陈本美 - 为无人机添上潜水衣｜博文通识

2024-05-03 12:54

说起无人机，几乎无人不知。从航拍、表演、物流递送都不难发现「机」影。

让我想起2003年在新加坡国立大学带领团队，研发无人机系统和无人系统技术，当年市面还没有无人机发售，我们只好找来类近的遥控直升机，大幅改装来做测试。

想不到才3、4年的光景，随着电池、惯性传感器、通讯晶片等产业链迅速成熟，研发成本下降，各类大小无人机涌现市场。现在入门版的无人机售价不过是300、400元而已，不难负担，再加上具有高机动性及飞行不受限的优势，无人机的应用更是无远弗届。

只需在无人机加上摄录机、机械爪等相应器材，配以特定的系统程式，便可以执行各种任务，如地理测绘、野生动物监测、灾害抢救及管理。

控制无人机最重要的技术是定位，在GPS协助下，它能肆意翱翔天际。可是，GPS不能穿透水，要在水下世界潜水行，靠的是声纳定位。于是我就想到向难度挑战，研发入海能潜的两栖无人机。

从飞天小乌龟到同济飞鱼

要是能突破水的樊篱，无人机的功能亦可大大扩展，例如监测跨海桥桥椿状况、船身及船底、探测水下环境，即使在下雨天也能进行搜救和监测，以及许多潜在商业用途。

从2016年起，我便投入研究水空两栖无人机。2年后加入中大，更觅得同济大学上海自主智能无人系统科学中心为合作夥伴，我和该中心的陈杰院士领导由2校组成的研究团队，继续研究。

由于水下的能见度有限、水流多变，以及缺乏现成的参考特徵，种种因素导致要在水下环境中进行精确、可靠的定位更困难。如果要做到准确知道无人机于水下的位置及方向，我们首要是开发先进的传感器套件和演算法。

此外，更要克服一些具有挑战性的技术障碍，硬件设计是其一。为了确保它能在水空两个环境中无缝切换地运作，我们在设计时侧重优化其硬件设计，包括简化了无人机的结构及减低重量，保证它在水空介质中都能顺畅运行。其二，是确保机件防水。经过精心的工程设计，我们终开发出一部坚固、适应性强，能够承受水空跨域航行的无人机。

研究团队感到莫名兴奋，参与的研究生还昵称它为「飞天小乌龟」，既贴切又可爱。其后，我们命名它为「同济飞鱼」，「同济」不止是同济大学的意思，实指同舟共济，合力完成；至于「飞鱼」，也不用多解释吧。

我们去年2月初发布「同济飞鱼」原型机，它重1.63公斤，航行时毋须人手操作，与一般的无人机飞行速度相若，即每秒飞数米；在水中的最高速度则为每秒2米，最深可去到水底3米。在充满电的情况下，可在空中飞行6分钟，在水中游弋40分钟。

就像普通无人机般，「同济飞鱼」在空中飞行时，有4个螺旋桨朝上，以助于保持飞行。当降落在水面上时，它的4个螺旋桨反转，面朝下将无人机拖入水，而每个螺旋桨都装有特殊的变速箱推进装置，可以用2种速度独立旋转，让无人机可以轻松地在水中畅游。当飞回水面时，它能自行甩掉机身的水。

「同济飞鱼」目前处于试验阶段，在操控系统上，我们会进一步提高自主性，最终目标是实现全自动设计，使它完全不需要人手监察或干预亦可独立运行。

机身设计亦要完善，使其能够运用于各个领域。需要改善的地方包括加大机身尺寸、添加额外的传感器和有效载荷选项，以提高其数据收集和分析能力，期望可尽快推出市场。

监管法规落后

不得不提的是，尽管无人机技术发展一日千里，但相关法规却未能跟上，飞行的领域、高度、时间，以至个人私隐、对财物及市民损害、保险赔偿……都必须通盘考量和制订。

汽车面世之初，英国1865年通过一部交通法案，规定一辆汽车要3人开，其中1人必须步行在车子前举着红旗，为汽车开道，车子不能超过红旗，速度不能够超过每小时4英里，相当于人类慢跑的速度。也因为这个被后人讥笑为《红旗法案》，耽搁了英国汽车工业发展整整30年。希望无人机的发展不会重蹈覆辙。

文：香港中文大学机械及自动化工程学系教授陈本美

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文章刊于《星岛日报》2024年5月3日教育版专栏「知识转移」。

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监管法规落后

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