一根喷杆如何变身自由穿梭的飞行器

  “相比目前市场上常见的多旋翼植保无人机，可能有更简单的结构设计吗？比如，直线型？”“不可能！即使真的飞起来也不会稳。”一年前，江苏大学里的一群飞控迷们怎么也不相信，一根喷杆如何能变身自由穿梭的飞行器。

  然而，经过一年时间反复打磨试验，江苏大学控制科学与工程专业研究生孙志伟和他的伙伴们带着他们设计的两代“飞杆”作品，在日前举办的“兆易创新杯”第十六届中国研究生电子设计竞赛、“光谷杯”第三届中国研究生机器人创新设计大赛中连夺两项一等奖，更是一路挺进全国top10，参加即将在11月举办的中国研究生电子设计竞赛路演展示。

  在江苏大学校园东北角的一座山坡上，可见一幢白色三层小楼，这便是“飞杆”的诞生地：电气信息工程学院跃然创客工作室。每次走进工作室，孙志伟的目光总是习惯在雪白墙上的八个大字“勇于探索、敢于创新”上停留片刻。

  “从0到1最厉害，有用的创新是真创新。”孙志伟是跃然创客工作室飞控组团队的学生负责人。据孙志伟介绍，来到工作室的队员都是喜欢创新性研究的爱好者。“创新就是我们的主旋律。如果只是在复制别人走过的模式，那就没有真正学到那股创新精神。”

  第一代“飞杆”是一款直线型植保无人机。相较于传统多旋翼植保无人机都会存在航时短、风场扰流导致喷雾不均匀等问题，团队提出了一种直线型无人机喷杆喷雾结构。

  “越简单越好，越容易实现越好”是他们的设计初衷。由于市场中从未出现过直线型的飞行器结构，起初设计思路一经提出，团队中不乏有不看好的声音，但经过理论推导，直线型飞行器结构的可行性及其植保作业的优越性让队员们选择了坚持，开启一条颠覆性创新之旅。

  “直线型分布旋翼产生的下洗风场更加均匀，能够有效增加药液在植株冠层间的附着，喷雾质量更高的同时，极大的提升田间作业效率。”孙志伟解释说，以市场上常见的四旋翼、六旋翼、八旋翼，甚至更多旋翼的飞行器为例，旋翼都是对称分布在机体四周，形成了多点位下洗风场。但对于植保作业来说，实际只有直线方向上的下洗风场才有效。因此，如何最大限度地利用旋翼下洗风场，提高作业效率成为了团队探索的方向之一。

  江苏大学电气信息工程学院教授沈跃是跃然工作室的创办人。谈起飞控组团队，沈跃对他们颇为赞赏，最得意的还是这些学生坐得住。“搞科研创新的学生很多，但最后真正能坚持下来的比较少，这不是一条好走的路，免不了遇到坎坷、瓶颈，能够坐得住冷板凳的人，才有机会做出些成绩。”

  植保无人机，植保才是它的重点，效果才是它的考量标准。作为一款最终服务于农的植保无人机，队员们清楚它的作业效率还未达到目前认知的最高理论水平。在沈跃的指导下，不满足于现状的队员们开始寻找升级方案。

  从动力选型、硬件布局到软件框架搭建、控制算法编写再到仿真实验、调试飞行，其间凝聚了团队无数个白天与黑夜的艰辛。“基本上每突破一个难题，就会迎来新的技术难题，但大家都是迎难而上，抽丝剥茧，一遍遍地改进调试，辛苦并快乐着。”最终长约3米的碳纤维主杆，搭载大升力主升电机，有效提升载荷的同时加入航姿修正更为快速的舵机倾转控制结构，一款倾转翼植保无人机由此诞生。

  不仅敢想，而且敢干。这条创新道路，这群“95后”创客虽走得磕磕绊绊，但总体还算顺畅。然而，其中一次的失败试验给了他们一记“当头棒喝”。

  团队中负责风场分析及雾滴沉积分布的江苏大学研究生沈亚运曾获邀参加第十一届江苏国际农业机械展览会，展会上很多来自企业的研究人员都对这款新型植保无人机表现出极大的兴趣，但同时也对它的实际应用有质疑。鉴于此，欣喜于3米长机型的试飞成功，团队便跃跃欲试进一步增大喷幅，将机身设计至5米。试飞前的调试很顺利，不想正式起飞后没两秒便“咣当”摔下，碎了一地。

  “发生的那一瞬间确实挺失望的，也会怀疑我们之前的思路是不是正确。”在沈跃建议“步子不能迈得太大，要搞清楚主杆变长后不稳定的因数”后，团队认识到，应该停下来，慢一点。“创新研究就像一棵大树，有了牢固的根基才能枝繁叶茂，有了创新的金点子，也要有脚踏实地、持之以恒的勤勉钻研才可以在一定程度上完成。”沈亚运感慨道。

  在研发出直线型植保无人机和倾转翼植保无人机之前，孙志伟和小组成员们设计过多种机型结构，固定翼式、飞艇式、滑翔式造型可谓千奇百怪。孙志伟回想起来觉得这段摸索过程十分有趣。他笑着说：“想象与追梦的道路上，我不是一个人在战斗。即使面对再多次的炸机也不怕，大家共同思考和琢磨便总能找出条路来。”

  两代作品从直线型旋翼结构、飞行控制器设计到相关旋翼、机身参数辨识平台等，均由团队自主研发，目前已申请5项国家发明专利，2项获实用新型专利授权。实际上，“以赛促学、以赛促研”是跃然工作室的传统，自2015年成立以来，致力于农业智能控制领域的大学生们已组队在各类国家级赛事中获奖30余项。

  据负责通信协议编写和硬件驱动工作的江苏大学研究生王德伟介绍，目前他们正尝试为直线型植保无人机搭载固态雷达，强化感知功能，通过飞行状态云监测，提升人机交互体验，进一步解锁更多应用场景。有趣的是，今年他们还利用了这款设计的结构特点与飞控算法的鲁棒性，连夜做了一个试验，实现了跨介质飞行。通俗的说，就是能在天上飞，也能在海中游。王德伟回忆当时，“看着无人机出水的那一刻我们都兴奋地叫出了声。”