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牛津大学开展仿游隼反无人机技术研究
2018-01-25
【据《航空周刊》2018年1月11日报道】20世纪,融合了对火箭和计算机的热爱,研究人员在导弹制导概念上进行了复杂的计算。设计师很快就得出了一个制导律,在该制导律下,导弹速度向量的转动角速度与攻击者和目标之间的视线的转动角速率成正比,这种制导方法称被称为比例导引法。
抛开比例导引法,导弹研发者曾制定了一个古老的寻的模式,即像游隼一样在飞行中捕获空中的猎物。目前,牛津大学的研究人员在美国空军研究实验室(AFRL)的资助下开展研究,他们对游隼攻击方式有了新的理解,并认为这可能有助于建立更好的反无人机防御系统。
这项研究对游隼的攻击过程进行了详细的数学建模,重点关注目标飞行路线与游隼拦截过程之间的关系。这是一种非常有效的狩猎策略,即使是形似游隼那样的无人机,也足以使鸟类离开其原飞行路线。
前期有关鸟类导航方式的研究,着眼于鸟类的飞行过程,绘制鸟类从飞行路线中掉头向后的方向变化图。这对于了解鸽子等非攻击性鸟类在城市中飞行导航行为是有效的,但是要想模拟肉食鸟类如何捕获空中猎物,模拟过程需要更加灵活生动。
该研究的合作者之一,数学生物学家格雷厄姆•泰勒(Graham Taylor)说:“为了测试鸟类如何遵循比例导航定律,需要激发较大的动力。”
为此,研究人员将装载小型GPS和相机的背包固定到鸟身上,然后让它们追逐无人机诱饵。GPS能用来绘制飞行路径,但不能捕捉准确的撞击瞬间,因此研究人员将飞行数据与视频进行了匹配,以准确判断游隼捕获目标的时间。
游隼研究的前身是牛津大学动物学系开展的前期研究工作,该工作同样由AFRL资助,研究鹰的飞行和栖息,重点在翅膀变形。
泰勒说:“对于各物种如何利用视觉来完成栖息和其他视觉导航行为,我们开展了更多的思考和研究。在任何情况下,都需要一个目标导向行为,由此就知道这个动物正在做什么,没有比追踪和捕捉目标更明确的行为。”
未来的工作将包括观察猎鹰的狩猎活动,目标是活的动物而不再是诱饵,这样能验证演示结果和实际情况是否相符。这项工作需要在试验现场记录猎鹰的活动,包括它们抓捕食物时展现出来的侵略性。在道德伦理上,研究人员让猎鹰直接抓捕活着的动物是不被允许的。
研究人员从不同的角度来解决这个问题,它们将前往新墨西哥州观察老鹰攻击蝙蝠的过程。
泰勒说:“我们基本上建立了一个游隼攻击目标的飞行模拟器。使用已经收集到的数据完成了建模。研究目标是弄清楚为什么一只鸟能突然进入这种难以置信的极端机动状态,从高空冲下来,达到极高的速度,最后又能突然刹住。这个问题没有显而易见的答案,所以一直在深入研究。”
泰勒和他的同事们试图了解鸟类是如何做到的,研究猎鹰抓捕猎物的逻辑在反无人机领域很有意义。虽然可以训练鸟类去攻击无人机,但这样做对于鸟类来说是危险的。警方曾部署训练有素的老鹰对付无人机,可是一年后它们放弃了这一行动。
然而,让机器去执行这一行动,则不会受到这样的物理限制。游隼有能力对付一系列飞行的敌人,并且具有高机动性、灵活抓捕和高速俯冲等特点。
半个世纪以前,研究人员寻找一种将导弹引向目标的方法,偶然发现建立的数学模型能够准确地描述猎鹰捕猎的过程。泰勒说:“我们使用的比例导航算法非常接近于最优化——即便仍然不是绝对最优的。这也是在发明半个世纪之后它还被用于导弹制导的原因。真正令人惊讶的是它是完美地模拟了猎鹰的轨迹。”(航空工业发展研究中心 宋刚)

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