「炮射無人機」！加州理工和NASA合作開發，未來可飛向火星

2020-09-06 機器人大講堂

我們常見的無人機，可能是這樣起飛的。


看起來簡單，實際上，把它們送上天的過程還真有點麻煩。即便是操作最簡單的四旋翼無人機，比如大疆的「御」或者Parrot的Ananfi，其過程都是相當費勁的：首先至少得找到一個沒有任何碎石頭或碎玻璃等雜物垃圾的平坦地點，然後打開無人機工具箱，對無人機進行檢查、啟動、校準等一系列操作，再退開數丈遠，找到一個安全的地方，然後才能使它起飛。其次，還要避開周圍的障礙物或者無辜的小蜻蜓或者小蝴蝶，這可相當考驗操縱者的技術。

為了改善這種麻煩的無人機起飛方式，加州理工學院和NASA（美國國家航空航天局）的噴氣推進實驗室開發了一種炮彈發射式的可摺疊自主六旋翼無人機，它的名字叫做SQUID，可譯為魷魚或烏賊，但其實它的全稱是：Streamlined QuickUnfolding Investigation Drone——流線型快速展開探測無人機。

它在摺疊時確實挺像魷魚的。

SQUID的是這樣起飛的：

太快了沒看清？來個慢速版

SQUID由液態CO2罐提供的壓力從一根短短的管道中彈射出去。加州理工大學和NASA的聯合測試團隊管這個管道叫「加農炮」，他們甚至給這種發射方式起了個名字：「炮射無人機」。它被發射出去之後，在半空中「伸展身形」，最後直接進入到穩態飛行階段，並且可以自主的控制飛行軌跡，無需人為遙控，從而完美避開了無人機最艱難（也是最危險）的起飛階段。聯合團隊的專家們認為這種無人機「炮射」方式將能在應急響應和星際探索方面發揮出巨大的作用。

初代SQUID

SQUID已經不是第一次出現在大眾的視野裡。去年在IROS（智慧型機器人與系統國際會議）上，加州理工大學和NASA就展示了初代SQUID，一個可摺疊的四旋翼無人機，它的起飛方式也是炮彈發射，但不是完全自主的，需要研究人員手動控制。

當時，在研究人員對初代SQUID進行測試時，它不僅能在固定不動的彈筒裡快速發射，在快速行駛的卡車上（50km/小時）發射也不成問題，而且發射速度非常快，然後平穩飛行。這極大改善了無人機起飛方式的現狀，幾乎可以在任何地方發射SQUID。可以想像，它或許可以在顛簸在海浪裡的船隻上發射，或者在飛行中的另一個無人機上發射。

升級版SQUID實現完全自主控制功能

該團隊去年開發的初代SQUID得尺寸為 3英寸（7.6釐米）的四旋翼無人機，並且需要手動發射。而今年的SQUID升級為功能更強大的6英寸版本，旋翼增加為六個，並實現了完全的自主權，從發射到穩定的整個過程都不需要人為輸入。新的6英寸SQUID進行了一些重大更新，包括空氣動力學重新設計，通過使用可展開的翅膀改進了發射和彈道飛行期間的被動穩定性。自治硬體包括一個攝像頭（FLIR Chameleon3），測距儀（TeraRanger Evo 60m），IMU /氣壓計（VectorNav VN-100）和車載計算機（NVIDIA Jetson TX2）。

SQUID從管道發射出來後的飛行包括兩個主要階段：被動穩定和主動穩定。

在第一階段中，SQUID並不是自主飛行，而是跟隨其離開發射器時的彈道。如果只是在固定不動的條件下發射並直線上升，這並不複雜；但是如果無人機以一定角度或從行駛中的車輛發射，就需要考慮空氣動力學，以確保無人機在發射後沿著彈道運動的姿態穩定性。較高的重心（電池位於鼻錐中）對此有幫助，可展開的翅膀起到雙重作用：使無人機被動地指向氣流中，同時還充當起落架。翅膀具有閂鎖機制，以使其既可摺疊又足夠穩定。

一旦無人機的翅膀完全展開，就會在軌跡的最高點之前開始主動穩定，進入第二階段。無人機的主動穩定是基於視覺跟蹤，利用開源的魯棒視覺慣性裡程表（ROVIO），這是一個擴展的卡爾曼濾波器，可同時跟蹤3D標誌和圖像補丁特徵。由於ROVIO將圖像強度信息與內部數據緊密集成以生成距離估算值，因此ROVIO能夠在粗糙，低質感的環境（例如人行道，水和其他行星的表面）中運行。

在開始視覺跟蹤時，無人機的俯仰和偏移速率必須接近零，以確保相機捕獲低運動模糊的幀。其次，垂直速度必須接近零，因此多旋翼和地面之間的距離保持恆定，並且可以使用測距儀測量很好地確定初始特徵深度。最後，橫向速度必須很小以最小化運動模糊。當無人機達到這幾點要求後，無人機的姿勢估計值會被輸入到飛行控制器狀態估計濾波器中，以與慣性測量單元（IMU）融合。SQUID具有完整的機載狀態估計，可以自主控制高度和橫向位置。

以下幾個步驟可以總結SQUID無人機的彈射與自主飛行：

☑彈射並被動穩定

☑姿態控制以保持俯仰和偏移為零

☑控制以保持垂直速度為零

☑初始化視覺慣性裡程表（ROVIO），並開始視覺跟蹤。此時SQUID可以進行自主機載狀態估計，並控制自身高度和橫向位置來達到研究人員希望的飛行軌跡。

總結與展望

目前，加州理工大學和NASA團隊已經實現在地面上（包括固定位置和快速行駛的卡車）部署和發射SQUID。未來，他們考慮將SQUID應用於外空行星探測工作中，可以在空中部署SQUID，例如從大型飛機上發射小型SQUID無人機。這為在火星的太空飛行器上部署小型無人機提供一種途徑，從而有可能減少對大型著陸器的需求。實際上，在飛行棋進入大氣的過程中，機殼將著陸器運送到行星表面以平衡自身，這是很常見的，方法是放下一堆（例如150公斤）重量來調整迎角。這些重量完全是沒用的鎢塊，但是如果可以放一些可在空中部署的無人機，則可以在不增加額外質量或不增加現有任務風險的情況下，做更多的科學工作。

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