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炮射无人机一秒发射!加州理工和NASA合作开发,未来可飞向火星!

2020-09-06 14:57 性质:转载 作者:机器人大讲堂 来源: 百家号
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该团队去年开发的初代SQUID得尺寸为 3英寸(7.6厘米)的四旋翼无人机,并且需要手动发射。而今年的SQUID升级为功能更强大的6英寸版本,旋翼增加为六个,并实现了完全的自主权,从发射到稳定的整个过程都不需要人为输入。新的6英寸SQUID进行了一些重大更新,包括空气动力学重新设计,通过使用可展开的翅膀改进了发射和弹道飞行期间的被动稳定性。自治硬件包括一个摄像头FLIR Chameleon3),测距仪(TeraRanger Evo 60m),IMU /气压计(VectorNav VN-100)和车载计算机(NVIDIA Jetson TX2)。

SQUID从管道发射出来后的飞行包括两个主要阶段:被动稳定和主动稳定。

在第一阶段中,SQUID并不是自主飞行,而是跟随其离开发射器时的弹道。如果只是在固定不动的条件下发射并直线上升,这并不复杂;但是如果无人机以一定角度或从行驶中的车辆发射,就需要考虑空气动力学,以确保无人机在发射后沿着弹道运动的姿态稳定性。较高的重心(电池位于鼻锥中)对此有帮助,可展开的翅膀起到双重作用:使无人机被动地指向气流中,同时还充当起落架。翅膀具有闩锁机制,以使其既可折叠又足够稳定。

一旦无人机的翅膀完全展开,就会在轨迹的最高点之前开始主动稳定,进入第二阶段。无人机的主动稳定是基于视觉跟踪,利用开源的鲁棒视觉惯性里程表(ROVIO),这是一个扩展的卡尔曼滤波器,可同时跟踪3D标志和图像补丁特征。由于ROVIO将图像强度信息与内部数据紧密集成以生成距离估算值,因此ROVIO能够在粗糙,低质感的环境(例如人行道,水和其他行星的表面)中运行。

在开始视觉跟踪时,无人机的俯仰和偏移速率必须接近零,以确保相机捕获低运动模糊的帧。其次,垂直速度必须接近零,因此多旋翼和地面之间的距离保持恒定,并且可以使用测距仪测量很好地确定初始特征深度。最后,横向速度必须很小以最小化运动模糊。当无人机达到这几点要求后,无人机的姿势估计值会被输入到飞行控制器状态估计滤波器中,以与惯性测量单元(IMU)融合。SQUID具有完整的机载状态估计,可以自主控制高度和横向位置。

以下几个步骤可以总结SQUID无人机的弹射与自主飞行:

弹射并被动稳定

姿态控制以保持俯仰和偏移为零

控制以保持垂直速度为零

初始化视觉惯性里程表(ROVIO),并开始视觉跟踪。此时SQUID可以进行自主机载状态估计,并控制自身高度和横向位置来达到研究人员希望的飞行轨迹。

总结与展望

目前,加州理工大学和NASA团队已经实现在地面上(包括固定位置和快速行驶的卡车)部署和发射SQUID。未来,他们考虑将SQUID应用于外空行星探测工作中,可以在空中部署SQUID,例如从大型飞机上发射小型SQUID无人机。这为在火星的航天器上部署小型无人机提供一种途径,从而有可能减少对大型着陆器的需求。实际上,在飞行棋进入大气的过程中,机壳将着陆器运送到行星表面以平衡自身,这是很常见的,方法是放下一堆(例如150公斤)重量来调整迎角。这些重量完全是没用的钨块,但是如果可以放一些可在空中部署的无人机,则可以在不增加额外质量或不增加现有任务风险的情况下,做更多的科学工作。

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