加州理工展示四旋翼機原型 將來可能部署到火星

在去年的IROS大會上，加州理工學院和美國宇航局噴氣推進實驗室展示了一個彈道發(fā)射的四旋翼機的原型，一旦折疊成一種帶有鰭的足球形狀，無人機就被塞進一個管子里，然后用壓縮的二氧化碳直直地向上發(fā)射，屆時它就會自動展開，穩(wěn)定下來，然后飛走。大約半年過去了，樣機的尺寸和性能都得到了提升，現(xiàn)在它已擁有了6個轉(zhuǎn)子和完全的自主權(quán)，可以（勉強）擠進6英寸的管子。

去年的原型機的尺寸為3英寸（7.6厘米），現(xiàn)在已被稱為micro-SQUID，而新版的SQUID是比這個更強大的6英寸版本。（關(guān)于之前的原型設(shè)計介紹，可輸入網(wǎng)址進行查看：https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-and-jpl-firing-quadrotors-out-of-cannons。）當時，在研究人員對初代SQUID進行測試時，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）發(fā)射也不成問題，而且發(fā)射速度非?？?，然后平穩(wěn)飛行。這極大改善了無人機起飛方式的現(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無人機上發(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算的重量和耗電量足以使整個車輛擴大規(guī)模。新的6英寸SQUID進行了一些重大更新，包括空氣動力學重新設(shè)計，通過使用可展開的翅膀改進了發(fā)射和彈道飛行期間的被動穩(wěn)定性。自治硬件包括一個攝像頭（FLIR Chameleon3），測距儀（TeraRanger Evo 60m），IMU /氣壓計（VectorNav VN-100）和車載計算機（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)和空氣動力學的改變是必要的，因為SQUID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雜，需要考慮空氣動力學，以確保無人機在發(fā)射后沿著彈道運動的姿態(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：使無人機被動地指向氣流中，同時還充當起落架。翅膀具有閂鎖機制，以使其既可折疊又足夠穩(wěn)定。

SQUID的6英寸尺寸是一個真正的挑戰(zhàn)。你不僅要把所有的電池和電腦塞進這個空間，還要確保傳感器有他們需要的視野，同時要記住，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)射出去并進入飛行狀態(tài)。

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

移動發(fā)射：SQUID 可以從時速高達 50mph 的移動車輛中發(fā)射，這一點使其能夠應(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，只有旋翼機能做到這一點。

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，他們向我們分享了一個幕后故事，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（因為我們必須有一個全新的設(shè)計），但測試組織工作是一個巨大的飛躍。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。但是當我們轉(zhuǎn)移到更大的SQUID時，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，因為CAST arena的高度（42英尺高）意味著沒有cherry-picker，繩索的理想定位點是完全無法到達的。加州理工大學的無人機俱樂部加緊了腳步，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)射管時的極度加速意味著纜繩變得非常松弛，實際上有可能被螺旋槳纏住或割斷。幸運的是，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。為了應(yīng)對這種松弛的系鏈情況，我們建造了一個鼻錐，在頂端安裝了一個5英尺長的碳纖維管，我們稱之為SQUID的劍魚鼻（我們已經(jīng)有了一點水上主題）。一個拴在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，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器的相互作用。

火箭實驗室的Electron可以向近地軌道(LEO)發(fā)射高達225千克(496磅)的有效載荷，但它計劃在不久的將來將其擴增至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的每次飛行費用為500萬美元，而SpaceX的起步費用為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)計和自主穩(wěn)定”由來自加州理工學院和噴氣推進實驗室的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領(lǐng)域的最佳論文。

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

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