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無人機整機
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無人機服務(wù)
設(shè)備與工具在今年熱映的軍事大片《紅海行動》中，各種高科技武器讓觀眾直呼過癮。尤其是在蛟龍突擊隊員被武裝分子用迫擊炮伏擊的情節(jié)片段中，突擊隊員遠程遙控微型飛行器這一利器偵察戰(zhàn)場環(huán)境，并通過“自爆”的方式殺傷敵方迫擊炮陣地人員，給大家留下深刻的印象?，F(xiàn)實生活中，來自北京航空航天大學的一群本科生也研發(fā)了一部類似《紅海行動》里那樣的微型無人機，它僅有32開書本大小，起飛重量只有160克，搭載了高清晰度的雙攝像頭和畫面無線傳輸設(shè)備。
與我們所熟悉的四旋翼無人機相比，這種名為“微型信息化固定翼飛行偵察平臺”的無人機能夠做到空中“放手就飛”，不論水平飛行還是垂直飛行，它都靈活自如，可以實時開展“戰(zhàn)場”偵察，并遠距離傳輸畫面。這架無人機亮在前不久相舉行的今年北航第二十八屆“馮如杯”學生學術(shù)科技作品競賽上亮相，成為科技擂臺賽擂主，受到校內(nèi)外人士關(guān)注。記者了解到，大學生們團隊已經(jīng)為這架無人機申請了發(fā)明專利。
挑戰(zhàn)無人機世界級難題
王金瀚、郭嘉偉是這架無人機的發(fā)起者，兩人都是北航大三本科生。王金瀚現(xiàn)在在北航航空科學與工程學院就讀，郭嘉偉則是在軟件學院就讀。談及這一發(fā)明的緣初衷由，兩人說這是緣于大一時“初生牛犢不怕虎”的沖勁兒。
2015年，王金瀚涵和郭嘉偉同時考入北航航空科學與工程學院，成為大一新生，從事空氣動力學和流體力學研究的胡天翔是他們的班主任。在一次飛行器的研究課上，胡天翔老師提到，固定翼微型飛行器是全世界研究領(lǐng)域的熱點與難點。這一下子激起了王金瀚的興趣，“當時就想挑戰(zhàn)下這個世界級難題，動手做一架小無人機?！彼f，自己從小對各類飛機模型都非常感興趣，無人機又是近幾年的熱點。他把自己的想法和好友郭嘉偉分享，兩人一拍即合，開啟了研究。
固定翼微型無人機的“難點”到底在哪兒？王金瀚說，現(xiàn)在國內(nèi)外對固定翼微型飛行器的研究，難點主要集中在飛機外型與飛行控制系統(tǒng)上。出現(xiàn)的問題主要是氣流引起的，在飛行過程中，固定翼飛機的翼尖容易形成渦流，擾亂飛行，不利于飛行器在空中的穩(wěn)定。這就需要他們在已有的研究的基礎(chǔ)上，從飛行器外部的形態(tài)和內(nèi)部的飛控系統(tǒng)共同入手，打造一個“內(nèi)外兼修”的完美機體。
第一代無人機性能欠佳
2015年11月，王金瀚、郭嘉偉和同學們正式開始了研究。他們陸陸續(xù)續(xù)買來幾十個飛行器模型，研究機體在飛行過程中的缺陷。他們發(fā)現(xiàn)，為了克服飛行時飛機翼尖渦流的影響，模型飛機的翼展尺寸幾乎都在50厘米以上，并且起飛重量大多只有20克，“這樣的重量，就別考慮搭載攝像頭等裝備進行航拍偵察了?！蓖踅疱f，為此他們決定必須通過優(yōu)化要通過飛機外形的優(yōu)化，提升搭載性能。
經(jīng)過近半年的努力，大學生們團隊成功“破冰”，研發(fā)出第一代固定翼無人機。那是一個單螺旋槳三角翼飛行器，由木質(zhì)層板制成，整體外觀看上去像是一個撲克牌里的“黑桃A”，又像是一個撲克牌里的“黑桃A”，或者當年美軍赫赫有名的F117“夜鷹”隱形戰(zhàn)斗機。這部無人機翼展長18厘米，起飛重量40克，在體積和起飛重量上突破了已有模型的極限。
第一初代的“黑桃A”在2016年舉行的第二十六屆“馮如杯”上獲得了科技發(fā)明類的二等獎。然而隊員們并不滿足于此，隊長王金瀚說，在比賽答辯的時候，老師就提出了更高的期望。雖然成功將固定翼微型飛行器制作出來，但不論在載重，還是在控制系統(tǒng)上，他們實現(xiàn)的突破微乎其微，飛行器僅僅只能承受10克的重量，并且控制系統(tǒng)還非常原始，只能在空中水平飛行，不能實現(xiàn)懸停、垂直起飛等動作，“和市面上的普通固定翼飛機模型在性能上沒有區(qū)別，這遠不是我們要達到的目標?！蓖踅疱f。
“美國隊長”激發(fā)靈感
“馮如杯”結(jié)束后，整個團隊陷入新的“冰封期”時期——，知道性能遠遠不夠，但不知道從哪個方向突破。王金瀚說，當時正巧影院暑期檔在熱映《美國隊長3》，在看到影片中男主角從背部就可以甩出一架扁平的無人機后，大家的思緒跟著“美隊”一起“解凍”了。“當時靈感就來了。”王金瀚說，“我們希望新一代飛行器能夠兼具多旋翼和固定翼的優(yōu)點，在空中能夠靈活自如的飛行。”他們馬上投入到飛行器的改進研究中，。在經(jīng)過了不知多少次的“改進-、測試-、推翻-、再改進”的過程后，2017年的“馮如杯”上，第二代無人機亮相。
改進后的飛行器有兩個螺旋槳，由塑料泡沫制成，形狀已非常接近最終版本，唯一不同的是飛行器后部有兩個垂直尾翼。這一版無人機的起飛重量提升到120克，最大載重提升至30克，并且成功解決了機體在垂直狀態(tài)下靈活飛行的問題。這一版的飛行器得到老師們的一致好評，這一年，他們拿到了“馮如杯”一等獎。
“但我們還是發(fā)現(xiàn)了飛行器存在的‘硬傷’。”王金瀚說。雖然飛行器的翼展依舊保持了18厘米的長度，但是由于垂直尾翼的存在，整個機體的厚度卻增加了；此外，制作飛行器的材料過于簡單，泡沫塑料太容易損壞，光是測試用的機體就毀了好幾個，“作為我們學生我們經(jīng)費有限，真是心疼得不行?！?。
改進后放手就飛自主導(dǎo)航
經(jīng)過團隊的反復(fù)攻堅，第三代無人機無論在硬件還是軟件上都有了新的突破。硬件方面，他們將碳纖維和泡沫塑料復(fù)合，采用固化工藝，得到全新的超輕固化材料。他們還用雙平行尾翼替代了原來的垂直尾翼，就像美軍的B2“幽靈”轟炸機一樣。
軟件方面，一直負責飛行控制系統(tǒng)的郭嘉偉，拉著同在軟件學院的馬宇航和羅觀洲兩位同學“入了伙”。他們發(fā)揮優(yōu)勢，將算法控制加入到飛控技術(shù)中，實現(xiàn)了飛行器的“主動控制”-——-能夠自動感應(yīng)飛行環(huán)境與飛行狀態(tài)，控制雙發(fā)差速，穩(wěn)定航向。此外，他們還對攝像頭進行了圖像算法優(yōu)化，并采用雙攝攝像頭，在垂直方向上采用500萬像素，可用于目標追蹤；水平方向上采用200萬像素，雙攝都可以錄像，實現(xiàn)全方位監(jiān)控。
記者最初看到這部無人機時，很難將它和“飛機”聯(lián)系在一起——--通體黑色的它更像是一冊比32開略大、厚度不到兩厘米的練習本。只有前部兩支5厘米左右的螺旋槳顯示出了它的飛行屬性。王金瀚說，可別小瞧了這架無人機，它的起飛重量達160克，這意味著載重可以到40克，“如果按照國外軍用小微無人機的概念，40克的載重足以搭載各種偵察設(shè)備，或者包裹了可碎裂破片的爆炸裝置，就像《紅海行動》里的無人機一樣?！?
王金瀚說，這架無人機起飛前，只需人工設(shè)定好目的地和路線，飛行器即可放手就飛。“這就和導(dǎo)航是一個道理?！惫蝹ソ忉尩溃刂普呖赏ㄟ^手機接收端看到航拍到的飛行姿態(tài)和航向，還可以看到傳回的視頻圖像。
將組建無人機隊“蝠群”
憑著“微型信息化固定翼飛行偵察平臺”，王金瀚、郭嘉偉團隊在本屆“馮如杯”科技競賽中獲得科技擂臺賽擂主。記者了解到，團隊已經(jīng)為這架無人機申請了發(fā)明專利。王金瀚說，這樣一架“黑科技”無人機，制造成本在一千元以內(nèi)，如果能夠投入量產(chǎn)，成本將會更低，因此他們相信應(yīng)用前景會非常光明。
今年下半年，團隊的成員都將升入大學四年級，準備畢業(yè)設(shè)計、深造讀研將耗費他們的大量精力。王金瀚說，從目前來看，他們可能需要暫時將這個項目放一放，交給下一屆的學弟、學妹去進一步完善和提高。但著眼未來，他們肯定還會關(guān)注這架無人機的進一步優(yōu)化——在體積上，無人機的尺寸還可以再小，這樣一個小號旅行箱就能裝載一組10套無人機，執(zhí)行多樣化的飛行任務(wù)；在功能上，他們會考慮將無人機設(shè)計成更加有利于多機協(xié)同作業(yè)的模式，“一個無人機群，不同飛機分配完成不同的任務(wù)，然后通過一個中樞指揮系統(tǒng)完成多樣化的任務(wù)，實現(xiàn)效能的最大化?！蓖踅疱f，在老師的指點下，他們?yōu)檫@樣的無人機群起了個形象的名字——“蝠群”。
此外，他們還打算給飛行器加入投放裝置，讓無人機真正可以實現(xiàn)軍民兩用，軍用可以“自爆”或者投放炸彈，民用則可以拍攝一些時下最流行的短視頻方便分享。
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