見過四旋翼六旋翼N旋翼無人機(jī)的你，是否見過自旋飛行器的模樣？
展會(huì)？新聞報(bào)道？是的，你應(yīng)該都沒見過。
因?yàn)?，這是幾個(gè)來自北航的學(xué)生剛剛申請(qǐng)專利的新品，目前還屬于科創(chuàng)項(xiàng)目，離真正的“上市”還有一段距離。
該項(xiàng)目簡介如下： 本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)未來無人機(jī)發(fā)展的需求，提出了自旋飛行器的概念及其物理模型與控制系統(tǒng)，并完成了三代樣機(jī)的制作。自旋三旋翼飛行器通過三個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭矩帶動(dòng)機(jī)身朝反方向高速旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)翼產(chǎn)生額外的升力，并獲得更好的機(jī)械穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)上，自旋三旋翼將簡化做到了極致，僅使用三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制；控制上，五自由度飛控系統(tǒng)更加簡潔，降低了對(duì)硬件性能的要求。該款飛行器在滿足同等性能的情況下，全壽命周期成本將大大減低。
已是北京航空航天大學(xué)大三學(xué)生的李澤波是這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，這位來自廣東揭陽的小伙子表示，該飛行器靈感來源于自己大一時(shí)曾制作的一架四旋翼飛行器，因?yàn)闆]有經(jīng)費(fèi)支持，當(dāng)時(shí)選擇了一款很便宜的山寨飛控。結(jié)果悲劇了，便宜飛控就像盜版碟無法保證清晰度一樣，無法對(duì)飛行器的軸向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。“當(dāng)飛行器由于載重分配不均導(dǎo)致四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)差異時(shí)，飛行器就會(huì)不停自轉(zhuǎn)，需要通過手動(dòng)操控來平衡。”當(dāng)時(shí)他就想，如果放任飛機(jī)的自轉(zhuǎn)是否也可行？
“在對(duì)這一問題的思考過程中，我逐漸產(chǎn)生了和周期控制的思想，即不再區(qū)分四個(gè)電機(jī)的區(qū)別，而以它們所處的位置來決定控制的信號(hào)。”這樣一來，原有的自轉(zhuǎn)就成了一種新的“穩(wěn)定性”，進(jìn)一步的，使所有電機(jī)的轉(zhuǎn)向一致，機(jī)身就會(huì)在力矩的作用下快速旋轉(zhuǎn)起來，飛行器也將獲得更高的穩(wěn)定性和對(duì)稱性。
從去年五月份開始，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)真正開始做自旋三旋翼無人機(jī)，“當(dāng)時(shí)也只是想帶學(xué)弟們嘗試下科創(chuàng)，想用一年半的時(shí)間完成一款全新的飛行器的設(shè)計(jì)制作以及飛控的編寫。經(jīng)過一段時(shí)間的論證后，我們逐漸意識(shí)到這個(gè)項(xiàng)目真正的價(jià)值，尤其是在學(xué)院的馮如杯立項(xiàng)取得第一名的好成績后，我們下定決心要把這個(gè)項(xiàng)目做好。”
自旋飛行器能做什么？
自旋飛行器最大的貢獻(xiàn)在于為多旋翼飛行器提供了一種全新的飛行方式，極大豐富了無人機(jī)的應(yīng)用場景，為實(shí)現(xiàn)各類需求、解決各類問題提供了新思路、新方案，其發(fā)展前景十分可期。
自旋三旋翼無人機(jī)的理論價(jià)值在于建立了一套適用于自旋飛行器的全新控制算法。通過建立等效坐標(biāo)系，可用更簡化的方式反映飛行器的飛行狀態(tài)，進(jìn)一步通過受力等效，極大降低了自旋飛行器的受力分析復(fù)雜度。李澤波認(rèn)為，以此為基礎(chǔ)，在自旋三旋翼飛行器上驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了等效理論控制和周期控制思路，為其他各類自旋飛行器的控制算法提供了全新方案和有益借鑒。“相較于傳統(tǒng)多旋翼飛行器，自旋飛行器具有更優(yōu)的升力效率、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和安全性。將適用于自旋飛行器的控制算法與不同的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、功能模塊相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更多領(lǐng)域的需求，也可以為無人機(jī)已經(jīng)發(fā)揮作用的領(lǐng)域提供新的優(yōu)化方案，為無人機(jī)的應(yīng)用帶來了更多可能。”
值得一提的是，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)打造的自旋飛行器，無論飛行方式還是飛控算法均為行業(yè)首創(chuàng)。目前在飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)和控制思路還有較大的完善和發(fā)展空間。不過，李澤波相信，隨著該技術(shù)的不斷迭代發(fā)展，自旋飛行器將以其全新的飛行方式、巧妙的控制算法和流暢的外形設(shè)計(jì)在無人機(jī)領(lǐng)域獲得更多的關(guān)注，創(chuàng)造出更大的價(jià)值。
他并不否認(rèn)目前該項(xiàng)目還不成熟，畢竟從立項(xiàng)到現(xiàn)在也才一年多時(shí)間，從最開始的可行性論證、自旋飛行原理，飛行器設(shè)計(jì)、到理論模型設(shè)計(jì)、飛控代碼的編寫都沒有先例可循，工作量過于龐大，也不敢保證每一步都做得完美。到哪后續(xù)會(huì)繼續(xù)完善。
“我們做這款飛行器不是為了去完成什么現(xiàn)有飛行器做不了的工作，而只是為了追求飛行器性能的突破。”李澤波說，尤其是在低成本高效率方面，未來的很多領(lǐng)域可以替代現(xiàn)有的飛行器。“采用我們?nèi)鷻C(jī)加裝旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的方案，已經(jīng)可以兼容現(xiàn)有多旋翼飛行器的所有功能。”未來，在諸如軍用的靶機(jī)、預(yù)警機(jī)、轟炸機(jī)、電子干擾一體機(jī)、NRBC監(jiān)測，民用的農(nóng)業(yè)植保、航模競技、通信中繼、氣象環(huán)保等領(lǐng)域，都將會(huì)有很大的應(yīng)用前景。（該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行招新，如有興趣請(qǐng)聯(lián)系13021118966，微信同號(hào)。）
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