加州理工展示四旋翼機(jī)原型 將來(lái)可能部署到火星

在去年的IROS大會(huì)上，加州理工學(xué)院和美國(guó)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(wú)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(huì)自動(dòng)展開(kāi)，穩(wěn)定下來(lái)，然后飛走。大約半年過(guò)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(chēng)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(duì)初代SQUID進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它不僅能在固定不動(dòng)的彈筒里快速發(fā)射，在快速行駛的卡車(chē)上（50km/小時(shí)）發(fā)射也不成問(wèn)題，而且發(fā)射速度非?？欤缓笃椒€(wěn)飛行。這極大改善了無(wú)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(wú)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(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)原理，而不是開(kāi)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(wú)需依賴GPS的車(chē)載自主性，而GPS反過(guò)來(lái)又要求傳感和計(jì)算的重量和耗電量足以使整個(gè)車(chē)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(dòng)力學(xué)重新設(shè)計(jì)，通過(guò)使用可展開(kāi)的翅膀改進(jìn)了發(fā)射和彈道飛行期間的被動(dòng)穩(wěn)定性。自治硬件包括一個(gè)攝像頭（FLIR Chameleon3），測(cè)距儀（TeraRanger Evo 60m），IMU /氣壓計(jì)（VectorNav VN-100）和車(chē)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(dòng)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(kāi)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(wú)人機(jī)以一定角度發(fā)射，或者從移動(dòng)的飛行器上發(fā)射，情況就會(huì)變得更加復(fù)雜，需要考慮空氣動(dòng)力學(xué)，以確保無(wú)人機(jī)在發(fā)射后沿著彈道運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)穩(wěn)定性。較高的重心（電池位于鼻錐中）對(duì)此有幫助，可展開(kāi)的翅膀起到雙重作用：使無(wú)人機(jī)被動(dòng)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(guò)，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(wú)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(dòng)發(fā)射：SQUID 可以從時(shí)速高達(dá) 50mph 的移動(dòng)車(chē)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(guò)物體發(fā)射：研究者指出，SQUID 可以在其氣動(dòng)外形（機(jī)翼或旋翼沒(méi)有展開(kāi)）下，直接穿過(guò)樹(shù)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(jiǎn)稱(chēng)我）向研究人員詢問(wèn)了他們開(kāi)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(lái)說(shuō)是困難的（因?yàn)槲覀儽仨氂幸粋€(gè)全新的設(shè)計(jì)），但測(cè)試組織工作是一個(gè)巨大的飛躍。對(duì)于我們的小SQUID來(lái)說(shuō)，只要一張網(wǎng)和一些備件就足以讓測(cè)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(méi)有cherry-picker，繩索的理想定位點(diǎn)是完全無(wú)法到達(dá)的。加州理工大學(xué)的無(wú)人機(jī)俱樂(lè)部加緊了腳步，在天花板橫梁周?chē)幙椓艘粭l小型四旋翼拖曳釣魚(yú)線，幫助建造了系繩系統(tǒng)。然后用釣魚(yú)線把更大的繩子拉過(guò)去。 其中一件有趣的事情是，SQUID離開(kāi)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(cè)試活動(dòng)在問(wèn)題會(huì)發(fā)生之前就意識(shí)了這一點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)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(zhǎng)的碳纖維管，我們稱(chēng)之為SQUID的劍魚(yú)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(guò)管子，連接到更大的鑄鏈系統(tǒng)。我們確認(rèn)，在發(fā)射過(guò)程中（對(duì)于我們給定的發(fā)射參數(shù)），系鏈不會(huì)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(lái)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(wàn)美元，而SpaceX的起步費(fèi)用為6,200萬(wàn)美元。目前，在美國(guó)的首次發(fā)射還沒(méi)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(lái)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(huì)上發(fā)表，該論文被授予無(wú)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(wú)人機(jī)有一天可能部署到火星

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