在去年的IROS大會上，加州理工學院和美國宇航局噴氣推進實驗室展示了一個彈道發射的四旋翼機的原型，一旦折疊成一種帶有鰭的足球形狀，無人機就被塞進一個管子里，然后用壓縮的二氧化碳直直地向上發射，屆時它就會自動展開，穩定下來，然后飛走。大約半年過去了，樣機的尺寸和性能都得到了提升，現在它已擁有了6個轉子和完全的自主權，可以（勉強）擠進6英寸的管子。

去年的原型機的尺寸為3英寸（7.6厘米），現在已被稱為micro-SQUID，而新版的SQUID是比這個更強大的6英寸版本。（關于之前的原型設計介紹，可輸入網址進行查看：https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/caltech-and-jpl-firing-quadrotors-out-of-cannons。）當時，在研究人員對初代SQUID進行測試時，它不僅能在固定不動的彈筒里快速發射，在快速行駛的卡車上（50km/小時）發射也不成問題，而且發射速度非常快，然后平穩飛行。這極大改善了無人機起飛方式的現狀，幾乎可以在任何地方發射SQUID。可以想象，它或許可以在顛簸在海浪里的船只上發射，或者在飛行中的另一個無人機上發射。

micro-SQUID的目的是研究彈道發射多旋翼的一般空氣動力學和結構原理，而不是開發能夠執行任務的東西。任務能力意味著，除其他外，無需依賴GPS的車載自主性，而GPS反過來又要求傳感和計算的重量和耗電量足以使整個車輛擴大規模。新的6英寸SQUID進行了一些重大更新，包括空氣動力學重新設計，通過使用可展開的翅膀改進了發射和彈道飛行期間的被動穩定性。自治硬件包括一個攝像頭（FLIR Chameleon3），測距儀（TeraRanger Evo 60m），IMU /氣壓計（VectorNav VN-100）和車載計算機（NVIDIA Jetson TX2）。

Image: Caltech & NASA JPLTop: SQUID overview. Bottom: SQUID partially inside the launcher tube (a), with its arms and fins fully deployed from a side (b), and top perspective (c).

結構和空氣動力學的改變是必要的，因為SQUID在飛行的第一階段根本就不是真正的飛行，而是在離開發射架后沿著它所處的彈道飛行。如果它只是直線上升，那也不算太糟，但如果無人機以一定角度發射，或者從移動的飛行器上發射，情況就會變得更加復雜，需要考慮空氣動力學，以確保無人機在發射后沿著彈道運動的姿態穩定性。較高的重心（電池位于鼻錐中）對此有幫助，可展開的翅膀起到雙重作用：使無人機被動地指向氣流中，同時還充當起落架。翅膀具有閂鎖機制，以使其既可折疊又足夠穩定。

SQUID的6英寸尺寸是一個真正的挑戰。你不僅要把所有的電池和電腦塞進這個空間，還要確保傳感器有他們需要的視野，同時要記住，在折疊狀態下，所有的手臂和腿都必須與其他物體共享同一空間。不過，事實證明，SQUID的優化效果非常好，重量只有3.3公斤。

既然管式發射存在那么多挑戰，為什么還要采用這種發射方式呢？原因如下：

迅速發射：無需組裝或設置，不需要尋找平坦的地面，也不用提醒每個人都退后。只需按下按鈕，SQUID 就能以每秒 12 米的速度發射出去并進入飛行狀態。

安全發射：該飛行器發射時具備高度安全性，除非有人直接坐在發射管頂端。

移動發射：SQUID 可以從時速高達 50mph 的移動車輛中發射，這一點使其能夠應用于緊急情況，從而大大提高了其效用。

穿過物體發射：研究者指出，SQUID 可以在其氣動外形（機翼或旋翼沒有展開）下，直接穿過樹冠或電線發射。此前，只有旋翼機能做到這一點。

我們（作者，以下簡稱我）向研究人員詢問了他們開發更大版本SQUID的經驗，他們向我們分享了一個幕后故事，講述了他們如何成功地設置了一些東西，

將其轉移到更大版本的SQUID，在技術上來說是困難的（因為我們必須有一個全新的設計），但測試組織工作是一個巨大的飛躍。對于我們的小SQUID來說，只要一張網和一些備件就足以讓測試持續一天。但是當我們轉移到更大的SQUID時，我們需要把更重的東西“拋”向天空，里面裝載著昂貴的自主電子設備。 室內系繩系統的設置具有挑戰性，因為CAST arena的高度（42英尺高）意味著沒有cherry-picker，繩索的理想定位點是完全無法到達的。加州理工大學的無人機俱樂部加緊了腳步，在天花板橫梁周圍編織了一條小型四旋翼拖曳釣魚線，幫助建造了系繩系統。然后用釣魚線把更大的繩子拉過去。 其中一件有趣的事情是，SQUID離開發射管時的極度加速意味著纜繩變得非常松弛，實際上有可能被螺旋槳纏住或割斷。幸運的是，我們的增量測試活動在問題會發生之前就意識了這一點。為了應對這種松弛的系鏈情況，我們建造了一個鼻錐，在頂端安裝了一個5英尺長的碳纖維管，我們稱之為SQUID的劍魚鼻（我們已經有了一點水上主題）。一個拴在SQUID身體上的系鏈穿過管子，連接到更大的鑄鏈系統。我們確認，在發射過程中（對于我們給定的發射參數），系鏈不會下垂到低于管的位置，因此我們阻止了所有系鏈推進器的相互作用。

火箭實驗室的Electron可以向近地軌道(LEO)發射高達225千克(496磅)的有效載荷，但它計劃在不久的將來將其擴增至300千克(660磅)。雖然這只是Falcon 9可以攜帶到LEO的50,300磅重量中的一小部分，但Rocket Lab的每次飛行費用為500萬美元，而SpaceX的起步費用為6,200萬美元。目前，在美國的首次發射還沒有確定日期。

“彈道發射多旋翼的設計和自主穩定”由來自加州理工學院和噴氣推進實驗室的AmandaBouman、Paul Nadan、Matthew Anderson、Daniel Pastor、Jacob Izraelevitz、Joel Burdick和Brett Kennedy在ICRA 2020大會上發表，該論文被授予無人機領域的最佳論文。

原文標題：加州理工學院的加農炮式可折疊SQUID無人機有一天可能部署到火星

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