細數美國隊長3中的無人機黑科技

美國隊長3作為一部諜戰懸疑動作科幻愛情搞基片，讓部分超級英雄迷認識到了這幫人不靠譜的一面，甚至有人開始懷疑超級英雄們的三觀是否正常了，烏有博士今天不去討論三觀，畢竟咱們生活的世界還不太需要超級英雄來維護和平，我們要討論的是那架一出場就讓很多觀眾驚呼「這才是無人機啊」的無人機——紅翼。

或許是因為近年來無人機越來越為公眾所熟悉和接受，漫威電影也將原著中獵鷹的游隼改編成了一架無人機，而且戲份還不少，下面就來分析一下紅翼無人機所具有的高超的黑科技吧。

1、矢量推力

電影中的紅翼可見的發動機噴口則只有一個，但是被發射出去之後能夠進行高、低速飛行，懸停並具有很高的機動性，可以肯定的是紅翼採用了某種矢量推力技術。

我們知道飛行器的飛行滿足牛頓力學原理，因此為了維持飛行，需要有與重力相抵消的力，水平高速飛行時，氣動布局良好的飛行器可以依靠升力抵消重力，但是在速度較低甚至懸停時，就需要使用推力來抵消重力了。在很早之前，想要獲得在空中懸停，只能依靠旋翼拉力，比如直升機，而推力矢量技術出現之後，人們已經能夠實現噴氣式飛機的垂直起降和懸停，例如，X-35的尾噴管就可以向下偏轉90°，配合座艙後面的涵道風扇實現垂直起降。

雖然紅翼沒有一個明顯的涵道風扇，但是完全可以使用導流技術將尾噴管中的高速氣流導流至重心前面來實現力和力矩平衡，或者乾脆採用航天器常用的反作用控制系統實現這個平衡。

推力矢量技術除了能帶來垂直起降功能之外，對機動性的提升也有很大作用，畢竟發動機的推力偏轉造成的力矩，通常都是遠大於氣動舵產生的力矩的（常見的液體火箭都是依靠擺動發動機噴管來獲得控制力矩，因此火箭通常是沒有氣動舵的，畢竟在稀薄大氣中，氣動舵作用也不大）。因此，如果X-35在飛行過程中擺動尾噴管，就可以獲得更大的繞質心轉動力矩，從而獲得更好的機動性。

而另外一種獲得可變方向推力的辦法就是傾轉旋翼，咱們大可以認為這種飛行器就是個並列雙槳直升機，可以像普通直升機一樣完成起降和飛行。

但是這貨居然會變，在完成起飛過程後，它的旋翼能夠向前傾轉，隨著速度的不斷增加，傾轉角度不斷變大，最終變成了一架固定翼飛機。

因此，紅翼靈活的飛行速度和機動性的特性表面上看起來屬於漫威世界的黑科技，但是真實世界中這項技術是比較成熟的。

2、透視

電影中，獵鷹讓紅翼掃描一輛垃圾車，於是垃圾車裡面裝了多少東西，駕駛員還帶著槍，這些情報一覽無餘，因此這種掃描黑科技也是我們非常感興趣的。

可惜很不幸，在個黑科技在真實世界中還沒出現，雖然咱們所使用的X光、CT、核磁共振等技術完全可以發現一輛垃圾車裡面到底裝了些什麼，以及駕駛員是否攜帶武器，但是問題在於普通的透視技術需要射線源和感光設備（X光）或者360度全方位掃描才能實現，電影中，紅翼只是單方向掃描，就像拍照片一樣便完成了高精度的透視，不可不說，這個確實是漫威世界領先的黑科技。

不過別急，所謂的當前技術無法實現還是咱們把思路都轉向了X光、CT、核磁共振這些傳統透視技術，而如果我們把透視所用的電磁波頻率降到無線電頻段時，事情可能會有轉機，近年來，部分研究機構開始研究普通電磁波檢測和透視技術，說不定若干年後，精度一般的單向透視掃描就可以實現。

3、目標探測跟蹤

電影中，紅翼奉命跟蹤並掃描垃圾車，在街上滿是各種車輛行人地攤，期間還有建築物遮擋複雜環境下，牢牢跟上了目標，跟蹤能力不可謂不強，那麼現實世界中的跟蹤技術如何呢？

當前飛機、導彈、無人機檢測目標的方式大致有微波、紅外和可見光幾種。其中微波雷達主要用於在大空域範圍內探測飛機、導彈等富含金屬的目標，當然，在這個波段上，雷達技術和隱身技術這一矛盾體近年來一直打得難解難分；而紅外探測除了針對空中發熱目標以為，同樣能夠發現很多地面上的熱源目標，用的最多的紅外製導導彈就是依靠探測和跟蹤目標發出的紅外線進行制導，紅外波段還能夠實現近距離的TOF測距，即根據紅外線發射並反射回來的時間差計算目標的距離；可見光探測和跟蹤則是依靠可見光波段的光線採集和處理實現。

說回紅翼無人機，從跟蹤垃圾車來看，其至少才有了可見光波段進行目標探測，結合計算機視覺中的各種跟蹤演算法，在當前技術條件下完全可以實現複雜環境甚至是中途有遮擋環境下的特定車輛跟蹤，因此這項黑科技其實並不是那麼的「黑」。

4、避障

電影中的紅翼除了一次主動撞人之外，其他無論是在車來車往的公路上，還是在超級英雄飛來飛去的窩裡斗現場，均沒有撞到過任何東西，其避障技術之可靠可見一斑，可以說，避障技術就是解決了無人機「瞎」的問題，下面就來分析一下當前的無人機避障技術。

一般說來，避開障礙物的第一步必須要知道障礙物在什麼位置，這個位置可以是絕對的地理坐標位置，也可以是以無人機為原點的極坐標位置，而障礙物位置的獲得可以依靠先驗的電子地圖信息，也可以是事實獲得。當前常用的檢測障礙物的方法主要有激光雷達、雙目視覺、紅外雷達、微波雷達、超聲波雷達等，其中激光雷達和微波雷達作用距離長，精度高，並且可以同時獲得障礙物距離和輪廓信息；紅外雷達和雙目視覺作用距離較短，但仍能夠獲得障礙物距離和輪廓信息；而超聲波雷達則除了作用距離短之外，還只能獲得障礙物距離信息。

雖然貌似激光和微波雷達效果最好，但是對於紅翼無人機，特別是對於能夠單向透視的黑科技無人機，究竟採取何種避障檢測方式就不得而知了。

5、路徑規劃

電影中，紅翼無人機跟蹤垃圾車時明顯有抄近道的舉動，這種貌似只有高等動物才會的事情無人機也實現了，這就得益於路徑規劃演算法了。

既然避障技術解決了無人機「瞎」的問題，路徑規劃則是要解決無人機「傻」的問題。在知道自己和目標的位置，並且探測到前方路徑上存在的障礙物之後，就可以開始規劃飛行路徑了。可用於規劃飛行路徑的方法數不勝數，已經是飛行器GNC研究中的一大塊了，例如人工勢場法、最優控制、粒子群演算法等等，具體的方法將在以後的專欄文章中重點展開。這裡要點出的一個就是紅翼在跟蹤車輛時，已經根據車輛的形勢路徑和速度預測了未來一段時間內車輛所在的位置和速度，並且在路徑規劃時就考慮了這個條件，因此才能完成如此流暢的跟蹤。

如此說來，當前技術條件下，實現與紅翼媲美的路徑規劃並不是特別困難，因此這個黑科技也沒有那麼「黑」。

6、人工智慧

電影中的紅翼能精準地理解獵鷹的命令，這個就得益於人工智慧技術中的自然語言理解了，畢竟這是一個可以產生奧創和幻視的漫威世界。

自從上世紀三十年代的圖靈機模型，到五十年代人工智慧正式成為學科，再到八十年代火爆的神經網路，直至最近的深度學習大潮，人工智慧科學發展的過程絕對算得上是跌宕起伏，高潮時幾乎是全民都聽說，低落時很多頂尖科學家都羞於討論。而關於當前的人工智慧技術能否精確理解自然語言，比較業餘但非常簡單的一個測試方法就是找微軟的小冰和小娜聊天，但是不幸的是，雖然在大多數簡單談話中，小娜能夠理解一些指令，小冰表現更好，甚至會有逗逼的傾向，但是只需要給她們稍微下個套，結果就有些難堪了，比如跟小冰說：你如何看待圖靈測試？。當然這個問題本身也很難堪，就像去問一個長相一般的人「你為什麼這麼丑」一樣。

不過在可預見的將來，人工智慧將能夠精確理解自然語言，並且可以讓絕大多數人在與之對話時都意識不到這是人工智慧，這麼說來，紅翼也不過如此。

7、意念控制

這一項純屬猜測，而源頭則是原著中獵鷹能與游隼心靈感應，而且在緊張激烈的窩裡斗過程中，能靈活指揮紅翼飛來飛去並且把對方撞飛，有意念控制的可能性還是存在的。

意念控制是一個讓普通人又好氣又害怕的東西，畢竟這是在讓大腦與機器相連接，鬼知道大腦會不會被反向控制，而且，每個人也都很清楚自己每天腦子裡都會閃現多麼可怕的念頭，這些念頭要是可以控制東西有多可怕。不過大可放心的就是當前的意念控制技術就像人工智慧一樣，還遠達不到危害人類的程度，就像人工智慧也就下棋很厲害一樣，意念控制現在也只能在很簡單的場景下起作用。

隨著人們對大腦研究的不斷深入，用意念靈活控制無人機的未來也許不用等很長時間，當然，那時候的無人機跟現在肯定是完全不不可同日而語了。

8、變結構

電影中的紅翼還可以變化機翼大小，雖然在電影中紅翼的飛行速度還未達到非常高，但是可變結構的機翼應該是為了不同的飛行速度設計的。

固定翼飛機在飛行時主要依靠機翼產生升力，不同的機翼翼型又有不同的升阻力特性，因此一架固定翼型的飛機不可能在高速和低速都能實現很高的升力或升阻比，對於這個問題，人們早都想到設計可變翼型或者結構的飛行器，比如改變後掠角以適用於高低速飛行的可變後掠翼飛行器，改變翼型的可變蒙皮飛行器等，但是由於結構複雜，這些變結構技術都沒有大規模普及。

總結了八個「黑科技」，怎麼，你說這些咱們都能實現的差不多，都不算黑科技？好吧，這麼說也有道理，但是有一項是我們在可預見的幾十年內都不容易實現的，那就是硬度，紅翼可以把超級英雄的金剛不壞之身撞飛，並且自身毫髮無損，這還不算黑科技？好吧，玩笑歸玩笑，事實上，雖然很多技術當前都可以實現一些，但是把這麼多技術綜合到一個翼展半米多的無人機上，難度就不是一個概念了。因此，紅翼最大的黑科技反倒是如何把這麼多黑科技集成到小機身里的系統工程，而這才是無人機技術的核心。