自主導(dǎo)航+無人機(jī)=效率王炸！香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)：一種具有擴(kuò)展傳感器視野的自旋轉(zhuǎn)單驅(qū)動(dòng)無人機(jī)，且可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能

原創(chuàng) | 文BFT機(jī)器人

無論考古學(xué)者的勘探需求，在自然災(zāi)害下需要緊急出動(dòng)的搜救任務(wù)，建筑工作的實(shí)地測(cè)繪，亦或是考察地質(zhì)深入洞穴，都離不開一個(gè)好幫手——無人機(jī)。

雖說無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)部分情況下的自定位、環(huán)境映射和避障能力，但是這些能力通常都基于無人機(jī)機(jī)載視覺傳感器提供的環(huán)境觀察，而這些傳感器的小視場 (FoV) 嚴(yán)重限制了無人機(jī)的感知能力和任務(wù)效率。

換言之，要傳感器，就要犧牲效率。那么有沒有能夠兩全其美的辦法呢？

來自香港大學(xué)的機(jī)械工程系團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種具有擴(kuò)展傳感器視野的自旋轉(zhuǎn)單驅(qū)動(dòng)無人機(jī)PILASR，相關(guān)研究論文《A self-rotating, single-actuated UAV with extended sensor field of view for autonomous navigation》已發(fā)表至《Science Robot》。

現(xiàn)階段，大多數(shù)在無人機(jī)上擴(kuò)展傳感器FoV的方法分為兩種，一是使用具有較大FoV的傳感器，例如魚眼相機(jī)、折反射相機(jī)和 360° LiDAR；二是在無人機(jī)上搭載多個(gè)傳感器。然而這兩種方式均會(huì)造成無人機(jī)鏡頭出現(xiàn)明顯畸變，增加額外的傳感器成本和系統(tǒng)處理時(shí)間，以及飛行期間功耗增加等問題。

除此之外，自主導(dǎo)航能力對(duì)于無人機(jī)在洞穴、城市峽谷和茂密森林等未知和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 無法使用的環(huán)境中執(zhí)行自主飛行至關(guān)重要。然而，由于自旋轉(zhuǎn)無人機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)模糊和快速的 FoV 變化對(duì)常見的基于視覺的導(dǎo)航提出了巨大挑戰(zhàn)。

機(jī)械設(shè)計(jì)

為了解決上述無人機(jī)在設(shè)計(jì)、控制和導(dǎo)航方面的問題，利用驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)人員提出了一種具有擴(kuò)展傳感器 FoV 的自主、單驅(qū)動(dòng)、自旋轉(zhuǎn)無人機(jī)——PULSAR。

如上圖所示，PULSAR主要由3個(gè)模塊組成：頂部的飛行控制模塊（即螺旋槳、電機(jī)和飛控），中間的3D LiDAR傳感器和機(jī)載計(jì)算機(jī)，底部的電池底盤和起落架。

這種模塊化設(shè)計(jì)使無人機(jī)易于維護(hù)和重新配置。PULSAR的每個(gè)模塊的支撐結(jié)構(gòu)均采用尼龍材料 3D 打印而成，結(jié)構(gòu)緊湊而堅(jiān)固。同時(shí)，研究人員還使用了四個(gè)反扭矩葉片來提供空氣阻力來補(bǔ)償電機(jī)反扭矩，從而將車身旋轉(zhuǎn)速率限制在 2.7 赫茲左右。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在野外實(shí)際飛行考察實(shí)驗(yàn)中，PILSAR的性能表現(xiàn)十分出色。

研究人員將其功耗與兩個(gè)攜帶相同航空電子有效載荷（即配套計(jì)算機(jī)和 LiDAR 傳感器）的基準(zhǔn)四旋翼飛行器進(jìn)行了比較：一個(gè)四旋翼具有 7.5 英寸螺旋槳，導(dǎo)致總磁盤面積與 PULSAR 相同；另一個(gè)有 8 英寸螺旋槳，導(dǎo)致磁盤面積比 PULSAR 多 16.8%。

結(jié)果表明，PULSAR 的總功耗比 7.5 英寸螺旋槳四旋翼（具有相似的螺旋槳盤面積）低 26.7%，比 8 英寸螺旋槳低 17.3%四旋翼飛行器（具有更大的螺旋槳盤面積）。PULSAR 的整體效率分別比 7.5 英寸和 8 英寸螺旋槳四旋翼飛行器高 17.5% 和 4.1%。

在室內(nèi)環(huán)境軌跡跟蹤考察實(shí)驗(yàn)中，PILSAR的表現(xiàn)同樣出色。

為了評(píng)估動(dòng)態(tài)飛行條件下的功率效率和機(jī)動(dòng)性，研究人員在室內(nèi)環(huán)境中對(duì) PULSAR 和內(nèi)置四旋翼進(jìn)行了軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)，命令其展示“8”字形路徑。從結(jié)果上而言，PULSAR 靈敏地跟蹤了這些 3D 軌跡，比四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)了稍大但可以接受的跟蹤誤差。

此外，通過其他實(shí)驗(yàn)，還驗(yàn)證了PULSAR能夠敏捷地實(shí)現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)等具有難度的飛行動(dòng)作，即使是在外部陣風(fēng)等惡劣環(huán)境干擾的情況下，也能穩(wěn)定懸停。

自主導(dǎo)航

為了更好地展示PULSAR的完全自主導(dǎo)航能力，研究人員將其丟入了植被茂密的環(huán)境中進(jìn)行航路點(diǎn)導(dǎo)航測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果，無論是在白天或者是夜晚下，PULSAR 在未知的、無法使用 GNSS 的環(huán)境中均具有強(qiáng)大的導(dǎo)航能力。

應(yīng)用場景

PULSAR 的高能效、自主導(dǎo)航能力和擴(kuò)展的傳感器 FoV 使其非常適合探索任務(wù)，例如環(huán)境測(cè)量、搜索和救援、救災(zāi)、地形測(cè)繪和自動(dòng) 3D 重建。

這些任務(wù)中的環(huán)境通常是未知的，實(shí)際情況往往無法使用 GNSS（例如，樹冠、洞穴、隧道和災(zāi)后建筑物），并且涉及靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)對(duì)象（例如，鳥類和動(dòng)物）。PULSAR 可以在這些真實(shí)環(huán)境中安全運(yùn)行，并在白天和黑夜快速獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，為決策提供及時(shí)可靠的反饋。

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