中國(guó)研究驗(yàn)證高性能竹制無人機(jī)搭配新型控制軟件

一支中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)推出了據(jù)稱首款為竹制框架無人機(jī)設(shè)計(jì)的開源飛行控制系統(tǒng)。

針對(duì)可持續(xù)無人機(jī)設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期存在的工程難題，西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院的研究人員開發(fā)出一套系統(tǒng)，彌補(bǔ)了非常規(guī)材料與高性能自主控制之間的差距。他們的工作重點(diǎn)在于讓竹制框架無人機(jī)能夠在不犧牲穩(wěn)定性或精度的情況下可靠運(yùn)行。與傳統(tǒng)復(fù)合材料制造的機(jī)身不同，竹結(jié)構(gòu)在受力時(shí)表現(xiàn)迥異，會(huì)產(chǎn)生通常在 8–20 赫茲范圍內(nèi)的低頻振動(dòng)，而傳統(tǒng)飛行控制器在設(shè)計(jì)上無法濾除或補(bǔ)償此類振動(dòng)。這一不匹配問題長(zhǎng)期以來限制了竹材在先進(jìn)無人機(jī)應(yīng)用中作為結(jié)構(gòu)材料的可行性。

專為處理低頻振動(dòng)而設(shè)計(jì)的軟件

研究團(tuán)隊(duì)在 2 月 28 日發(fā)表于《黑龍江科學(xué)》的論文中指出，現(xiàn)有的商用飛行控制器長(zhǎng)期以來對(duì)竹制無人機(jī)構(gòu)成限制。據(jù)報(bào)道，許多控制器要么閉源且僵化，要么開源但不適合本地開發(fā)，從而阻礙了環(huán)保無人機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

為克服這些挑戰(zhàn)，研究人員專門設(shè)計(jì)了一款以工業(yè)級(jí)芯片為核心的飛行控制板，并集成了雙慣性測(cè)量單元系統(tǒng)。至關(guān)重要的是，他們還重新設(shè)計(jì)了控制算法，以適應(yīng)竹子獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，從而在低頻振動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)、更可靠的自主飛行。通過對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行精細(xì)調(diào)校，并利用竹材天然的減振特性，該系統(tǒng)將控制延遲從 15–20 毫秒大幅降低至僅 8–10 毫秒，在保持飛行穩(wěn)定的同時(shí)提高了響應(yīng)速度。

該項(xiàng)目的高級(jí)工程師田偉解釋說，通過將飛行控制軟件和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置全部開源，用戶無需重寫核心控制算法即可針對(duì)不同的竹制機(jī)身進(jìn)行系統(tǒng)適配，從而使該技術(shù)具有高度的靈活性，適用于多種可持續(xù)無人機(jī)設(shè)計(jì)。

推動(dòng)環(huán)保無人機(jī)的應(yīng)用

研究人員表示，通過將硬件和軟件統(tǒng)一設(shè)計(jì)，他們的方法大幅降低了二次開發(fā)的門檻，有望加速環(huán)保無人機(jī)在工業(yè)和教學(xué)應(yīng)用中的普及。該飛行控制軟件采用模塊化的發(fā)布-訂閱框架，支持并行數(shù)據(jù)處理，并使系統(tǒng)擴(kuò)展變得簡(jiǎn)單直接。它還完全兼容主流電子元件和 MAVLink 通信協(xié)議，確保與現(xiàn)有無人機(jī)平臺(tái)無縫互通，便于開發(fā)者將竹制框架無人機(jī)集成到當(dāng)前工作流程中。

除了軟件層面的開源，該系統(tǒng)在軟硬件集成方面也實(shí)現(xiàn)了透明化。用戶可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)配置文件來適配不同的竹制機(jī)身設(shè)計(jì)，而無需改動(dòng)核心控制算法，從而讓先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)更加觸手可及。田偉團(tuán)隊(duì)指出，該系統(tǒng)填補(bǔ)了可持續(xù)機(jī)身材料與自主飛行控制之間的關(guān)鍵空白，其潛在應(yīng)用涵蓋環(huán)境監(jiān)測(cè)、林業(yè)巡查及科學(xué)教育等多個(gè)領(lǐng)域。通過簡(jiǎn)化適配流程并降低技術(shù)門檻，該平臺(tái)有望在科研和工業(yè)領(lǐng)域拓寬環(huán)保無人機(jī)的應(yīng)用范圍。

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