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沈躍和孫志偉團(tuán)隊一起調(diào)試直線型植保無人機(jī) 江蘇大學(xué)供圖

“相比目前市場上常見的多旋翼植保無人機(jī)，可能有更簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計嗎？比如，直線型？”“不可能！即使真的飛起來也不會穩(wěn)。”一年前，江蘇大學(xué)里的一群飛控迷們怎么也不相信，一根噴桿如何能變身自由穿梭的飛行器。

然而，經(jīng)過一年時間反復(fù)打磨試驗，江蘇大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)研究生孫志偉和他的伙伴們帶著他們設(shè)計的兩代“飛桿”作品，在日前舉辦的“兆易創(chuàng)新杯”第十六屆中國研究生電子設(shè)計競賽、“光谷杯”第三屆中國研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計大賽中連奪兩項一等獎，更是一路挺進(jìn)全國top10，參加即將在11月舉辦的中國研究生電子設(shè)計競賽路演展示。

“創(chuàng)新是我們的主旋律”

在江蘇大學(xué)校園東北角的一座山坡上，可見一幢白色三層小樓，這便是“飛桿”的誕生地：電氣信息工程學(xué)院躍然創(chuàng)客工作室。每次走進(jìn)工作室，孫志偉的目光總是習(xí)慣在雪白墻上的八個大字“勇于探索、敢于創(chuàng)新”上停留片刻。

“從0到1最厲害，有用的創(chuàng)新是真創(chuàng)新。”孫志偉是躍然創(chuàng)客工作室飛控組團(tuán)隊的學(xué)生負(fù)責(zé)人。據(jù)孫志偉介紹，來到工作室的隊員都是喜歡創(chuàng)新性研究的愛好者。“創(chuàng)新就是我們的主旋律。如果只是在復(fù)制別人走過的模式，那就沒有真正學(xué)到那股創(chuàng)新精神。”

第一代“飛桿”是一款直線型植保無人機(jī)。相較于傳統(tǒng)多旋翼植保無人機(jī)普遍存在續(xù)航時間短、風(fēng)場擾流導(dǎo)致噴霧不均勻等問題，團(tuán)隊提出了一種直線型無人機(jī)噴桿噴霧結(jié)構(gòu)。

“越簡單越好，越容易實現(xiàn)越好”是他們的設(shè)計初衷。由于市場中從未出現(xiàn)過直線型的飛行器結(jié)構(gòu)，起初設(shè)計思路一經(jīng)提出，團(tuán)隊中不乏有不看好的聲音，但經(jīng)過理論推導(dǎo)，直線型飛行器結(jié)構(gòu)的可行性及其植保作業(yè)的優(yōu)越性讓隊員們選擇了堅持，開啟一條顛覆性創(chuàng)新之旅。

“直線型分布旋翼產(chǎn)生的下洗風(fēng)場更加均勻，能夠有效增加藥液在植株冠層間的附著，噴霧質(zhì)量更高的同時，大大提升田間作業(yè)效率。”孫志偉解釋說，以市場上常見的四旋翼、六旋翼、八旋翼，甚至更多旋翼的飛行器為例，旋翼都是對稱分布在機(jī)體四周，形成了多點(diǎn)位下洗風(fēng)場。但對于植保作業(yè)來說，實際只有直線方向上的下洗風(fēng)場才有效。因此，如何最大程度地利用旋翼下洗風(fēng)場，提高作業(yè)效率成為了團(tuán)隊探索的方向之一。

“停下來，慢一點(diǎn)，步子可以小一點(diǎn)”

江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院教授沈躍是躍然工作室的創(chuàng)辦人。談起飛控組團(tuán)隊，沈躍對他們頗為贊賞，最得意的還是這些學(xué)生坐得住。“搞科研創(chuàng)新的學(xué)生很多，但最后真正能堅持下來的比較少，這不是一條好走的路，免不了遇到坎坷、瓶頸，能夠坐得住‘冷板凳’的人，才有可能做出些成績。”

創(chuàng)新思路可以天馬行空，但應(yīng)用還得腳踏實地。

植保無人機(jī)，植保才是它的重點(diǎn)，效果才是它的考量標(biāo)準(zhǔn)。作為一款最終服務(wù)于農(nóng)的植保無人機(jī)，隊員們清楚它的作業(yè)效率還沒有達(dá)到目前認(rèn)知的最高理論水平。在沈躍的指導(dǎo)下，不滿足于現(xiàn)狀的隊員們開始尋找升級方案。

從動力選型、硬件布局到軟件框架搭建、控制算法編寫再到仿真實驗、調(diào)試飛行，其間凝聚了團(tuán)隊無數(shù)個白天與黑夜的艱辛。“基本上每突破一個難題，就會迎來新的技術(shù)難題，但大家都是迎難而上，抽絲剝繭，一遍遍地改進(jìn)調(diào)試，辛苦并快樂著。”最終長約3米的碳纖維主桿，搭載大升力主升電機(jī)，有效提升載荷的同時加入航姿修正更為快速的舵機(jī)傾轉(zhuǎn)控制結(jié)構(gòu)，一款傾轉(zhuǎn)翼植保無人機(jī)由此誕生。

不僅敢想，而且敢干。這條創(chuàng)新道路，這群“95后”創(chuàng)客雖走得磕磕絆絆，但總體還算順暢。然而，其中一次的失敗試驗給了他們一記“當(dāng)頭棒喝”。

團(tuán)隊中負(fù)責(zé)風(fēng)場分析及霧滴沉積分布的江蘇大學(xué)研究生沈亞運(yùn)曾獲邀參加第十一屆江蘇國際農(nóng)業(yè)機(jī)械展覽會，展會上很多來自企業(yè)的研究人員都對這款新型植保無人機(jī)表現(xiàn)出極大的興趣，但同時也對它的實際應(yīng)用存在質(zhì)疑。鑒于此，欣喜于3米長機(jī)型的試飛成功，團(tuán)隊便躍躍欲試進(jìn)一步增大噴幅，將機(jī)身設(shè)計至5米。試飛前的調(diào)試很順利，不想正式起飛后沒兩秒便“咣當(dāng)”摔下，碎了一地。

“發(fā)生的那一瞬間確實挺失望的，也會懷疑我們之前的思路是否正確。”在沈躍建議“步子不能邁得太大，要搞清楚主桿變長后不穩(wěn)定的因數(shù)”后，團(tuán)隊認(rèn)識到，應(yīng)該停下來，慢一點(diǎn)。“創(chuàng)新研究就像一棵大樹，有了牢固的根基才能枝繁葉茂，有了創(chuàng)新的‘金點(diǎn)子’，也要有腳踏實地、持之以恒的勤勉鉆研才能夠?qū)崿F(xiàn)。”沈亞運(yùn)感慨道。

想象與追夢的道路上，并非單打獨(dú)斗

在研發(fā)出直線型植保無人機(jī)和傾轉(zhuǎn)翼植保無人機(jī)之前，孫志偉和團(tuán)隊成員們設(shè)計過多種機(jī)型結(jié)構(gòu)，固定翼式、飛艇式、滑翔式……造型可謂千奇百怪。孫志偉回想起來覺得這段摸索過程十分有趣。他笑著說：“想象與追夢的道路上，我不是一個人在戰(zhàn)斗。即使面對再多次的‘炸機(jī)’也不怕，大家共同思考和琢磨便總能找出條路來。”

兩代作品從直線型旋翼結(jié)構(gòu)、飛行控制器設(shè)計到相關(guān)旋翼、機(jī)身參數(shù)辨識平臺等，均由團(tuán)隊自主研發(fā)，目前已申請5項國家發(fā)明專利，2項獲實用新型專利授權(quán)。實際上，“以賽促學(xué)、以賽促研”是躍然工作室的傳統(tǒng)，自2015年成立以來，致力于農(nóng)業(yè)智能控制領(lǐng)域的大學(xué)生們已組隊在各類國家級賽事中獲獎30余項。

據(jù)負(fù)責(zé)通信協(xié)議編寫和硬件驅(qū)動工作的江蘇大學(xué)研究生王德偉介紹，目前他們正嘗試為直線型植保無人機(jī)搭載固態(tài)雷達(dá)，強(qiáng)化感知功能，通過飛行狀態(tài)云監(jiān)測，提升人機(jī)交互體驗，進(jìn)一步解鎖更多應(yīng)用場景。有趣的是，今年他們還利用了這款設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與飛控算法的魯棒性，連夜做了一個試驗，實現(xiàn)了跨介質(zhì)飛行。通俗地說，就是能在天上飛，也能在海中游。王德偉回憶當(dāng)時，“看著無人機(jī)出水的那一刻我們都興奮地叫出了聲。”