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設(shè)備與工具無人機的研究和產(chǎn)品我們都已經(jīng)有很多了解了，旋翼的、固定翼的等等，今天我們來分享一個基于涵道風(fēng)扇的無人機的研究。
這個研究著眼于使用電動的涵道風(fēng)扇作為無人機的推進(jìn)和控制系統(tǒng)，致力于解決那些大小受限但需要很大的靜態(tài)升力的現(xiàn)實用途，比如飛行器的垂直起飛降落，氣墊船甚至是帶驅(qū)動的翼裝飛行等。這個項目叫做Flying Platform，來自ETH(蘇黎世理工學(xué)院)的IDSC(動態(tài)系統(tǒng)和控制研究所)。
飛機硬件信息
他們用了三個電動涵道風(fēng)扇(型號: DS-51-DIA-HST)，放置成一個類似30厘米邊長的等邊三角形的結(jié)構(gòu)，材料選取碳纖維，并在每一個風(fēng)扇下方設(shè)計了排氣尾嘴以增加空氣流速。最下方有兩個電機，驅(qū)動襟翼。加上鋁合金底座，它的總重量達(dá)到了7.6千克。它的供電采用了6個2芯電池，飛機在120A的電流下消耗功率達(dá)到了5.3kW。由于每個風(fēng)扇可提供的最大升力為4.2千克，因此它的載重約為3千克。
控制上它用了PX4板子，開始用的是benchmarking control strategy，現(xiàn)階段正在測試Model predictive control algorithm (模型預(yù)測控制算法)。
涵道風(fēng)扇vs螺旋槳
涵道風(fēng)扇與普通孤立的螺旋槳相比，能產(chǎn)生更大的升力，且結(jié)構(gòu)緊湊安全性高。
這里我們引用百科中的一段話
“自由螺旋槳的原理同飛機機翼類似。螺旋槳的運動分解為水平運動和旋轉(zhuǎn)運動。螺旋槳運動時主要存在的阻力有空氣摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和干擾阻力等。槳葉因高速圓周運動使葉尖處速度最高，誘導(dǎo)阻力比較大，對外界氣流產(chǎn)生沖擊造成噪聲大，這是自由螺旋槳動力效率低的主要原因。自由螺旋槳由于是懸臂梁結(jié)構(gòu)桿件，在氣動作用下葉尖處容易變形導(dǎo)致效率進(jìn)一步惡化，這是限制螺旋槳高速運動的瓶頸之一，也是螺旋槳飛機及直升機速度限制之關(guān)鍵。
涵道風(fēng)扇螺旋槳的優(yōu)點：由于葉尖處受涵道限制，沖擊噪聲減小。誘導(dǎo)阻力減少，而效率較高。在同樣功率消耗下,
涵道風(fēng)扇較同樣直徑的孤立螺旋槳, 會產(chǎn)生更大的推力。同時由于涵道的環(huán)括作用, 其結(jié)構(gòu)緊湊、氣動噪聲低、使用安全性好,因此作為一種推力或升力裝置,
被應(yīng)用于飛行器設(shè)計當(dāng)中。
涵道風(fēng)扇螺旋槳的缺點：良好的效率要求葉尖和管道間的間隙要非常小，風(fēng)道三維形狀設(shè)計復(fù)雜，需要高轉(zhuǎn)速和最小的振動?！?
追溯基于涵道風(fēng)扇的無人機的歷史，最著名的就是美國的Cypher系列，起始于上世紀(jì)80年代，其中第二代為美國海軍陸戰(zhàn)隊制造，可達(dá)到185千米的范圍和最快230千米每小時的速度。
Cypher 二代
此外還有美國的iStar，新加坡的Fantale等。我們可以看到，由于其速度、作業(yè)范圍和安全性等優(yōu)勢，軍方對基于涵道風(fēng)扇的無人機非常感興趣。
iStar
Fantale
還有前段時間在眾籌，剛剛在CES上展示了原型機的Fleye。
Fleye
模型預(yù)測控制算法
之前提到了它們正在嘗試的是Model predictive control algorithm。它適用于模型本身參數(shù)在變化的場景?？刂破髟诿總€控制周期里，首先讀取傳感器信息更新模型，依據(jù)更新的模型預(yù)測未來很長一段時間的系統(tǒng)行為，設(shè)計出適用于這段時間的控制律。由于系統(tǒng)在變化，這個控制律只被使用很短的時間，然后進(jìn)入下一個控制周期，重新反饋，更新，預(yù)測控制。
這種方法優(yōu)點是能夠?qū)?fù)雜時變模型產(chǎn)生好效果，缺點是計算量大(每個控制周期要算出很長一段時間的結(jié)果，并拋棄靠后的一部分)，過去是被用在化工控制里的，因為化工里的被控對象變化緩慢，計算時間充裕。
目前隨著硬件成本的下降，近年來被廣泛應(yīng)用于各種機器人控制。
2025-08-26 13:49
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