更小功率密度更大。可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高GaN降低成本方面显示出了更强的潜力。GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。

https://baike.baidu.com/item/氮化镓/1650059?fr=aladdin

https://www.sohu.com/a/289994320_100011118

3氮化镓(GaN)应用领域

· 光电领域:包括我们现在常见的LED以及激光雷达和VCSEL传感器;

· 功率领域:快充头、变频器等常见功率器件;

· 射频领域:包括5G基站、雷达、低轨卫星等。其中蓝宝石氮化镓只能用来做LED;硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频;碳化硅氮化镓可以制造高功率LED、功率器件和高功率射频芯片。

·氮化镓 (GaN) FET 系列具有集成的栅极驱动器,可提供高效的 GaN 解决方案、使寿命、可靠性以及成本有优势。GaN 晶体管的开关速度可能比硅 MOSFET 快得多,因此可以实现更低的开关损耗GaN 的高速开关特性正在改变当今电源系统的现状,使得超薄电源、电机驱动集成机器人等市场趋势得以形成,

不难看出,氮化镓技术是袖珍雷达得以实现的一个重要方面,它可以做成平面器件、耗电低、体积小、性价比高,诸多性能超越的器件

另外,有一种人造双负(负介电常数和负折射率)电磁材料,是平面结构,有波长的缩短,这种材料尺寸也就缩小,而且是平面结构,有些超越的特殊性能,不详述。

平面天线

雷达必须有天线,用它来发射和接收电磁波,雷达天线通常都是设置在外边,不可以设置在系统内部。手机有没有天线呢?手机是数字移动通讯设备,也必须有天线。手机是便携式的,它是属于平面型,如果没有平面天线,就像早先的大哥大,是拉杆式天线,如今的手机都看不见天线,其实天线都在机壳内,是属于平面天线,在专业领域称作为微带天线,如今可以实现宽带,这也是笔记本电脑、袖珍雷达得以实现的基本前提。

袖珍雷达天线型式尚未见报道,如果想探测距离远,波束就要窄,搜索目标就困难,如果天线波束扫描,采用相控阵技术,想实现袖珍化很困难。美国联邦政府曾花了近10亿美元试图缩小相控阵雷达,但是失败了。

雷达的技术参数

目前尚未见到袖珍雷达的技术参数的全貌,它主要涉及工作频段、频率范围、带宽、测量精度、雷达作用距离、发射功率、电池电压及寿命、工作极化、外形尺寸、工作温度等。

2006-11-10 ,华夏经纬网刊文:“美国开发出世界上最小的雷达 可背在士兵身上”。文中指岀,成功开发出世界上最小的合成孔径雷达SAR能安装在几乎所有飞行平台上采用纳米微分子技术制造自重一下子缩减到0.4公斤左右,重量是目前美军“食肉者”无人侦察/战斗机所用雷达的 1/40,体积仅有后者的1%。图像分辨率高达0.1雷达探测距离15公里。可作为各类无人机的侦察系统、精确制导武器

http://www.huaxia.com/thjq/jsxw/gj/2006/11/1550

雷达技术参数相互之间是相互制约的,在设计上是需要均衡。工作波段使用的波长越短,实现袖珍化越容易,釆用的频段与已有诸多器件是否配套也有关,特别是雷达的射频部分的设计难度,往往限制了研发进度。

应当指出的是,袖珍雷达用到无人机上,使无人机不再用遥控,这样可以防止无人机被劫持。如果无人机可以低空飞行,沿海面飞行,也可以垂直升降,这几个因素结合起来,就可以避开雷达的盲区,再加上袖珍雷达的导引,这种无人机可以攻击航母上的雷达,也就是打掉航母的眼睛,这为击沉航母提供有利条件。

总之,袖珍雷达的实用化,尚未普及,仍然在研发之中,是值得关注的新技术,不单纯是微形化问题

 




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