單螺旋機：世界上機械結構最簡單的可控飛行器

（圖片來源於：瑞士聯邦理工學院 ）

引言

IntelligentThings之前介紹過很多各具特色的無人機，例如

CRACUNS無人機，

Hover Camera：微型可摺疊無人機

，

潛鳥無人機可以飛行，漂浮甚至潛入水中，等等。

但是，這些無人機都有一個共同特點，是多軸飛行器，具有多個螺旋槳。

有沒有一種無人機，只要一個螺旋槳，而不需要襟翼，鉸鏈，副翼，等其他飛行部件呢？瑞士聯邦理工學院動態系統與控制研究所的研究人員，就開發了這樣一種單螺旋飛行器，它具有最簡單的機械結構，沒有其他的制動器。

控制飛行器飛行所需要最少的運動部件是多少？

所以，一般的飛行器具有多個運動部件，例如傳統的多軸飛行器，具有四個運動部件（四個固定的螺旋槳）。一架直升機的主旋翼，具有複雜的滑盤機制，所以需要多個運動部件的配合，而一個固定翼飛機需要副翼，方向舵，升降舵和主制動器。翼果類型的飛行器像楓樹種子一樣，飛行時候會旋轉，這種飛行器在飛行時候需要兩個制動器來控制位置。一些玩具也只有一個運動部件，但是不能在水平方向被控制。

（圖片來源於：瑞士聯邦理工學院 ）

單螺旋機的控制原理

研究人員的目標是研究只有一個運動部件的飛行器。理論基礎是之前對於四軸飛行器的研究，這種四軸飛行器在缺少一個，兩個，或者三個螺旋槳的情況下，仍然還可以很好的飛行。為了這麼做，研究人員定義了一個「盤旋」模式：只要它靠近空間中同樣的位置點，飛行器可以以恆定的角速度旋轉。當然，在這種模式下，飛行器仍然要可以受控，從而追蹤軌跡和拒絕干擾。

理論分析

這對於單螺旋機來講，是一個難點。因為它只有一個輸入（推力），來控制它的狀態，而傳統的飛行器具有四個輸入。我們設計了一個級聯控制器，較快地內循環控制推力方向，同時較慢的外循環控制加速度和位置。簡單地說，單個控制輸入（推力大小）可以被分解為兩個部分，平均推力的部分（由外部循環計算），來決定單螺旋機的加速度，以及推力的誤差（由內部循環計算）來進行方位控制。

（圖片來源於：瑞士聯邦理工學院 ）

級聯控制結構: 外部的位置控制定義了期望的加速度和內部的姿勢控制定義了飛行器的姿勢。

實際製造

經過理論分析後，研究人員開始建造飛行器。然而，現實世界中有很多不確定因素：舉例說，就是沒有一個很好的複雜旋轉物體的空氣動力模型 。更進一步的說，還有例如質量分布和飛行器重心的位置。研究人員設置了一個飛行器，雖然可以飛行，但是並不能精確地知道參數。他們使用蒙特卡羅模擬，評估了各種設計。他們對各種擾動，例如上述各種不確定性，進行了採樣，模擬測試控制器的工作狀況。然後，他們一直做，直到發現一種在大多數情況下都可以正常工作的配置。下圖所示的Y形狀的飛行器。

（圖片來源於：瑞士聯邦理工學院 ）

蒙特卡羅模擬的結果，展示了如何放置飛行器的電子部件（顏色範圍表明事故的可能性），飛行器最可能被控制。基於目前的飛行器的近似大小和形狀。飛行器，具有三個主要部件：電池，電子器件，馬達/螺旋槳。固定螺旋槳和電池，作為一個等邊三角形的兩個頂點。而蒙特卡羅分析決定電子器件的位置，可能位於三角形另外一個頂點附近。而最終，電子器件的位置，被選擇為折衷在（蒙特卡羅模擬）和其他的考慮（例如機械結構區域）之間。這個位置以一個紅色的虛線標記。

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