A Control Theoretic Study on Omnidirectional MAVs with Minimum Number of Actuators and No Internal Forces at Any Orientation
本文提出并验证了一类具有包含被动关节的多体结构的全向多旋翼飞行器，该飞行器通过推导出的动力学模型和反馈线性化控制策略，利用最少数量的单向旋翼实现了全姿态可控性，并在稳态下不产生内力。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，天空是一个巨大的、隐形的舞池，而上面有一群被称为无人机的小型飞行机器人正试图进行表演。长期以来，这些无人机就像是笨拙的舞者，只能前后移动或原地旋转。如果它们想要侧向移动或倾斜飞行，就必须尴尬地扭动整个身体，这限制了它们的表现。这是因为它们的“腿”（螺旋桨）都固定朝向同一个方向，就像一群人试图推车却只能面向前方一样。科学家们一直试图制造出能够向任何方向——侧向、倒置或倾斜——飞行而不失去平衡的无人机。这被称为“全向性”。大的挑战在于，制造这种功能的无人机通常需要增加过多的电机，使用沉重的电池，或者通过自我对抗来浪费能量以保持静止。
现在，请想象一种解决了这个难题的新型无人机。这种无人机不再是一个带有固定螺旋桨的刚性方块，而是将一个主体通过关节连接到若干条臂上，这些关节允许手臂摆动，但带有特定的阻力（粘性摩擦），而不是完全松动的。在这些臂的末端，螺旋桨单元安装在臂上，并不随之自由旋转。这项研究背后的研究人员 Ahmed Ali、Chiara Gabellieri 和 Antonio Franchi 提出了一个大胆的问题：我们能否利用最少的电机，构建一种可以在任何方向飞行的无人机，且不会产生内部对抗浪费能量，也不需要那种既能推又能拉的螺旋桨？
该论文提出了一种全新的“多旋翼飞行器”（MAVs）设计方案，它使用了一个聪明的技巧。他们建议采用一种结构：主体通过被动关节连接到几条臂（连杆）上。这些关节没有动力驱动；它们只是让手臂摆动，但受到粘性摩擦的影响。然而，这些手臂的设计使得手臂的重量和螺旋桨的推力能够创造出一种自然的平衡。该想法有两种版本：一种是手臂仅靠自身摆动（类型 1），另一种是更先进的版本（类型 2），在类型 2 中，至少有一条臂由电机或一对可以相互推挤以产生转动力的特殊螺旋桨进行主动控制。
团队发现，第一种版本（类型 1）无法实现完全的自由移动；它就像一个只能旋转但不能侧滑的舞者。然而，第二种版本（类型 2）才是主角。通过使用一种智能控制系统（一种被称为“输入/输出反馈线性化”的数学配方），他们证明了这种无人机可以完美地控制其位置和倾斜度。它可以在任何姿态下悬停，而不会产生任何浪费的内力（即不会自我对抗），并且仅使用单向推力的螺旋桨，这种螺旋桨更便宜且更高效。
研究人员并不仅仅是在空想；他们构建了一个无人机物理学的数学模型，并通过计算机模拟进行了测试。他们展示了只要拥有足够数量的输入（等于无人机需要移动的方式的数量），无人机就能稳定自身并遵循路径飞行。他们甚至测试了无人机在面对误差时的表现，比如当无人机的重量与预期略有不同，或者受到阵风袭击时。模拟结果显示，虽然无人机对重量变化很敏感，但它仍然可以恢复并良好飞行，尤其是在风向快速变化的情况下。
简而言之，这篇论文介绍了一种更精简的构建飞行机器人的新方法。它证明了你不需要一堆电机或昂贵的、可逆向的螺旋桨，就能制造出能在任何方向飞行的无人机。通过让无人机的机械臂自然摆动（带有受控摩擦），并使用一个聪明的“大脑”来控制它们，你就能得到一台更轻、更便宜、更节能的机器，能够完成标准设计此前无法实现的复杂空中舞蹈。作者对他们的数学模型和模拟实验充满信心，认为这是一个坚实的进步，尽管他们也指出，在实验室进行现实世界的测试是下一步，以观察它在现实世界中的飞行表现是否真如在计算机中那样出色。
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