從管道中飛出的不一定是炮彈，也可能是無人機

2020-09-06 無人機網

加州理工學院和 NASA噴氣推進實驗室（JPL）開發出彈道發射六旋翼飛行器，不挑起飛坪，穩定發射。相關研究在 ICRA 2020 會議上發表，並被評為無人機方向的最佳論文。

去年在機器人領域頂會 IROS 上，加州理工學院和 NASA 噴氣推進實驗室（JPL）展示了一種彈道發射四旋翼飛行器原型：只需將該無人機摺疊成帶有機翼的橄欖球形狀，並將其塞進管子中，然後用壓縮的二氧化碳直射，無人機就會自動展開，保持穩定並飛行。

這種無人機叫做 SQUID。去年的初代 SQUID 是一種四旋翼飛行器，可以從管道中發射，在空中展開，並過渡到穩定的飛行狀態，而無需固定的起飛坪。

SQUID 初代原型（直徑 3 英寸）在移動車輛上發射的實驗。

時間過去了大約半年，SQUID 初代原型的尺寸和功能都有所精進。目前的 SQUID 版本具備六個旋翼和完全自主性，幾乎可以壓入 6 英寸的管子中。相關研究已在 ICRA 2020 會議上發表，並被評為無人機方向的最佳論文。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1911.10269.pdf

SQUID 的意思是「流線型迅速展開偵查無人機」（Streamlined Quick Unfolding Investigation Drone）。去年的初代 3 英寸 SQUID 已降級為「微型 SQUID」，而新型 SQUID 則是功能更強的 6 英寸版本。

總體而言，管式發射無人機的獨特之處在於，它消除了大多數無人機對起飛條件的要求，即起飛坪固定且在地面上，並且不靠近任何可能會被切成碎片的物體。去年演示的微型 SQUID 是從移動車輛中發射，而 SQUID 的整體思路是能夠「從幾乎任何地方立即發射」。

SQUID 無人機發射過程。從左至右依次為：無人機尚在發射管道內、展開臂部和機翼、完全展開配置。每張圖片上的狀態間隔時間是 82 毫秒。

微型 SQUID 的研發目的是為彈道發射多旋翼飛行器制定通用的空氣動力學和結構原理，而不是開發能夠執行任務的設備。具備執行任務的能力意味著：不依賴GPS的機載自主性，而這要求複雜且耗電的傳感和計算，因此整個機器的規模都要放大。

新版 6 英寸 SQUID 進行了一些重大更新，包括氣動設計，以通過可展開的機翼改進發射和彈道飛行期間的被動穩定性。自主硬體包括攝像頭（FLIRChameleon3）、測距儀（TerARAnger Evo 60m）、IMU/ 氣壓計（VectorNav VN-100）和機載計算機（NVIDIA Jetson TX2）。

新版 SQUID 部件概覽。

結構和氣動方面的改進是完全有必要的，因為 SQUID 第一階段的運行並不是真正的飛行，而是沿著其離開發射器的彈道軌跡運行。如果只是直線上升，那情況還不是太糟糕。但如果無人機以一定的角度或從行駛的車輛中發射，事情就會變得更加複雜。

因此新型 SQUID 提高了重心，可展開的機翼讓無人機被動地指向氣流同時充當起落架，從而起到雙重作用。如果沒有機翼，無人機在離開管道後會開始翻滾，運氣好的話之後或許能夠找回控制。

為了讓機翼既可摺疊又足夠穩定到能讓 SQUID 著陸，開發者設計了一個閉鎖機制，幫助保持機翼的剛性。顯然，當所有組件放在一起時，要想使無人機能夠裝進發射管，我們還需要對臂鉸鏈進行打磨。

圖 (a)：SQUID 部分位於發射管內；圖 (b)：臂部和機翼完全展開時的側視圖，圖 (c)：臂部和機翼完全展開時的俯視圖。

直徑 6 英寸對於 SQUID 是一個更大的挑戰。大多數無人機受功率或質量的約束，而 SQUID 受體積的約束。開發者不僅需要將所有電池和計算機塞進相應的空間，還必須保證傳感器具有所需的視野，同時還要求摺疊狀態下的臂部、腿部和其它部件處在同一空間內。

事實證明，SQUID 的優化工作做得很好，重量為 3.3kg。

既然管式發射存在那麼多挑戰，為什麼還要採用這種發射方式呢？原因如下：

迅速發射：無需組裝或設置，不需要尋找平坦的地面，也不用提醒每個人都退後。只需按下按鈕，SQUID 就能以每秒 12 米的速度發射出去並進入飛行狀態。

安全發射：該飛行器發射時具備高度安全性，除非有人直接坐在發射管頂端。

移動發射：SQUID 可以從時速高達 50mph 的移動車輛中發射，這一點使其能夠應用於緊急情況，從而大大提高了其效用。

穿過物體發射：研究者指出，SQUID 可以在其氣動外形（機翼或旋翼沒有展開）下，直接穿過樹冠或電線發射。此前，只有旋翼機能做到這一點。

SQUID 的長期規劃可能是空中部署，例如在大型飛行器上發射小型無人機。這可能為火星探測器在進入大氣層時部署小型無人機提供了途徑，從而減少對大型著陸器的需求。

參考連結：

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-canon-launched-squid-drone

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-and-jpl-firing-quadrotors-out-of-cannons

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