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?新聞報道?是的,你應(yīng)該都沒見過。
因為,這是幾個來自北航的學(xué)生剛剛申請專利的新品,目前還屬于科創(chuàng)項目,離真正的“上市”還有一段距離。
該項目簡介如下: 本項目瞄準(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旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭矩帶動機(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,僅使用三個電機(jī)實現(xiàn)對飛行器的控制;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)生的李澤波是這個項目的負(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曾制作的一架四旋翼飛行器,因為沒有經(jīng)費(fèi)支持,當(dāng)時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)致四個電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)差異時,飛行器就會不停自轉(zhuǎn),需要通過手動操控來平衡。”當(dāng)時他就想,如果放任飛機(jī)的自轉(zhuǎn)是否也可行?
“在對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)分四個電機(jī)的區(qū)別,而以它們所處的位置來決定控制的信號。”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)定性和對稱性。
從去年五月份開始,項目團(tuán)隊真正開始做自旋三旋翼無人機(jī),“當(dāng)時也只是想帶學(xué)弟們嘗試下科創(chuàng),想用一年半的時間完成一款全新的飛行器的設(shè)計制作以及飛控的編寫。經(jīng)過一段時間的論證后,我們逐漸意識到這個項目真正的價值,尤其是在學(xué)院的馮如杯立項取得第一名的好成績后,我們下定決心要把這個項目做好。”
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證并實現(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設(shè)計、功能模塊相結(jié)合,可以實現(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,該項目團(tuán)隊打造的自旋飛行器,無論飛行方式還是飛控算法均為行業(yè)首創(chuàng)。目前在飛行器氣動設(shè)計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)計在無人機(jī)領(lǐng)域獲得更多的關(guān)注,創(chuàng)造出更大的價值。
他并不否認(rèn)目前該項目還不成熟,畢竟從立項到現(xiàn)在也才一年多時間,從最開始的可行性論證、自旋飛行原理,飛行器設(shè)計、到理論模型設(shè)計、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,都將會有很大的應(yīng)用前景。(該項目團(tuán)隊正在進(jìn)行招新,如有興趣請聯(lián)系13021118966,微信同號。)