小舟、魔王机器之心报道

从管道中飞出的不一定是炮弹,也可能是无人机

加州理工学院和 NASA 喷气推进实验室(JPL)开发出弹道发射六旋翼飞行器,不挑起飞坪,稳定发射。相关研究在 ICRA 2020 会议上发表,并被评为无人机方向的最佳论文。

去年在机器人领域顶会 IROS 上,加州理工学院和 NASA 喷气推进实验室(JPL)展示了一种弹道发射四旋翼飞行器原型:只需将该无人机折叠成带有机翼的橄榄球形状,并将其塞进管子中,然后用压缩的二氧化碳直射,无人机就会自动展开,保持稳定并飞行。


这种无人机叫做 SQUID。去年的初代 SQUID 是一种四旋翼飞行器,可以从管道中发射,在空中展开,并过渡到稳定的飞行状态,而无需固定的起飞坪。

SQUID 初代原型(直径 3 英寸)在移动车辆上发射的实验。

时间过去了大约半年,SQUID 初代原型的尺寸和功能都有所精进。目前的 SQUID 版本具备六个旋翼和完全自主性,几乎可以压入 6 英寸的管子中。相关研究已在 ICRA 2020 会议上发表,并被评为无人机方向的最佳论文。

论文地址:https://arxiv.org/pdf/1911.10269.pdf

SQUID 的意思是「流线型迅速展开侦查无人机」(Streamlined Quick Unfolding Investigation Drone)。去年的初代 3 英寸 SQUID 已降级为「微型 SQUID」,而新型 SQUID 则是功能更强的 6 英寸版本。

总体而言,管式发射无人机的独特之处在于,它消除了大多数无人机对起飞条件的要求,即起飞坪固定且在地面上,并且不靠近任何可能会被切成碎片的物体。去年演示的微型 SQUID 是从移动车辆中发射,而 SQUID 的整体思路是能够「从几乎任何地方立即发射」。

SQUID 无人机发射过程。从左至右依次为:无人机尚在发射管道内、展开臂部和机翼、完全展开配置。每张图片上的状态间隔时间是 82 毫秒。

微型 SQUID 的研发目的是为弹道发射多旋翼飞行器制定通用的空气动力学和结构原理,而不是开发能够执行任务的设备。具备执行任务的能力意味着:不依赖 GPS 的机载自主性,而这要求复杂且耗电的传感和计算,因此整个机器的规模都要放大。

新版 6 英寸 SQUID 进行了一些重大更新,包括气动设计,以通过可展开的机翼改进发射和弹道飞行期间的被动稳定性。自主硬件包括摄像头(FLIR Chameleon3)、测距仪(TeraRanger Evo 60m)、IMU / 气压计(VectorNav VN-100)和机载计算机(NVIDIA Jetson TX2)。

新版 SQUID 部件概览。

结构和气动方面的改进是完全有必要的,因为 SQUID 第一阶段的运行并不是真正的飞行,而是沿着其离开发射器的弹道轨迹运行。如果只是直线上升,那情况还不是太糟糕。但如果无人机以一定的角度或从行驶的车辆中发射,事情就会变得更加复杂。

因此新型 SQUID 提高了重心,可展开的机翼让无人机被动地指向气流同时充当起落架,从而起到双重作用。如果没有机翼,无人机在离开管道后会开始翻滚,运气好的话之后或许能够找回控制。

为了让机翼既可折叠又足够稳定到能让 SQUID 着陆,开发者设计了一个闭锁机制,帮助保持机翼的刚性。显然,当所有组件放在一起时,要想使无人机能够装进发射管,我们还需要对臂铰链进行打磨。

图 (a):SQUID 部分位于发射管内;图 (b):臂部和机翼完全展开时的侧视图,图 (c):臂部和机翼完全展开时的俯视图。

直径 6 英寸对于 SQUID 是一个更大的挑战。大多数无人机受功率或质量的约束,而 SQUID 受体积的约束。开发者不仅需要将所有电池和计算机塞进相应的空间,还必须保证传感器具有所需的视野,同时还要求折叠状态下的臂部、腿部和其它部件处在同一空间内。

事实证明,SQUID 的优化工作做得很好,重量为 3.3kg。

既然管式发射存在那么多挑战,为什么还要采用这种发射方式呢?原因如下:

  • 迅速发射:无需组装或设置,不需要寻找平坦的地面,也不用提醒每个人都退后。只需按下按钮,SQUID 就能以每秒 12 米的速度发射出去并进入飞行状态。

  • 安全发射:该飞行器发射时具备高度安全性,除非有人直接坐在发射管顶端。

  • 移动发射:SQUID 可以从时速高达 50mph 的移动车辆中发射,这一点使其能够应用于紧急情况,从而大大提高了其效用。

  • 穿过物体发射:研究者指出,SQUID 可以在其气动外形(机翼或旋翼没有展开)下,直接穿过树冠或电线发射。此前,只有旋翼机能做到这一点。


SQUID 的长期规划可能是空中部署,例如在大型飞行器上发射小型无人机。这可能为火星探测器在进入大气层时部署小型无人机提供了途径,从而减少对大型着陆器的需求。

参考链接:
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-canon-launched-squid-drone
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-and-jpl-firing-quadrotors-out-of-cannons
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无人机(Uncrewed vehicle、Unmanned vehicle、Drone)或称无人载具是一种无搭载人员的载具。通常使用遥控、导引或自动驾驶来控制。可在科学研究、军事、休闲娱乐用途上使用。

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