一种自主单执行器无人机，具备全向视野、高机动性和抗碰撞能力

《Nature Communications》：An autonomous single-actuator UAV with omnidirectional field of view, high agility, and collision resistance

　　

摘要

一种名为PULSAR II的单执行器无人机（UAV）由一个电机驱动，实现了三维机动性和自然自旋转功能。这种运动特性使其具备全向视野（FoV），从而能够进行光检测与测距（LiDAR）操作，有效避免了视野盲区。为提升机动性，我们首先采用数据驱动方法建立了精确的推进模型，并对其非线性特性进行了补偿。随后，我们在S2流形上设计了模型预测控制器，以实现参数最少化及出色的跟踪性能。同时，我们还推导出了无人机的微分平坦性公式，以简化轨迹优化过程。为确保抗碰撞能力，我们在无人机周围设计了一个坚固的防护框架，并开发了一种干扰观测器，该观测器能够在虚拟坐标系中识别并消除由碰撞引起的干扰；该观测器的参数通过μ合成技术进行优化，以应对模型不确定性。通过整合所有这些模块，我们构建了一个自主无人机系统，该系统在现实环境中展现了敏捷、稳健且完全自主的飞行能力。