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上海大學 | 翱翔吧,夢之無人機!

2022-02-28 13:09
媒體報導
摘要:這顆種子在四年中不斷生根發芽,終于在此刻開花結果。

“我們這架無人機是全世界獨一無二的!從動力到機身再到電路都出自我們三位組員之手,幾乎避免了市面上所有機型的硬傷?!?strong>這架堪稱驚艷的無人機托起了上海大學蔣瑋,陳彥昊,龔樂為三位同學的“TI杯”國賽一等獎,也承載著他們大學四年與電子設計相關的無數回憶與汗水。


起飛的背后   

       是漫長的滑翔


“剛開始接觸電賽的時候,我們就有一個堅定的信念,那就是抱著捧杯的目標去沖刺?!?/span>隊長蔣瑋自豪地說道。


上海大學的無人機歷來是強項,在2019年的TI杯全國大學生電子設計競賽(后簡稱“國賽”)中就曾獲得無人機賽題的一等獎。無人機能夠成為上海大學的傳統強項得益于通信學院工程教育中心與德州儀器很早就成立的大學生創新中心、模擬技術聯合實驗室以及MSP430單片機聯合實驗室。


TI大學計劃為實驗中心免費提供了大量各種單片機開發板和模擬電路芯片。在學院開發的教學課程內容上也會涉及到很多TI器件,例如TI-RSLK機器人系統教學套件,其豐富的傳感器可以應用于各種各樣的應用場景,同學們可以利用它們作為案例來解決各種系統電路設計問題。


于是,在三位同學的心里,從此便埋下了一顆“憧憬奪冠”的種子,這顆種子在四年中不斷生根發芽,終于在此刻開花結果。蔣瑋,陳彥昊,龔樂為這支無人機“夢之隊”始于2019年,這三位各方面能力都在培訓小組內屬于頂尖的同學強強聯手,蔣瑋負責無人機機型設計和硬件的組裝,龔樂為負責飛行控制和無人機組件的3D打印,陳彥昊負責視覺和印刷電路板的設計。


圖:上海大學通信工程學院與TI共建聯合實驗室


在2020年的“TI杯上海市大學生電子設計競賽”中,這三位同學初次參加大賽就取得了二等獎的佳績,蔣瑋談到,這次參賽經歷非常重要,讓他們在面對這次國賽時駕輕就熟。也是在第一次省賽的過程中,他們總結了很多經驗,也對無人機的設計有了全新的想法?!?strong>我們上海大學2019年獲得國賽一等獎的無人機是全國所有參賽無人機中最小的一架,走的是短小精悍的路線,但是我們這次參賽卻完全走了一條相反的路?!?/strong>


談起這架獨一無二的無人機,同學們的興奮溢于言表。他們現在的參賽無人機堪稱無人機中的“巨無霸”,其設計理念來源于培訓中的經驗和教訓。在之前的培訓中,同學們采用的是小機型的無人機,他們每完成一道訓練題,就會將無人機更新迭代一次,每一次更新都會增加無人機的負載。


當發現越來越多小型無人機的短板后,他們下定決心一定要從根源上解決這些問題。一般情況下,很多參賽者都會采用能在網上購買到的無人機成品機身套件,采用這種機身套件本身也是比較科學的,但在組裝完成后會碰到一個困難,那就是不方便進行自控。在參加電賽時會有很多傳感器和控制電路需要安裝在無人機上,而一個傳統的標準機型支架是非常不利于安裝這些傳感器及電路板的。面臨著這樣的困境,三位同學并沒有選擇走捷徑,而是走上了一條“無人機DIY”的漫漫長路。


圖:三位同學自己設計的無人機


“我們的無人機完全是自己設計的,所以我們可以在設計無人機時就預留出所有傳感器和控制電路板安裝的位置,連孔距都是我們計算過的最優狀態?!?/span>隊長蔣瑋在談到這架無人機時,仿佛在和別人介紹自己最親密的摯友,對它的特點如數家珍。也得益于他們前期無數次的測試,比賽時所有的傳感器都可以在預留的位置上達到最佳工作狀態,原本傳感器之間競爭位置和安裝口的情況就不存在了。


同時,他們設計時還考慮到了無人機理線的問題,將信號線電源線隔得足夠遠,就不會有互相之間的耦合干擾。此外,超大的機身還解決了攝像頭因抖動而定位不準的情況,極大程度地增加了無人機剛性,直接就達到了硬件消抖的效果。


 “我們在一次次的試錯和打磨后,讓這架無人機成為了這次國賽中最大的利器!對我們來說,最大的挑戰是在平時,真正上賽場后,反而非常淡定從容了?!?/strong>龔樂為同學這么總結道。


圖:左起為陳彥昊,蔣瑋,指導老師丁曉青,龔樂為


在頂點

就能看到最美的風景


在這次國賽中,他們面臨的是近幾年競賽無人機題型中設計量最大的一道題,需要使用一架基于四旋翼無人機的模擬植保飛行器完成“播撒農藥”的任務,一共有28個區塊要撒藥,這就意味著無人機需要進行28次輸出,且每個光點都要對應得足夠精準,并且不能有重復,漏撒和誤撒。


賽題難度的提高卻并沒有令三位同學的信心受到絲毫動搖,“我們平時訓練的題目難度也非常大,每次訓練‘武器庫’里奇怪的裝備都會增加,參加比賽就只需要從中挑選出趁手的裝備而已?!?/strong>談到賽前的訓練,三位同學覺得指導老師丁曉青布置的訓練題只能用“難到不可思議”來概括。


蔣瑋和我們介紹道: “丁老師對我們完全不手軟,想盡辦法給我們出各種難題,我們在做這些題目時就是痛并快樂著的狀態,每次都能收獲很多。比如,在賽前訓練的小車聯動空中投貨和模擬牧羊犬的題中,我們學會了如何用激光雷達對桿塔進行定位尋找以及對地圖進行網格化處理,這些知識點在這次國賽中都得到了應用?!?/strong>


這次國賽,蔣瑋小組作品的精髓可以說集中在兩個高級傳感器上——雙目攝像頭和激光雷達。雙目攝像頭用來定點,激光雷達用來確定桿子的位置。面對賽題要求的高精度,他們的無人機游刃有余。陳彥昊同學提到,本次賽題的降落精度要求可以說是歷來最高,誤差不能超過十厘米。而他們的這架無人機獨有的細長機腳,會讓旋翼離地面非常遠??梢宰钚』孛鏈u流對于無人機降落的影響,使得降落精度非常高。


此外,由于他們的無人機足夠大,他們賽前準備的所有高級傳感器和電路板都可以根據需要輕松地放置在無人機上,不會對于無人機續航或者控制造成影響,這也進一步提高了他們無人機的性能表現和精度。值得一提的是,這架無人機的飛行控制電路板的主芯片采用了TI的TM4C系列MCU產品。這款產品的高性價比使其成為了上海大學參賽無人機的標配。


圖:參賽無人機


當然,對于三位同學來說,僅僅完成賽題的要求不是他們的終點,他們追求的是極致。第一天,他們就完成了基本要求,第二、三天賽題的采分點他們基本就能達到滿分?!案呤诌^招,分秒必爭”,對于三位同學這架“巨無霸”無人機來說,速度是他們目前僅有的劣勢。為了盡可能減少無人機完成任務的耗時,他們在第四天開足馬力徹底修改了一遍主控程序,最終平均每一趟任務只需要1分07秒即可完成,而其他隊伍則連2分鐘內完成一趟都難以達到??紤]到三位同學無人機龐大的體積,這個速度堪稱“登峰造極”,最終獲得一等獎也是意料之內了。


未來

繼續乘風而行


無人機,陪伴了蔣瑋,陳彥昊,龔樂為四年。面對設計中出現的瓶頸,很多人都放棄了拼搏,而他們依然在挑戰自己,通過集各校之長,學習國內外的開源工程不斷擴展他們的思路,超越原有的技術。


這四年,他們一直在不斷尋找一款完美的無人機,最終發現,所謂的完美并不存在,只有不斷更新,不斷迭代,永不止步。相信在未來,這段全身心備戰國賽的時光也將成為他們羽翼,助他們在夢想的天空翱翔。