滑翔算法让无人机可以在风中飞行数小时

无人驾驶的 SBXC 滑翔机用弹射器发射到空中，大约三分钟后会再次缓慢滑翔降落。但是，当滑翔机配备软件来寻找从地面升起的暖气流（即热气流）时，它就可以乘着热气流向上飞行，并将飞行时间延长到创纪录的五小时。

该软件名为 ALOFT，即“热气流自动定位器”，由海军研究实验室的丹·爱德华兹博士及其同事开发。去年 10 月，该团队在马里兰州菲利普斯陆军机场使用该软件进行了 20 多次测试和试飞。这些飞行总共持续了 30 多个小时，证明了使用算法更新热气流数据可以帮助无人滑翔机飞行时间比以前更长。

许多鸟类甚至昆虫都利用热气流。鹰和秃鹫利用热气流飞到高空而不必扇动翅膀，然后滑翔寻找猎物，直到找到下一个热气流。滑翔机飞行员利用热气流延长飞行时间，而现在 ALOFT 为无人机提供了同样的功能。

“自动滑翔的最大挑战是将滑翔飞行员使用的技能融入自动驾驶仪可以遵循的算法中，”爱德华兹说。“我们花了很多时间观察自动滑翔算法的工作情况，但它的表现并不那么合理，我们只能回到电脑前调整程序。”

ALOFT 使用飞机内置的传感器来测量空速和高度压力，以及 GPS 和惯性导航，来“感知”飞机何时从热气流中获得升力。然后，ALOFT 操控无人机以紧密的循环方式飞行，以使飞机保持在上升的气流柱内。

五个小时似乎很长，仅靠暖空气就能保持飞行状态，但时间远不止于此。最近的一项研究发现，军舰鸟可以连续飞行几个月，不断乘着热气流飞行，而不会降落到水面上。如果无人机要做到这一点，它们需要更好地定位热气流。

最初的系统依赖于偶然遇到热气流。热气流往往反复出现在同一地点，通常是柏油路面或裸露的岩石上，这些地方比周围的地形更能吸收阳光。因此，研究人员为 ALOFT 提供了之前发现热气流的地点的记忆。

“一周初，飞机漫无目的地四处游荡，寻找热气流，”爱德华兹说。“到周末，飞机会在频繁出现的热点之间移动，几乎立刻就能找到良好的升力。这真是太令人兴奋了。”

该团队目前正在与实验室的蒙特利海洋气象部合作开发路线优化算法，以便无人机可以绘制利用可能的热量的路线。

该团队在宾夕法尼亚州立大学飞行器智能与自主实验室的帮助下研究了另一种方法，即让两架翱翔的无人机协同工作。一旦其中一架无人机发现热气流，就会向另一架发出信号。这与翱翔的鸟类的行为相符，它们经常飞过来共享热气流。爱德华兹发现，当 ALOFT 翱翔时，鸟类也会加入进来。

爱德华兹说：“看到白头鹰飞来，与你的机器人在同一个热气流中翱翔，真让人感到爱国。”

随着无人机数量的增加，合作方式将变得更加有效。

第三种方法是给无人机配备激光雷达等传感器，使其能够探测远处的热能。这需要额外的硬件，而基本的 ALOFT 可以轻松添加到几乎任何带有自动驾驶仪的无人机上。

基本的传感器也可能有帮助：研究人员发现，军舰鸟会寻找积云，这是上升气流将潮湿空气向上携带的确切信号，而滑翔机飞行员可能会寻找被热气流带上天空的草或昆虫。

飞行算法可以改进现有的小型无人机，用于执行测绘或勘测等任务。在热气流中暂停以爬升可能意味着无人机需要更长的时间才能到达指定目的地，但会大大延长任务时间。

“ALOFT 可以编入几乎任何自动驾驶仪中，”Edwards 说道。“我们已经将 ALOFT 改装到三种不同的飞机上，并且成功让这三种飞机实现了飞行。”

爱德华兹表示，下一个项目是将飞行软件与太阳能和氢燃料电池结合起来，打造一艘具有极强续航能力的混合动力飞行器。

“海军研究实验室的 Ion Tiger 飞机之前曾使用氢气飞行了 48 小时，”Edwards 说道。“增加自动滑翔和太阳能系统后，预计续航时间将增加一倍，而且只需对飞机进行微小的改动。”

ALOFT 正在进行重新设计，以便在 NRL 的“太阳能滑翔”计划中采用新硬件飞行，太阳能和滑翔相结合的飞行器预计将于 10 月份试飞。

太阳能飞行可以轻易推动长航时太阳能无人机的发展，例如谷歌和 Facebook 正在开发的用于替代卫星的无人机，为偏远地区或服务不足的地区提供通信。太阳能加飞行无人机可能会环游世界。

“未来的某一天，我可以想象一架无人机仅靠太阳能和风能就能飞越海洋，”爱德华兹说。