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2016-05-09

拿军用技术来玩自拍?从 Fleye 聊聊涵道无人机

不久前举行的 2016 HWTrek 全球智能硬件创新与制造大会上,有多个无人机项目在现场 Demo 中亮相,其中包括来自比利时的无人机项目 Fleye。这个项目去年在 Kickstarter 上成功筹资 31.4 万欧元(约合 230 万人民币),预计今年 4 月份发货。遗憾的是,我们在现场看到的仍是 3D 打印的原型机,Fleye 的首席技术官 Dimitri Arendt 表示,Fleye 的发货时间要推迟到下半年了。

当然,我们这次不是来吐槽众筹跳票的(毕竟已经习惯了),而是想与大家聊聊 Fleye 所代表的一种「另类」无人机。

涵道风扇无人机

许多媒体把 Fleye 称为「球形无人机」,它的外形看起来像一只足球,螺旋桨安置在球状机体内的上部中央位置,通过底部的导流板和控制舵片控制飞行姿态。事实上,具有类似结构的无人机被称为涵道风扇无人机(ducted fan UAV),是区别于常见的固定翼、直升机和多旋翼的另一类无人机。

关于涵道无人机的应用研究最早兴起于 20 世纪 80 年代。当时,美国海军陆战队要求研制用于短时间侦察和监视的空中远程遥控装置 (AROD),桑迪亚国家实验室在 80 年代末根据要求开发出一种使用涵道风扇提供动力的小型无人飞行器,这种飞行器将涵道风扇作为主体,通过涵道内部和尾部的导流板保持飞行器的飞行稳定和控制姿态,观测设备和控制系统则安装在涵道上部和涵道外部侧壁。由于当时飞行控制技术的制约,该计划在 90 年代初宣告终止。

1992 年,美国启动的多用途安全与监视任务平台(Multipurpose Security and Surveillance Mission Platform)采用了 Sikorsky 公司 Cypher 涵道无人机,Cypher 采用共轴双桨涵道式布局,通过螺旋桨的周期变距实现飞行姿态控制。

Cypher 涵道无人机

2001 年,DARPA 启动了建制无人机(Organic Air Vehicle,OAV)计划,要求开发具备悬停和凝视(hover and stare)能力的涵道无人机。在这一计划的竞标方案中,Allied Aerospace 公司的 iSTAR 系列涵道无人机比较有代表性,Fleye 在涵道结构设计上与 iSTAR 系列十分类似。

iSTAR 无人机结构示意图:iSTAR 是耦合式控制的涵道无人机代表,这篇文章中提到的涵道无人机主要是指耦合式控制的涵道无人机。

为军事而生的「战争机器」

相比于其他类型的无人机,涵道无人机在一些方面具有明显的优越性,而这些优越性也直接来源于这类无人机满足军事应用需要的设计初衷。

首先,由于动力系统位于涵道内,涵道壁可以有效约束螺旋桨叶尖的冲击气流,同时将噪声阻隔在涵道内,从而降低整机的运行噪音;同时,涵道壁对发动机的热辐射也有一定的阻隔作用,能在一定程度上降低机体热辐射特性。这些都使得涵道无人机具有更好的隐蔽性。

其次,涵道无人机结构更加紧凑,相比于多旋翼及直升机型无人机,可以在更加狭小的环境中进行起降和作业,同时飞行时的空气阻力也更小。

另外,涵道风扇可有效地将螺旋桨滑流转换成推力,这使得同等直径的涵道风扇效率大于一般螺旋桨。涵道式旋翼除了旋翼产生拉力外,涵道壁作为环形机翼,还会产生附加升力,使得涵道无人机除了可以垂直悬停之外,还可以接近水平地进行高速平飞。

在消费领域会有用武之地吗?

答案可能并不乐观。

以常见的航拍应用来说,涵道无人机从整机结构上就不适合这类用途:由于机体底部是涵道出风口,不像多旋翼无人机那样有足够的空间挂载拍摄设备,而只能像 Fleye 一样将摄像头安装在机体顶部,这样一来摄像头的俯角视野将很大程度上被机身遮挡,较大角度的俯拍只能通过改变机身姿态来实现,而机身姿态一旦改变又无法实现有效的定点悬停。

Fleye 的光流传感器等安装于涵道底部,摄像头则在机体顶部支架上

说到定点悬停,尽管从气动结构上来说,涵道无人机应当具有十分优秀的定点悬停能力,但实际上其定点稳定性并不见得比一般多旋翼无人机好。

首先,涵道无人机要实现理想的稳定性,对涵道结构设计的要求十分严苛,任何细微的内部或外部结构的改变都会导致重心的偏移或气动结构的变化,进而影响稳定性。这对需要挂载各种拍摄设备和传感器的航拍无人机来说无疑是难以满足的条件。

其次,涵道无人机通过涵道内部和底部导流板的耦合作用产生姿态控制力和控制力矩,控制灵敏度将很大程度上受到导流板私服舵机的硬件性能限制,其发展过程甚至一度由于控制技术的限制而停顿,即使现在涵道无人机的控制技术相比其他类型无人机也仍不成熟,特别在变化风速等复杂环境中的稳定性仍存在亟待解决的问题。相比之下,直接通过电机差速控制飞行姿态的多旋翼无人机在控制上反而更加直接,也有更好的环境适应性。

Fleye 原型机的旋翼和导流板

而涵道结构在气动效率方面的优势,在类似 Fleye 这种续航时间只有 10 分钟的无人机上,几乎可以忽略不计。

所以,当涵道无人机作为消费产品出现时,其涵道式设计的主要优势主要还是体现在安全性上。涵道壁的保护一方面可以防止螺旋桨伤人,另一方面也让螺旋桨本身不易在撞击中损坏。

Fleye 主打卖点是「世界上最安全的无人机」,倒也合情合理。

也许只能成为极客玩具

机器人一定是以完成特定任务为目的而设计和制造的,所有技术的应用只有以完成任务为导向时才有意义,无人机作为一种飞行机器人也不例外。那么,原本设计用于完成军事任务的涵道无人机,其技术被移植到消费领域之后能做些什么呢?

在被问到 Fleye 的目标用户和应用场景时,Arendt 回答的是:「Fleye 内置 Linux 系统,除了适合日常的室内拍摄之外,还允许用户自行编程控制无人机来实现更多应用。」——Fleye 的答案似乎也并不明朗。

Fleye 配备了双核 ARM A9 处理器和 512MB 内存,还搭载了两个图形处理器,众筹价格在 800 欧元(约合 6000 人民币)左右。相比于给老百姓用的「日常自拍无人机」,把它当做给极客们研究和探索涵道无人机的入门玩具可能更合适些。


感谢无人机中的城堡对本文的贡献
参考资料:
《涵道无人机研究现状与结构设计》徐 嘉 范宁军
《小型涵道式无人机的研究进展》李远伟 奚伯齐 伊国兴 王常虹
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