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科學網:一根噴杆如何變身自由穿梭的飛行器

發布時間:2021-11-05|浏覽次數:

沈跃和孙志伟团队一起调试直线型植保无人机 江苏大学供图

“相比目前市場上常見的多旋翼植保無人機,可能有更簡單的結構設計嗎?比如,直線型?”“不可能!即使真的飛起來也不會穩。”一年前,江蘇大學裏的一群飛控迷們怎麽也不相信,一根噴杆如何能變身自由穿梭的飛行器。

然而,經過一年時間反複打磨試驗,江蘇大學控制科學與工程專業研究生孫志偉和他的夥伴們帶著他們設計的兩代“飛杆”作品,在日前舉辦的“兆易創新杯”第十六屆中國研究生電子設計競賽、“光谷杯”第三屆中國研究生機器人創新設計大賽中連奪兩項一等獎,更是一路挺進全國top10,參加即將在11月舉辦的中國研究生電子設計競賽路演展示。

“創新是我們的主旋律”

在江蘇大學校園東北角的一座山坡上,可見一幢白色三層小樓,這便是“飛杆”的誕生地:電氣信息工程學院躍然創客工作室。每次走進工作室,孫志偉的目光總是習慣在雪白牆上的八個大字“勇于探索、敢于創新”上停留片刻。

“從0到1最厲害,有用的創新是真創新。”孫志偉是躍然創客工作室飛控組團隊的學生負責人。據孫志偉介紹,來到工作室的隊員都是喜歡創新性研究的愛好者。“創新就是我們的主旋律。如果只是在複制別人走過的模式,那就沒有真正學到那股創新精神。”

第一代“飛杆”是一款直線型植保無人機。相較于傳統多旋翼植保無人機普遍存在續航時間短、風場擾流導致噴霧不均勻等問題,團隊提出了一種直線型無人機噴杆噴霧結構。

“越簡單越好,越容易實現越好”是他們的設計初衷。由于市場中從未出現過直線型的飛行器結構,起初設計思路一經提出,團隊中不乏有不看好的聲音,但經過理論推導,直線型飛行器結構的可行性及其植保作業的優越性讓隊員們選擇了堅持,開啓一條顛覆性創新之旅。

“直線型分布旋翼産生的下洗風場更加均勻,能夠有效增加藥液在植株冠層間的附著,噴霧質量更高的同時,大大提升田間作業效率。”孫志偉解釋說,以市場上常見的四旋翼、六旋翼、八旋翼,甚至更多旋翼的飛行器爲例,旋翼都是對稱分布在機體四周,形成了多點位下洗風場。但對于植保作業來說,實際只有直線方向上的下洗風場才有效。因此,如何最大程度地利用旋翼下洗風場,提高作業效率成爲了團隊探索的方向之一。

“停下來,慢一點,步子可以小一點”

江蘇大學電氣信息工程學院教授沈躍是躍然工作室的創辦人。談起飛控組團隊,沈躍對他們頗爲贊賞,最得意的還是這些學生坐得住。“搞科研創新的學生很多,但最後真正能堅持下來的比較少,這不是一條好走的路,免不了遇到坎坷、瓶頸,能夠坐得住‘冷板凳’的人,才有可能做出些成績。”

創新思路可以天馬行空,但應用還得腳踏實地。

植保無人機,植保才是它的重點,效果才是它的考量標准。作爲一款最終服務于農的植保無人機,隊員們清楚它的作業效率還沒有達到目前認知的最高理論水平。在沈躍的指導下,不滿足于現狀的隊員們開始尋找升級方案。

從動力選型、硬件布局到軟件框架搭建、控制算法編寫再到仿真實驗、調試飛行,其間凝聚了團隊無數個白天與黑夜的艱辛。“基本上每突破一個難題,就會迎來新的技術難題,但大家都是迎難而上,抽絲剝繭,一遍遍地改進調試,辛苦並快樂著。”最終長約3米的碳纖維主杆,搭載大升力主升電機,有效提升載荷的同時加入航姿修正更爲快速的舵機傾轉控制結構,一款傾轉翼植保無人機由此誕生。

不僅敢想,而且敢幹。這條創新道路,這群“95後”創客雖走得磕磕絆絆,但總體還算順暢。然而,其中一次的失敗試驗給了他們一記“當頭棒喝”。

團隊中負責風場分析及霧滴沈積分布的江蘇大學研究生沈亞運曾獲邀參加第十一屆江蘇國際農業機械展覽會,展會上很多來自企業的研究人員都對這款新型植保無人機表現出極大的興趣,但同時也對它的實際應用存在質疑。鑒于此,欣喜于3米長機型的試飛成功,團隊便躍躍欲試進一步增大噴幅,將機身設計至5米。試飛前的調試很順利,不想正式起飛後沒兩秒便“咣當”摔下,碎了一地。

“發生的那一瞬間確實挺失望的,也會懷疑我們之前的思路是否正確。”在沈躍建議“步子不能邁得太大,要搞清楚主杆變長後不穩定的因數”後,團隊認識到,應該停下來,慢一點。“創新研究就像一棵大樹,有了牢固的根基才能枝繁葉茂,有了創新的‘金點子’,也要有腳踏實地、持之以恒的勤勉鑽研才能夠實現。”沈亞運感慨道。

想象與追夢的道路上,並非單打獨鬥

在研發出直線型植保無人機和傾轉翼植保無人機之前,孫志偉和團隊成員們設計過多種機型結構,固定翼式、飛艇式、滑翔式……造型可謂千奇百怪。孫志偉回想起來覺得這段摸索過程十分有趣。他笑著說:“想象與追夢的道路上,我不是一個人在戰鬥。即使面對再多次的‘炸機’也不怕,大家共同思考和琢磨便總能找出條路來。”

兩代作品從直線型旋翼結構、飛行控制器設計到相關旋翼、機身參數辨識平台等,均由團隊自主研發,目前已申請5項國家發明專利,2項獲實用新型專利授權。實際上,“以賽促學、以賽促研”是躍然工作室的傳統,自2015年成立以來,致力于農業智能控制領域的大學生們已組隊在各類國家級賽事中獲獎30余項。

據負責通信協議編寫和硬件驅動工作的江蘇大學研究生王德偉介紹,目前他們正嘗試爲直線型植保無人機搭載固態雷達,強化感知功能,通過飛行狀態雲監測,提升人機交互體驗,進一步解鎖更多應用場景。有趣的是,今年他們還利用了這款設計的結構特點與飛控算法的魯棒性,連夜做了一個試驗,實現了跨介質飛行。通俗的說,就是能在天上飛,也能在海中遊。王德偉回憶當時,“看著無人機出水的那一刻我們都興奮地叫出了聲。”

文章来源:科学网 2021年11月2日

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