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加州理工展示四旋翼機(jī)原型 將來可能部署到火星

IEEE電氣電子工程師 ? 來源:IEEE電氣電子工程師學(xué)會 ? 作者:IEEE電氣電子工程師 ? 2020-09-12 11:34 ? 次閱讀
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在去年的IROS大會上,加州理工學(xué)院和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室展示了一個(gè)彈道發(fā)射的四旋翼機(jī)的原型,一旦折疊成一種帶有鰭的足球形狀,無人機(jī)就被塞進(jìn)一個(gè)管子里,然后用壓縮的二氧化碳直直地向上發(fā)射,屆時(shí)它就會自動展開,穩(wěn)定下來,然后飛走。大約半年過去了,樣機(jī)的尺寸和性能都得到了提升,現(xiàn)在它已擁有了6個(gè)轉(zhuǎn)子和完全的自主權(quán),可以(勉強(qiáng))擠進(jìn)6英寸的管子。

去年的原型機(jī)的尺寸為3英寸(7.6厘米),現(xiàn)在已被稱為micro-SQUID,而新版的SQUID是比這個(gè)更強(qiáng)大的6英寸版本。(關(guān)于之前的原型設(shè)計(jì)介紹,可輸入網(wǎng)址進(jìn)行查看:https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-and-jpl-firing-quadrotors-out-of-cannons。)當(dāng)時(shí),在研究人員對初代SQUID進(jìn)行測試時(shí),它不僅能在固定不動的彈筒里快速發(fā)射,在快速行駛的卡車上(50km/小時(shí))發(fā)射也不成問題,而且發(fā)射速度非常快,然后平穩(wěn)飛行。這極大改善了無人機(jī)起飛方式的現(xiàn)狀,幾乎可以在任何地方發(fā)射SQUID??梢韵胂?,它或許可以在顛簸在海浪里的船只上發(fā)射,或者在飛行中的另一個(gè)無人機(jī)上發(fā)射。

micro-SQUID的目的是研究彈道發(fā)射多旋翼的一般空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)原理,而不是開發(fā)能夠執(zhí)行任務(wù)的東西。任務(wù)能力意味著,除其他外,無需依賴GPS的車載自主性,而GPS反過來又要求傳感和計(jì)算的重量和耗電量足以使整個(gè)車輛擴(kuò)大規(guī)模。新的6英寸SQUID進(jìn)行了一些重大更新,包括空氣動力學(xué)重新設(shè)計(jì),通過使用可展開的翅膀改進(jìn)了發(fā)射和彈道飛行期間的被動穩(wěn)定性。自治硬件包括一個(gè)攝像頭(FLIR Chameleon3),測距儀(TeraRanger Evo 60m),IMU /氣壓計(jì)(VectorNav VN-100)和車載計(jì)算機(jī)(NVIDIA Jetson TX2)。

Image: Caltech & NASA JPLTop: SQUID overview. Bottom: SQUID partially inside the launcher tube (a), with its arms and fins fully deployed from a side (b), and top perspective (c).

結(jié)構(gòu)和空氣動力學(xué)的改變是必要的,因?yàn)镾QUID在飛行的第一階段根本就不是真正的飛行,而是在離開發(fā)射架后沿著它所處的彈道飛行。如果它只是直線上升,那也不算太糟,但如果無人機(jī)以一定角度發(fā)射,或者從移動的飛行器上發(fā)射,情況就會變得更加復(fù)雜,需要考慮空氣動力學(xué),以確保無人機(jī)在發(fā)射后沿著彈道運(yùn)動的姿態(tài)穩(wěn)定性。較高的重心(電池位于鼻錐中)對此有幫助,可展開的翅膀起到雙重作用:使無人機(jī)被動地指向氣流中,同時(shí)還充當(dāng)起落架。翅膀具有閂鎖機(jī)制,以使其既可折疊又足夠穩(wěn)定。

SQUID的6英寸尺寸是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。你不僅要把所有的電池和電腦塞進(jìn)這個(gè)空間,還要確保傳感器有他們需要的視野,同時(shí)要記住,在折疊狀態(tài)下,所有的手臂和腿都必須與其他物體共享同一空間。不過,事實(shí)證明,SQUID的優(yōu)化效果非常好,重量只有3.3公斤。

既然管式發(fā)射存在那么多挑戰(zhàn),為什么還要采用這種發(fā)射方式呢?原因如下:

迅速發(fā)射:無需組裝或設(shè)置,不需要尋找平坦的地面,也不用提醒每個(gè)人都退后。只需按下按鈕,SQUID 就能以每秒 12 米的速度發(fā)射出去并進(jìn)入飛行狀態(tài)。

安全發(fā)射:該飛行器發(fā)射時(shí)具備高度安全性,除非有人直接坐在發(fā)射管頂端。

移動發(fā)射:SQUID 可以從時(shí)速高達(dá) 50mph 的移動車輛中發(fā)射,這一點(diǎn)使其能夠應(yīng)用于緊急情況,從而大大提高了其效用。

穿過物體發(fā)射:研究者指出,SQUID 可以在其氣動外形(機(jī)翼或旋翼沒有展開)下,直接穿過樹冠或電線發(fā)射。此前,只有旋翼機(jī)能做到這一點(diǎn)。

我們(作者,以下簡稱我)向研究人員詢問了他們開發(fā)更大版本SQUID的經(jīng)驗(yàn),他們向我們分享了一個(gè)幕后故事,講述了他們?nèi)绾纬晒Φ卦O(shè)置了一些東西,

將其轉(zhuǎn)移到更大版本的SQUID,在技術(shù)上來說是困難的(因?yàn)槲覀儽仨氂幸粋€(gè)全新的設(shè)計(jì)),但測試組織工作是一個(gè)巨大的飛躍。對于我們的小SQUID來說,只要一張網(wǎng)和一些備件就足以讓測試持續(xù)一天。但是當(dāng)我們轉(zhuǎn)移到更大的SQUID時(shí),我們需要把更重的東西“拋”向天空,里面裝載著昂貴的自主電子設(shè)備。 室內(nèi)系繩系統(tǒng)的設(shè)置具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)镃AST arena的高度(42英尺高)意味著沒有cherry-picker,繩索的理想定位點(diǎn)是完全無法到達(dá)的。加州理工大學(xué)的無人機(jī)俱樂部加緊了腳步,在天花板橫梁周圍編織了一條小型四旋翼拖曳釣魚線,幫助建造了系繩系統(tǒng)。然后用釣魚線把更大的繩子拉過去。 其中一件有趣的事情是,SQUID離開發(fā)射管時(shí)的極度加速意味著纜繩變得非常松弛,實(shí)際上有可能被螺旋槳纏住或割斷。幸運(yùn)的是,我們的增量測試活動在問題會發(fā)生之前就意識了這一點(diǎn)。為了應(yīng)對這種松弛的系鏈情況,我們建造了一個(gè)鼻錐,在頂端安裝了一個(gè)5英尺長的碳纖維管,我們稱之為SQUID的劍魚鼻(我們已經(jīng)有了一點(diǎn)水上主題)。一個(gè)拴在SQUID身體上的系鏈穿過管子,連接到更大的鑄鏈系統(tǒng)。我們確認(rèn),在發(fā)射過程中(對于我們給定的發(fā)射參數(shù)),系鏈不會下垂到低于管的位置,因此我們阻止了所有系鏈推進(jìn)器的相互作用。

火箭實(shí)驗(yàn)室的Electron可以向近地軌道(LEO)發(fā)射高達(dá)225千克(496磅)的有效載荷,但它計(jì)劃在不久的將來將其擴(kuò)增至300千克(660磅)。雖然這只是Falcon 9可以攜帶到LEO的50,300磅重量中的一小部分,但Rocket Lab的每次飛行費(fèi)用為500萬美元,而SpaceX的起步費(fèi)用為6,200萬美元。目前,在美國的首次發(fā)射還沒有確定日期。

“彈道發(fā)射多旋翼的設(shè)計(jì)和自主穩(wěn)定”由來自加州理工學(xué)院和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的AmandaBouman、Paul Nadan、Matthew Anderson、Daniel Pastor、Jacob Izraelevitz、Joel Burdick和Brett Kennedy在ICRA 2020大會上發(fā)表,該論文被授予無人機(jī)領(lǐng)域的最佳論文。

原文標(biāo)題:加州理工學(xué)院的加農(nóng)炮式可折疊SQUID無人機(jī)有一天可能部署到火星

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原文標(biāo)題:加州理工學(xué)院的加農(nóng)炮式可折疊SQUID無人機(jī)有一天可能部署到火星

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