2014年10月，李泽湘教授带领着港科大机器人研究所与DJI联合团队到海拔4550米得贡嘎字梅垭口，在高原低温低压环境中对产品进行飞行测试。一举创下民用小型无人机在4550米海拔起飞，升空1050米的世界记录
李泽湘教授是香港科技大学电子与计算机工程系教授、自动化技术中心主任。他的实验室一直致力于机 器人与民用无人机的研究和开发。2006年, 李教授的一名硕士学生汪滔在他的指导下创办了DJI大疆创 新,希望将小型民用无人机商业化。成立之初,大疆是一个只有几名员工的小团队,到2014年大疆已经 在全世界拥有员工3000余人,并占据了全球中小型民用无人机市场50%的市场份额,代表着民用小型无 人机研发的最高水平。其产品被广泛应用于航拍、灾难救援、边防、地图测绘等领域。大疆最新的消费 级航拍飞行器 Phantom 2 Vision+ 集成了云台和高清摄像头,实现了手机预览、自主悬停、失控返航、 超视距飞行等功能。并且操作简单,无需组装,真正做到了“到手即飞”。大疆的精灵系列产品曾被 《时代周刊》评选为2013年年度北美地区最值得拥有的高科技产品;大疆创新创始人汪滔也成为了《福 布斯》中国区2014年年度十大创新人物中最年轻的一位。
为什么要选择在青藏高原测试
李教授最近三次进藏都是为了测试大疆创新已经或即将推出的航拍飞行器。或许大家会有这样的疑问, 为什么要多次在高原地区对一个已经比较成熟的产品进行测试?原因是高原地区的高海拔会导致低气压 和低气温,这些因素对无人机工作的影响非常大。主要体现在以下方面:
首先是动力方面。对于旋翼类飞行器而言,在螺旋桨的转速不变的情况下,空气密度越小,飞行器获得的 升力越小。低气压则意味着空气密度低,在零米零度时空气密度为1.28千克每立方米,上升到海拔6000 米后气温会降至-20度,空气密度也仅有海平面空气密度的一半——2.64千克每立方米。按照这个数值 计算,当飞行器飞到海拔6000米的高度,那么它必须多消耗40%的功率才能保持与低海拔地区相同的推 力,或者说同样的功率只能输出60%的推力。因此在低海拔地区可以正常飞行的飞行器可能会在高原地 区无法起飞,或者发生坠机事故。在螺旋桨飞机的时代,也就是喷气式飞机尚未普及之前,青藏高原航 线的飞机失事率一直很高,也是由于这一缘故。高的功率消耗对电池的容量提出了更高的要求,而低气 温则会极大地影响电池的续航能力。普通电池的正常工作温度为10-40度,如果超出这个正常的工作区间工作,电池的续航时间将会大大缩短。所以,电池必须具有非常良好的性能才能应对恶劣的环境,达到 这些要求。
其次是飞行器控制系统。由于高空中风速快、气温低,飞行器本身的传感器和控制算法必须足够稳健, 才能适应低温与大风带来的影响。
在高原地区极端的自然环境中飞行会对电动多旋翼飞行器的电池和动力系统以及飞控稳定性都提出更高 的要求。因此在高原地区的飞行测试,也是检测电池电机技术发展以及飞控稳定性最为简单、直观的方 法。青藏高原是世界平均海拔最高的高原,成为了不可多得的电动多旋翼无人飞行器的天然测试场。
自2009年,酷爱户外的李教授已经认识到了这一点,所以大疆创新每次研发新产品,他都会不辞劳苦地带 着设备来到青藏高原。教授的愿望是可以操纵无人机飞跃地球上最高的山峰——珠穆朗玛峰。他曾 说:“珠峰大本营距离珠峰20多公里,我希望我们的民用小型无人飞行器可以从大本营起飞,一直飞到23 公里之外的珠峰之巅并能自主降落,成功返航。”显而易见,这对飞行器的动力系统、飞行控制系统、 续航能力都有极高的要求。如果能实现这个目标,将意味着无人机时代的真正到来。民用无人飞行器的应 用范围将大幅度扩大:远距离运送货物、自动巡逻、远距离搜救都将成为可能。
世界屋脊上的挑战
为了实现这个愿望,李教授与汪滔、石头组成的三人团队在珠峰大本营进行过一次飞行器实验,他们携 带的是最新的电动直升飞机。团队拖着两个长达2米的大箱子爬上海拔5180米的珠峰大本营。直升机在 珠峰大本营成功起飞,但是只能升空到20米的高度。直升飞机素以升力大而著名,两架550轴距的电动 直升飞机就能承受一个人的重量。这一次的高原测试让大家看到了高原环境对直升机性能的巨大挑战。
2010年,大疆创新重磅产品ACE One直升机飞控发布,直升飞机的可操控性又上升了一个台阶。李泽 湘教授与汪滔带着测试团队以及装备ACE One飞控的电动直升机到达青藏高原和贡嘎山脉准备测试飞控 的稳定性。对于为什么这次没有继续挑战珠峰大本营而选择贡嘎,李教授解释道:“因为珠穆朗玛峰太 高了,贡嘎稍微低一些(7421米),可以作为一个初步目标。而且贡嘎是世界上最难爬的山之一,只有一个人 登顶了活着回来的,能用无人机登顶此山同样有着非同寻常的意义。”测试并没有想象中顺利,这次一共 带了3台直升机,一台油动、两台电动。油动直升机在3800米的时候就由于桨效率和引擎效率过低而无 法起飞了,不过所幸电动直升机突破了一年之前5180米的记录,达到了5400米。不过此时直升机的瓶 颈已经开始慢慢凸显出来。
2013年,世界上首台一体航拍四轴飞行器大疆精灵 Phantom 2 Vision 发布,更新了电机和桨叶的大疆 精灵最大拉力增加了800g,转速峰值也增加了500转/秒。转速峰值提高,意味着飞行器的动力冗余变 大,也就意味着就算在低海拔的地区,其抗风性能、飞行器稳定性都会上升。在同样的测试地点, Phantom 2 Vision飞起来了,虽然只有2米的飞行高度,但对于多轴飞行器而言,已经实现了一个质的飞 跃!
1050米的世界纪录!
2014年10月15日,新一代大疆精灵又来到了贡嘎,带着刚刚更新的动力系统,大疆创新Phantom 2 Vision+ 新配备的2312电机采用开创性的绕组结构,不仅整体美观,更有效提升了槽满率和散热性能。 为Phantom量身打造的电磁设计在保持电机质量不变的情况下有效提升了输出功率,配合全新升级的 9450桨和最新电调固件,新动力系统在3S电压下最大输出拉力提升200g,在保证飞行时间不变的前提 下大大改善了飞行体验,并为Phantom的配置提供了更多的可能。
为了测试新动力系统的真实性能, 2014年10月12日,李教授带着一线的研发人员再一次来到了海拔 5000米的子梅垭口。他们一行8人从深圳启程前往成都,13日从成都驱车前往贡嘎雪山,15日到达子 梅垭口。给飞行器记录好返航点后,随着李老师一声令下, Phantom 2 Vision+ 腾空而起,轻松打破了 2米的高度记录。飞行员操作飞行器继续向上攀升,50米、80米、150米......每一个升空高度都在创造航 拍无人飞行器的新纪录。当飞机升空到300米左右的时候,山里起雾了。高海拔地区的雾来得很快,眨眼 的功夫整个山谷就烟雾缭绕。飞行器也淹没在了浓雾之中。是否继续上升?大家都用询问的眼光望向李 教授。教授沉思片刻做出继续攀升的决定。一会儿功夫,Phantom 2 Vision+ 就飞出了浓雾,大家从手 机上飞行器回传回来的实时画面看到飞机已经徜徉在茫茫云海的上方。飞行器继续攀升,Phantom 2 Vision+的表现超出了所有人的想像,“400米!600米!800米!900米!950米!!”飞手用几乎颤 抖的声音激动地报出飞行器的即时高度。现在取得的成绩已经远远超出了预期,但是队员们的心情并不 轻松。因为高空中风速很快,气温也很低,电池的续航能力未知,任何环节出问题,此次测试都可能以失 败告终。当飞行高度突破1000米大关,李教授下令返航,最终的飞行高度为1050米。
同我们平时登山一样,飞行器降落的难度也不亚于升空的难度。如果下降速度过快,飞行器在自己的下 降气流里很容易就会失速,而如果按常规的之字型返航此时又完全看不到飞机,很容易就偏离飞行路 线。这时怎么返航成了重大难题。其实李教授早就考虑到了这个问题,所以在飞机起飞之前就已记录好 返航点,到达目标高度后可以直接启用一键返航,等飞机返航进入飞手视野后,飞手再切回控制权,将飞 机安全降落。
这次返航采用的就是这个方法。飞行员拨下一键返航的摇杆,之后就进入了漫长的等待。队员们的精神 都高度紧张,因为高原地区磁场会对电磁信号有干扰,可能对飞行器的GPS定位系统造成极大影响,甚 至可能导致飞行器直接坠毁。等待的时间过得缓慢,谁也不知道飞行器的命运究竟会怎么样,这次的努 力会不会最后功成一溃。“漫长”的2分钟之后,飞行员Ella首先发现了云雾中的一个小黑点。“飞机回 来啦!!”随着大家的欢呼声,飞行器越来越近。在距离地面100米左右的时候Ella切回了手动控制 权。“李老师!飞行器快没电了!只有3%的电量了!”大家心又悬了起来,几双眼睛都盯着飞手Ella。随 着飞行器稳稳得降落在地面上,屏住呼吸的大家都跳了起来,为这来之不易的成绩欢呼。1050米的升空 高度,创下了民用无人机行业的新高峰!
通过提高电池、电机和桨的性能,再加上优化之后的图像传输算法以及飞行控制算法,新一代的大疆精 灵Phantom 2 Vision+实现了从海拔4500米起飞,飞到海拔5600米高度的成绩,相对飞行距离超过 1050米。 在这个过程中,飞行器的以下几个性能被体现了出来:
1. 充足的推力。按照前述计算,能够飞到海拔5600米,说明在海拔0米的地方飞行器60%的推力就超过 了飞行器的重量,推力与重力之比超过1.4。
2. 超过一公里的图像通讯距离。Phantom 2 Vision+距离地面控制器最远的距离为1050米左右,此时 图像传输链路依然可以稳定工作。
3. 在平均温度约为0度的环境中能持续飞行约15分钟。在此次的飞行中,为了安全期间,飞行器的上升 速度被限制为4米每秒,下降速度被限制为2米每秒,这样为了飞到1050米并安全返回所需的时间大 于12分钟。飞行过程中,起飞地的气温为2-3度,由此推算,高空中的气温在-5度左右。全过程中电 池以及所有机载传感器都工作正常。
4. 飞控算法的稳定性。爬升到超视距的高度再返回,由于飞控对水平位置进行了稳定修正,过程中飞行 器只有很小的漂移,降落点距离起飞点偏移不超过50米。
把李老师这几次探险串联起来不难发现,每一次测试,无人机技术都有一个飞越。从第一次无法起飞, 到2米的升空高度,到这次一举突破1000米,大疆技术探索的脚步迈得大胆且坚实。这次1050米的成 绩离李老师穿越珠峰的梦想还有很大距离。但是李老师毫不怀疑,“技术的创新并非一蹴而就,也许2 年、也许10年,总有一天民用无人飞行器能飞跃珠峰,创造无人机的新时代!”
