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香港大學(港大) 工程學院機械工程系助理教授張富博士所領導的團隊，最新設計出一種利用動力飛行而不需要驅動雷達傳感的無人機，名為「脈衝星 」（PULSAR）。「脈衝星 」具備感知及建圖等多種功能，仿如將科幻電影《普羅米修斯》中，人類利用自旋探測器實時構建洞穴的三維地圖的場景成為現實。

無人機在搜索救援、洞穴勘測和建築繪製等領域中日益重要。張博士的團隊以自旋運動為研究核心，「脈衝星 」利用動力飛行、不需要驅動雷達傳感，因其自旋運動和激光雷達光束的掃瞄模式，與天文學上的脈衝星在直覺上十分相似而命名。「脈衝星 」配備了微型機載電腦和激光雷達，實現了完全自主的感知、建圖、規劃和控制，無論在室內還是室外環境都不需要外部設備輔助。「脈衝星 」上的單執行器用於驅動無斜盤機構，可以同時產生推力和力矩。

張博士的團隊利用「脈衝星 」，在環境探索和多方向動態避障方面進行了實驗，結果顯示它可以在不依賴任何外部設備輔助的情況下，在未知環境中執行自主導航並且實時探測環境中的靜態和動態障礙物。

「脈衝星 」也可以在夜間進行全自動導航，展現了其航行性能不受光照條件的影響。此外，它能應對外部風擾。在最大風速每秒4.5米的風擾下，「脈衝星 」仍然能夠維持它的懸停位置於一個小範圍內。這些特性使飛行器在野外環境中更加安全及穩定。

除了上述的能力外，傳感器亦能通過其固有的自旋運動以拓展其視場大小，這能提升無人機的感知能力和任務效率。目前主要有兩種方法用於拓展傳感器視場，它們的共同點是整體功耗大。其中一種方法是使用大視場的傳感器，如魚眼相機、自反射相機或360度激光雷達。然而魚眼相機和自反射相機往往會存在顯著的變形，360度激光雷達在竪直方向上的視場仍然較窄且分辨率較低。另一種方法是同時使用多個傳感器，如多相機系統或多激光雷達系統，可是多傳感器系統會帶來額外的成本和較長的數據處理時間。同樣，採用雲台系統去拓展視場也會帶來相似的問題。

張博士的團隊發現「脈衝星 」與具有相同槳葉面積和載荷的四旋翼無人機相比，它能夠節省26.7%的能量消耗，同時保持良好的靈活性。由於使用了單執行器，脈衝星的動力系統具備了更高的能量轉化效率，使整體效率達到了每瓦6.65克。僅憑藉直徑只有37.6厘米的螺旋槳和容量為41瓦時的小容量電池，這個重達1234克的無人機實現了超過12分鐘的懸停時間。如果卸下激光雷達並安裝更大的槳葉和電池，「脈衝星 」的懸停時間更能超過40分鐘。

研究成果已發表在《科學·機器人學》（Science Robotics）上，文章標題為“A self-rotating, single-actuated UAV with extended sensor field of view for autonomous navigation”並獲刊登在《科學》網站首頁圖片。

張博士表示其團隊建立的研究平台有利於更深入地研究自旋無人機。「我們認為該平台的建立將有利於探究高速旋轉下的無人機控制方法和劇烈運動下的同時定位與建圖（SLAM）技術。」

文章連結： https://mars.hku.hk/papers/scirobotics.ade4538_.pdf

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