开源框架下的垂直起落无人机设计：低保真验证与商业软件比较

本文主要探讨了使用开源框架设计和优化垂直起落集群无人机系统的低保真度验证过程，以及商业软件的验证结果。作者通过构建一个完全由开源软件、库和内部代码组成的飞机设计框架，成功设计出了一种全电动VTOL/FW模式的无人机，能执行远程监视任务并携带一定重量的救援负载。文章还提到了使用粒子群优化算法（PSO）进行设计优化，并通过制造物理原型、集成传感器和ArduPilot软件进行验证。 正文: 在当前的无人机研究领域，垂直起落（VTOL）无人机因其独特的灵活性和适应性而受到广泛关注。这些混合构型的无人机结合了固定翼和垂直推力的特点，能够在各种任务场景中展现优良的性能。然而，设计这类无人机时，需要克服的主要难题是增加的垂直推力部件重量和寄生阻力，这对于微型飞行器（MAV）尤其具有挑战性，因为其工作在低雷诺数环境。 为了解决这些问题，作者提出了一种创新的方法，即利用开源软件进行设计和优化。这种方法为学生和初级设计师提供了易于获取和使用的资源，克服了传统商业软件高昂成本和集成难度的障碍。开源工具不仅允许初学者从零开始学习飞机设计，还能促进定制和创新，这在飞机设计的多学科交叉领域中尤为重要。 文章详细描述了如何运用开源框架设计一个具备VTOL和固定翼能力的全电动无人机，旨在进行长达100公里的远程监视任务，同时携带最高1公斤的负载，并能在adhoc Wi-Fi网络中与其他无人机协同作业。设计过程中，采用了粒子群优化算法（PSO）进行低保真度设计优化，以寻找最佳的设计参数。这一方法降低了设计复杂度，提高了效率。 为了验证设计的可行性，作者制造了一个物理原型，采用玻璃纤维和XPS泡沫材料，并集成了一系列传感器。原型机经过ArduPilot软件的调试和校准，证实了低保真度设计是一个安全且有效的起点，适用于有限时间内的原型制作。 文章最后讨论了使用开源软件的技术挑战，如兼容性、稳定性等问题，以及混合构型无人机在实际飞行试验中的表现。尽管存在挑战，但开源框架的使用为无人机设计带来了更多的可能性，尤其是在学术环境中的端到端解决方案，从概念设计到自动驾驶仪测试的全过程。 这篇文章展示了如何利用开源工具进行无人机设计优化，特别是在垂直起落无人机领域，为教育和研究提供了一条经济高效的道路。这种方法鼓励了更多的创新和实践，有助于推动无人机技术的进一步发展。