基本信息
- 项目名称：
- 可自重构的集群飞行机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对传统无人机集群编队飞行在对大面积区域精确探测遇到的问题提出了一种全新的解决方案,即通过多个无人机自主拼接组合和分离，提高长时间集群飞行的可靠性,增强无人机群飞行稳定性并提高飞行效率。在对大面积目标进行探测和侦察时能够提高侦察效率和精度。
- 详细介绍：
- 针对传统无人机集群编队飞行在对大面积区域精确探测遇到的问题提出了一种全新的解决方案,即通过多个无人机自主拼接组合和分离，提高长时间集群飞行的可靠性,增强无人机群飞行稳定性并提高飞行效率。在对大面积目标进行探测和侦察时能够提高侦察效率和精度。 需要对较大面积区域或是一栋建筑的内部进行探测时，本设计中的多个飞行机器人首先会拼接成一个整体，目的是在从基地飞往任务区的较长距离的飞行中增加飞行稳定性并提到飞行效率。当到达执行任务的区域后再分离为单一个体分头执行任务，目的是能更高效的对目标区域完成探测，在最短时间内完成任务。当探测结束后多个飞行机器人再次自动拼接成为一个整体并返航，整个任务完成。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 创新点： 1.设计并制作了固定翼与四旋翼相结合的新型飞行器(见图1）。 该飞行器是最终拼接体的子飞行器,即拼接后的大飞行器是由若干个这样的小飞行器构成的； 2.针对多个子飞行器实现拼接的控制方法，包括四旋翼和固定翼两种模式结合的控制方法协同探测采用群体智能控制算法。 为此设计了固定翼与四旋翼通用的自动驾驶仪（见图4）； 3.基于图像处理和模式识别技术的自主对接方法； 4.子飞行器与子飞行器之间的对接结构； 5.具有二次开发功能，用户可搭载不同的传感器或是应用不同的算法进行二次开发。 技术关键 1子飞行器的拼接结构； 2拼接过程中确保对接精度的图像处理、模式识别、超声波定位等技术； 3子飞行器之间自主拼接控制方式； 4拼接后的整体飞行稳定性控制技术； 5子飞行器之间协同飞行通讯技术。 主要技术指标 子飞行器主要参数（图2） 机身长度：863mm 翼展：670mm 活动半径：1km 有效载荷：500g 起飞降落方式：垂直起降 拼接后飞行器主要参数(图3） 机身长度：863mm 翼展：最小 1340mm 最大 5360mm 有效载荷：最小1100g 最大5010g 活动半径：12km 起飞降落方式：垂直起降 拼接完成时间：56秒 （两个）
科学性、先进性
- 1.项目整体设计突破以往多个飞行器编队飞行和群体智能控制领域的常规设计思路，以拼接组合方式提高多个飞行器飞行稳定性和可操控性，增强飞行器整体协同能力。 不但其子飞行器拥有较好的飞行性能，其多个自动拼接之后形成的新飞行器也具有很好的飞行性能。兼顾单一飞行器的性能同时考虑整体飞行性能的自动拼接性能设计具有先进性。 2.独特的机械结构设计 （1）机翼端多连杆拼接锁定结构 （2）可伸缩式机翼及四旋翼结构 （3）机身余度对接结构 3.本设计中多个飞行机器人之间的拼接、飞行协调及路线规划涉及人工智能和群体智能方面的理论及方法。这些方法的成功有助于群体无人机协同控制方法取得新突破。 4.为无人机领域，多机器人协同控制领域提供了一种全新的思路和方案，使无人机群体控制不再拘泥于多个单一个体的分布式控制。通过自重构这种方式可使本身较为脆弱的单一飞行器个体拼接后具备更强的适应能力。 5.它同样是一个优秀的科研平台，具有深入研究的价值。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 说明 待起飞状态等待指令-设置控制命令，探测范围及相关参数-发送起飞指令在自主或是遥控状态到达区域。如需要分散完成任务就发送分离指令分头自主探测-完成任务后发送集结指令自主拼接成整体后返航。 技术特点 1该项目结构设计构思独特控制方法先进；2多飞行器自主拼接以完成更复杂任务的技术思想新颖；3“化整为零，化零为整”的新型飞行器设计能够提高多个飞行器的协同工作效率；4该项目系统方案在国内外还没有同样的研究报道，处于领先水平。 适用范围及推广前景 1替代传统的无人侦察机高效完成大面积的侦察任务；2作为教学实验平台，供用户进行二次开发；3为人工智能及群体智能等理论提供实践平台；4灾区及临时通讯网路搭建；5自然灾害评估。 该飞行机器人可以完成多种任务，在军事和民用领域都具有广阔的市场前景，每个估价根据拼接个体数目不同，硬件价格3000-12000元不等，软件视具体任务不同不确定。军事部门和有需求的民用领域会购买此类项目产品。
同类课题研究水平概述
- 通过查阅资料，尚未发现与本项目完全相同功能的产品，与之相近的并具有借鉴意义的有: 瑞士联邦理工学院的Distributed Flight Array （分布式飞行阵列项目）； 这个项目是目前我们找到的与我们项目最接近的项目。它由多个正六边形的飞行模块组成，可在地面进行自主对接，多个（至少3个）拼接后可形成整体飞行(见图5）。 与本项目的区别： Distributed Flight Array的研究重点在于群体飞行控制理论和相关算法，并为教学提供了一个很好的平台。其硬件设计是为了在实验室中提供一个测试平台。其思路新颖，为无人机和群体智能领域带来了全新的思路。但由于其对拼接条件要要求苛刻（必须在平坦的地面上且需要外部传感器协助），因此也限制了其实际应用的领域，目前其并不具备在实验室外工作的能力。 麻省理工学院的UAV SWARM Health Management Project； 麻省理工学院的这个项目使个四旋翼飞行器可以按照预定的队形编队飞行，但是需要借助于实验室的摄像头确定位置并通过地面计算机规划路径。 与本项目的区别： MIT这个项目重点在于群体编队飞行相关技术的研究。主要以四旋翼飞行器为平台，在实验室中借助外部摄像头辅助来确定每个飞行器的位置，通过外部PC机实现路径规划。其并不能实现拼接也无法在实验室外进行编队飞行。 麻省理工学院的multi-vehicle testbed to demonstrate and evaluate the coordination and control 项目； 这个项目是一个基于固定翼的集群飞行的研究。研究内容包括： 分布式指挥和控制算法；动态可重构网络拓扑；分层的网络资源分配等。 与本项目的区别： 此项目侧重于研究多个固定翼飞行器之间的编队飞行。但不可实现拼接。
