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【北京晚报】北航大学生研发“红海行动”式无人机 书本大小放手就飞
发布时间:2018-06-06   浏览次数:

北京晚报2018年6月5日报道:

北航大学生研发“红海行动”式无人机 书本大小放手就飞

北京晚报6月5日电:在今年热映的军事大片《红海行动》中,各种高科技武器让观众直呼过瘾。尤其是在蛟龙突击队员被武装分子用迫击炮伏击的情节片段中,突击队员远程遥控微型飞行器这一利器侦察战场环境,并通过“自爆”的方式杀伤敌方迫击炮阵地人员,给大家留下深刻的印象。现实生活中,来自北京航空航天大学的一群本科生也研发了一部类似《红海行动》里那样的微型无人机,它仅有32开书本大小,起飞重量只有160克,搭载了高清晰度的双摄像头和画面无线传输设备。

与我们所熟悉的四旋翼无人机相比,这种名为“微型信息化固定翼飞行侦察平台”的无人机能够做到空中“放手就飞”,不论水平飞行还是垂直飞行,它都灵活自如,可以实时开展“战场”侦察,并远距离传输画面。这架无人机亮在前不久相举行的今年北航第二十八届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛上亮相,成为科技擂台赛擂主,受到校内外人士关注。记者了解到,大学生们团队已经为这架无人机申请了发明专利。

挑战无人机世界级难题

王金瀚、郭嘉伟是这架无人机的发起者,两人都是北航大三本科生。王金瀚现在在北航航空科学与工程学院就读,郭嘉伟则是在软件学院就读。谈及这一发明的缘初衷由,两人说这是缘于大一时“初生牛犊不怕虎”的冲劲儿。

2015年,王金瀚涵和郭嘉伟同时考入北航航空科学与工程学院,成为大一新生,从事空气动力学和流体力学研究的胡天翔是他们的班主任。在一次飞行器的研究课上,胡天翔老师提到,固定翼微型飞行器是全世界研究领域的热点与难点。这一下子激起了王金瀚的兴趣,“当时就想挑战下这个世界级难题,动手做一架小无人机。”他说,自己从小对各类飞机模型都非常感兴趣,无人机又是近几年的热点。他把自己的想法和好友郭嘉伟分享,两人一拍即合,开启了研究。

固定翼微型无人机的“难点”到底在哪儿?王金瀚说,现在国内外对固定翼微型飞行器的研究,难点主要集中在飞机外型与飞行控制系统上。出现的问题主要是气流引起的,在飞行过程中,固定翼飞机的翼尖容易形成涡流,扰乱飞行,不利于飞行器在空中的稳定。这就需要他们在已有的研究的基础上,从飞行器外部的形态和内部的飞控系统共同入手,打造一个“内外兼修”的完美机体。

第一代无人机性能欠佳

2015年11月,王金瀚、郭嘉伟和同学们正式开始了研究。他们陆陆续续买来几十个飞行器模型,研究机体在飞行过程中的缺陷。他们发现,为了克服飞行时飞机翼尖涡流的影响,模型飞机的翼展尺寸几乎都在50厘米以上,并且起飞重量大多只有20克,“这样的重量,就别考虑搭载摄像头等装备进行航拍侦察了。”王金瀚说,为此他们决定必须通过优化要通过飞机外形的优化,提升搭载性能。

经过近半年的努力,大学生们团队成功“破冰”,研发出第一代固定翼无人机。那是一个单螺旋桨三角翼飞行器,由木质层板制成,整体外观看上去像是一个扑克牌里的“黑桃A”,又像是一个扑克牌里的“黑桃A”,或者当年美军赫赫有名的F117“夜鹰”隐形战斗机。这部无人机翼展长18厘米,起飞重量40克,在体积和起飞重量上突破了已有模型的极限。

第一初代的“黑桃A”在2016年举行的第二十六届“冯如杯”上获得了科技发明类的二等奖。然而队员们并不满足于此,队长王金瀚说,在比赛答辩的时候,老师就提出了更高的期望。虽然成功将固定翼微型飞行器制作出来,但不论在载重,还是在控制系统上,他们实现的突破微乎其微,飞行器仅仅只能承受10克的重量,并且控制系统还非常原始,只能在空中水平飞行,不能实现悬停、垂直起飞等动作,“和市面上的普通固定翼飞机模型在性能上没有区别,这远不是我们要达到的目标。”王金瀚说。

“美国队长”激发灵感

“冯如杯”结束后,整个团队陷入新的“冰封期”时期——,知道性能远远不够,但不知道从哪个方向突破。王金瀚说,当时正巧影院暑期档在热映《美国队长3》,在看到影片中男主角从背部就可以甩出一架扁平的无人机后,大家的思绪跟着“美队”一起“解冻”了。“当时灵感就来了。”王金瀚说,“我们希望新一代飞行器能够兼具多旋翼和固定翼的优点,在空中能够灵活自如的飞行。”他们马上投入到飞行器的改进研究中,。在经过了不知多少次的“改进-、测试-、推翻-、再改进”的过程后,2017年的“冯如杯”上,第二代无人机亮相。

改进后的飞行器有两个螺旋桨,由塑料泡沫制成,形状已非常接近最终版本,唯一不同的是飞行器后部有两个垂直尾翼。这一版无人机的起飞重量提升到120克,最大载重提升至30克,并且成功解决了机体在垂直状态下灵活飞行的问题。这一版的飞行器得到老师们的一致好评,这一年,他们拿到了“冯如杯”一等奖。

“但我们还是发现了飞行器存在的‘硬伤’。”王金瀚说。虽然飞行器的翼展依旧保持了18厘米的长度,但是由于垂直尾翼的存在,整个机体的厚度却增加了;此外,制作飞行器的材料过于简单,泡沫塑料太容易损坏,光是测试用的机体就毁了好几个,“作为我们学生我们经费有限,真是心疼得不行。”。

改进后放手就飞自主导航

经过团队的反复攻坚,第三代无人机无论在硬件还是软件上都有了新的突破。硬件方面,他们将碳纤维和泡沫塑料复合,采用固化工艺,得到全新的超轻固化材料。他们还用双平行尾翼替代了原来的垂直尾翼,就像美军的B2“幽灵”轰炸机一样。

软件方面,一直负责飞行控制系统的郭嘉伟,拉着同在软件学院的马宇航和罗观洲两位同学“入了伙”。他们发挥优势,将算法控制加入到飞控技术中,实现了飞行器的“主动控制”-——-能够自动感应飞行环境与飞行状态,控制双发差速,稳定航向。此外,他们还对摄像头进行了图像算法优化,并采用双摄摄像头,在垂直方向上采用500万像素,可用于目标追踪;水平方向上采用200万像素,双摄都可以录像,实现全方位监控。

记者最初看到这部无人机时,很难将它和“飞机”联系在一起——--通体黑色的它更像是一册比32开略大、厚度不到两厘米的练习本。只有前部两支5厘米左右的螺旋桨显示出了它的飞行属性。王金瀚说,可别小瞧了这架无人机,它的起飞重量达160克,这意味着载重可以到40克,“如果按照国外军用小微无人机的概念,40克的载重足以搭载各种侦察设备,或者包裹了可碎裂破片的爆炸装置,就像《红海行动》里的无人机一样。”

王金瀚说,这架无人机起飞前,只需人工设定好目的地和路线,飞行器即可放手就飞。“这就和导航是一个道理。”郭嘉伟解释道,控制者可通过手机接收端看到航拍到的飞行姿态和航向,还可以看到传回的视频图像。

将组建无人机队“蝠群”

凭着“微型信息化固定翼飞行侦察平台”,王金瀚、郭嘉伟团队在本届“冯如杯”科技竞赛中获得科技擂台赛擂主。记者了解到,团队已经为这架无人机申请了发明专利。王金瀚说,这样一架“黑科技”无人机,制造成本在一千元以内,如果能够投入量产,成本将会更低,因此他们相信应用前景会非常光明。

今年下半年,团队的成员都将升入大学四年级,准备毕业设计、深造读研将耗费他们的大量精力。王金瀚说,从目前来看,他们可能需要暂时将这个项目放一放,交给下一届的学弟、学妹去进一步完善和提高。但着眼未来,他们肯定还会关注这架无人机的进一步优化——在体积上,无人机的尺寸还可以再小,这样一个小号旅行箱就能装载一组10套无人机,执行多样化的飞行任务;在功能上,他们会考虑将无人机设计成更加有利于多机协同作业的模式,“一个无人机群,不同飞机分配完成不同的任务,然后通过一个中枢指挥系统完成多样化的任务,实现效能的最大化。”王金瀚说,在老师的指点下,他们为这样的无人机群起了个形象的名字——“蝠群”。

此外,他们还打算给飞行器加入投放装置,让无人机真正可以实现军民两用,军用可以“自爆”或者投放炸弹,民用则可以拍摄一些时下最流行的短视频方便分享。

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