自主导航+无人机=效率王炸！香港大学团队研发：一种具有扩展传感器视野的自旋转单驱动无人机，且可实现自主导航功能

原创 | 文BFT机器人

无论考古学者的勘探需求，在自然灾害下需要紧急出动的搜救任务，建筑工作的实地测绘，亦或是考察地质深入洞穴，都离不开一个好帮手——无人机。

虽说无人机可以实现部分情况下的自定位、环境映射和避障能力，但是这些能力通常都基于无人机机载视觉传感器提供的环境观察，而这些传感器的小视场 (FoV) 严重限制了无人机的感知能力和任务效率。

换言之，要传感器，就要牺牲效率。那么有没有能够两全其美的办法呢？

来自香港大学的机械工程系团队研发了一种具有扩展传感器视野的自旋转单驱动无人机PILASR，相关研究论文《A self-rotating, single-actuated UAV with extended sensor field of view for autonomous navigation》已发表至《Science Robot》。

现阶段，大多数在无人机上扩展传感器FoV的方法分为两种，一是使用具有较大FoV的传感器，例如鱼眼相机、折反射相机和 360° LiDAR；二是在无人机上搭载多个传感器。然而这两种方式均会造成无人机镜头出现明显畸变，增加额外的传感器成本和系统处理时间，以及飞行期间功耗增加等问题。

除此之外，自主导航能力对于无人机在洞穴、城市峡谷和茂密森林等未知和全球导航卫星系统 (GNSS) 无法使用的环境中执行自主飞行至关重要。然而，由于自旋转无人机的高速旋转，严重的运动模糊和快速的 FoV 变化对常见的基于视觉的导航提出了巨大挑战。

机械设计

为了解决上述无人机在设计、控制和导航方面的问题，利用驱动器设计的优势，研发人员提出了一种具有扩展传感器 FoV 的自主、单驱动、自旋转无人机——PULSAR。

如上图所示，PULSAR主要由3个模块组成：顶部的飞行控制模块（即螺旋桨、电机和飞控），中间的3D LiDAR传感器和机载计算机，底部的电池底盘和起落架。

这种模块化设计使无人机易于维护和重新配置。PULSAR的每个模块的支撑结构均采用尼龙材料 3D 打印而成，结构紧凑而坚固。同时，研究人员还使用了四个反扭矩叶片来提供空气阻力来补偿电机反扭矩，从而将车身旋转速率限制在 2.7 赫兹左右。

实验验证

在野外实际飞行考察实验中，PILSAR的性能表现十分出色。

研究人员将其功耗与两个携带相同航空电子有效载荷（即配套计算机和 LiDAR 传感器）的基准四旋翼飞行器进行了比较：一个四旋翼具有 7.5 英寸螺旋桨，导致总磁盘面积与 PULSAR 相同；另一个有 8 英寸螺旋桨，导致磁盘面积比 PULSAR 多 16.8%。

结果表明，PULSAR 的总功耗比 7.5 英寸螺旋桨四旋翼（具有相似的螺旋桨盘面积）低 26.7%，比 8 英寸螺旋桨低 17.3%四旋翼飞行器（具有更大的螺旋桨盘面积）。PULSAR 的整体效率分别比 7.5 英寸和 8 英寸螺旋桨四旋翼飞行器高 17.5% 和 4.1%。

在室内环境轨迹跟踪考察实验中，PILSAR的表现同样出色。

为了评估动态飞行条件下的功率效率和机动性，研究人员在室内环境中对 PULSAR 和内置四旋翼进行了轨迹跟踪实验，命令其展示“8”字形路径。从结果上而言，PULSAR 灵敏地跟踪了这些 3D 轨迹，比四旋翼飞行器实现了稍大但可以接受的跟踪误差。

此外，通过其他实验，还验证了PULSAR能够敏捷地实现俯仰、滚转等具有难度的飞行动作，即使是在外部阵风等恶劣环境干扰的情况下，也能稳定悬停。

自主导航

为了更好地展示PULSAR的完全自主导航能力，研究人员将其丢入了植被茂密的环境中进行航路点导航测试。

测试结果，无论是在白天或者是夜晚下，PULSAR 在未知的、无法使用 GNSS 的环境中均具有强大的导航能力。

应用场景

PULSAR 的高能效、自主导航能力和扩展的传感器 FoV 使其非常适合探索任务，例如环境测量、搜索和救援、救灾、地形测绘和自动 3D 重建。

这些任务中的环境通常是未知的，实际情况往往无法使用 GNSS（例如，树冠、洞穴、隧道和灾后建筑物），并且涉及静态结构和动态对象（例如，鸟类和动物）。PULSAR 可以在这些真实环境中安全运行，并在白天和黑夜快速获取环境数据，为决策提供及时可靠的反馈。

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