案例分享 | 哈尔滨工业大学开发可伸缩变形四旋翼无人机

关键词：多旋翼无人机，对称变形，同步变形

技术方案：智能体位姿追踪系统

研究背景

四旋翼无人机因其结构简单、控制方便、机动性强等特点，已经广泛应用于军事、民用等各种场景。

无人机按轴距不同可以分为多种尺寸，大型无人机具有更大的扭矩输出和更高的平衡能力，可以稳定飞行执行空中任务；小型多旋翼则具有更高的灵活性和机动性，可以在狭窄空间中快速移动。

传统无人机很难同时具有以上两种优势。因此需要一种可变形的多旋翼无人机，以满足不同场景的飞行任务。

可变性无人机

哈尔滨工业大学（深圳）提出

基于SNIAE-SSE机制的可伸缩变形四旋翼无人机

哈尔滨工业大学（深圳）的团队提出一种不相交角度单元（SNIAEs）与直剪式单元（SSEs）组合的机械结构，并基于该机构设计出一种新型可扩展的对称同步变形多旋翼无人机。采用该变形单元机构的可变形无人机具有驱动自由度单一、变形响应速度快和机构变形比大等优点。

SNIAE-SSE结构无人机不同伸缩状态

动作捕捉系统获取无人机阶跃响应数据

建立动力学模型

传统四旋翼无人机动力学本身具有强耦合性和高扰动敏感性的特征，新构型的四旋翼无人机的系统动态更为复杂。

为了建立准确的可变无人机臂动力学模型，研究人员采用了系统辨识方法，利用凌云光·元客视界提供的光学动作捕捉系统，通过在无人机上粘贴反光标记点，采集臂长动态变化结果，测量无人机悬停时机臂的阶跃响应数据。然后利用Matlab系统辨识工具箱分别解算出无人机在折叠和展开过程中的可伸缩臂动力学模型，可以看出模式识别模型中测量结果和模拟结果具有很高的一致性。

辨识模型式的测量臂长与模拟臂长结果对比

为了验证在不同场景下该无人机的飞行动态特性，研究人员进行了悬停、抛出、穿越窄窗实验。

悬停试验结果

抛出实验结果

穿越窄窗实验结果

结果表明，该可伸缩四旋翼无人机即使在机身快速折叠和展开变形的情况下也能保持稳定的飞行状态，其具有很强的快速适应复杂和动态变化环境的能力。

这一设计方法有望在未来的无人机领域得到广泛应用，并为多旋翼飞行器的设计和开发提供了新的思路和解决方案。

国产动作捕捉系统助力高校科研

元客视界是凌云光设立的全资子公司，主要面向元宇宙虚拟现实、Web3.0时代数字人、沉浸媒体、全息通信、计算光学成像等应用，已形成光场建模、运动捕捉、全景成像、XR 拍摄等在内的产品布局。

FZMotion光学运动捕捉系统是元客视界自主开发的运动捕捉采集与分析系统，可以实时跟踪测量并记录三维空间内点的轨迹、刚体的运动姿态以及人体动作，空间定位精度可以达到亚毫米级。

FZMotion高精度系列相机 助力智能体科研

FZMotion动捕系统在无人机室内定位、仿生机器人运动规划、机械臂示教学习、气浮台位姿验证、水下运动捕捉等领域得到广泛应用，目前已经与清华大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校开展合作。凌云光·元客视界致力于为高校提供完备的解决方案，助力科研发展。

参考文献：

[1] Yang T, Zhang Y, Li P, et al. Sniae-sse deformation mechanism enabled scalable multicopter: Design, modeling and flight performance validation[C]//2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2020: 864-870.