從管道中飛出的無人機，對無人機發展有何推動意義

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 UnfoldingInvestigation 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。

那麼就目前傳感技術的發展及在無人機中起到的作用如何？我們來看一下：

傳感器作為無人機的重要組成部分，承擔了無人機系統對於環境信息以及自身狀態採集的重擔。大部分的導航算法都離不開對傳感器原理的深入了解。

例如，針對不同的傳感器應該選擇使用何種數字濾波器?狀態估計算法的觀測方程與運動方程如何設計?估計算法的噪聲如何選擇等等。諸如此類問題的解決，都需要對所採用的傳感器本身，或者說對傳感器模型有著深入的了解。下面我們就來盤點一下無人機上都有哪些傳感技術應用。

1、加速度計

加速度計用於確定位置和無人機的飛行姿態。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置，這些小的MEMS傳感器在維持飛行控制中起到關鍵的作用。MEMS加速度傳感器有多種方式感知運動姿態，一種類型的技術能夠感知微型集成電路的微小運動。這類「跳水板」的運動改變了結構中電流的移動，從而指示與重力有關的位移變化。

另一種加速度計的技術為熱對流技術，具有幾個明顯的優勢。它沒有移動部件，而是通過一個「熱氣團」的位移來感知的運動變化。這類傳感器靈敏度較高，在穩定車載攝像機、電影製作等應用起著至關重要的作用。通過控制上下運動和防振功能，製片人就能夠非常順利的捕獲畫面。此外，由於這些傳感器較其他產品有更好的抗震性，熱對流MEMS傳感器在無人機螺旋槳運動的抗震性有著完美的表現。

2、慣性測量單元

慣性測量單元結合GPS是維持方向和飛行路徑的關鍵。隨著無人機智能化的發展，方向和路徑控制是重要的空中交通管理規則。慣性測量單元採用的多軸磁傳感器，在本質上都是精準度極高的小型指南針，通過感知方向將數據傳輸至中央處理器，從而指示方向和速度。

3、傾角傳感器

傾角傳感器，集成了陀螺儀和加速度計為飛行控制系統提供保持水平飛行的數據。這是在易碎品運輸和投遞過程中最重要的穩定性監測應用程式。這類傳感器和陀螺儀，結合加速度計，能夠測量到細微的運動變化，使得傾角傳感器能夠應用於移動程序，如汽車或無人駕駛飛機的陀螺儀補償。

4、電流傳感器

在無人機，電能的消耗和使用非常重要，尤其是在電池供電的情況下。電流傳感器可用於監測和優化電能消耗，確保無人機內部電池充電和電機故障檢測系統的安全。電流傳感器工作通過測量電流(雙向),理想的情況下提供電氣隔離，以減少電能損耗和消除電擊損壞用戶系統的機會。同時，具有快速的響應時間和高精度的傳感器可以優化無人駕駛飛機電池的壽命和性能。

5、磁傳感器

在無人機，電子羅盤提供關鍵性的慣性導航和方向定位系統的信息。基於各向異性磁阻(AMR)技術的傳感器，較其他傳感器相比有明顯的地功耗優勢，同時具有高精度、響應時間短等特點，非常適用於無人機的應用。

6、發動機進氣流量傳感器

流量傳感器可以用於有效地監測電力無人機燃氣發動機的微小空氣流速。這一功能能夠幫助引擎CPU確定在特定的引擎速度下保持適當的燃料空氣比值，從而改善功率和效率，並減少排放量。許多氣體發動機質量流量傳感器都採用熱式技術，主要利用加熱的元件和至少一個溫度傳感器來量化質量流量。MEMS熱式氣體質量流量傳感器也在微計量範圍內利用熱原理及其適用於對重量要求較高的領域。

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（FLIR Chameleon3）、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。

隨著無人機應用的廣泛性，我國對於無人機的研究也日益加深，有些企業更是針對無人機自主飛行，集群編隊等方面開發了專業的無機人研究平臺，助力我國無人機事業發展。已經開發好的無人機平臺可用於無人系統的動態建模和控制研究、運動規劃、避障控制、多信息融合、編隊控制、多智能體協調控制、無人系統自主控制等方面。

還可兼容多種定位系統涵蓋目前主流的室內外定位方式。可提供光學定位系統、UWB定位系統、雷射定位系統、GPS、RTK等多種定位平臺，定位系統覆蓋面積可根據客戶要求定製。

室內無人控制平臺可提供多種無人機，還可以根據需求集成光流、雷射定高，差分GPS等傳感器，實現在室內和室外的精確定位，導航和控制；為了便於客戶的進一步開發，提供了無人控制平臺相關的二次開發接口。

平臺接口豐富、開放性強，用戶不需要掌握太多的底層編程技術即可完成算法的修改和驗證。支持C、C++、Python、ROS、Matlab/Simulink等多種編程環境，提供完善的二次開發接口。

支持多種集群通信系統（如：WIFI、數傳、等多種集群通訊方式）

可提供無人機編隊飛圓形、空間8字、空間螺旋，隊形變換，從跟隨、空地協同等無人機編隊例程。這些例程完全開源。多種視頻教程由淺入深地為用戶講解實驗的原理、步驟、目標等，並附有相應的配套例程代碼，方便用戶快速掌握、理解。

平臺開放性高，接口豐富。可以很方便地進行二次開發。還可根據用戶的實際需求定製整個系統平臺，並提供相應的技術支撐和詳細的例程和說明書指導。滿足用戶的個性化和差異化需求，使平臺更加契合用戶的使用特點和習慣，提升體驗感和交互率，減少用戶熟悉平臺的時間成本，大大提高用戶的開發效率和體驗。研發平臺可以配套無人系統仿真研發平臺。

研發平臺所有的例程都可以在仿真平臺中模擬仿真。可以軟體在環仿真，硬體在環仿真，實現仿真和實物開發有機結合。可以在實測之前通過仿真測試驗證算法的可靠性和有效性，然後無縫切換到本集群研發平臺。大大提高研發效率。

隨著無人機科技的不斷發展，近年來，不管是軍用領域還是民用領域，無人機都展現出超高的發展速度。在軍事領域，無人機使現代戰爭發生了重大變革，在民用領域，也催生了龐大的產業鏈，是社會經濟發展的新動力，給人類生活帶來極大便利。