利用光提升轻于空气微型无人机的续航与导航能力

微型无人机正迅速扩展至从库存管理到环境监测等各项任务中，但其较短的续航时间和在无 GPS 环境中不可靠的导航能力限制了它们的部署。轻于空气无人机提供了一种高能效的替代方案：它们使用氦气气囊提供浮力，从而在悬停期间实现近零功耗，并大幅延长操作时间。LTA 无人机前景广阔，但其设计复杂，且缺乏以简单、低基础设施实现持续自主操作与导航的集成解决方案。我们提出了一种紧凑、自持的 LTA 无人机，利用光进行能量收集与导航。我们的贡献有三方面： 高保真仿真框架，用于分析 LTA 空气动力学并选择稳定、高效的构型； 将太阳能电池集成于气囊上以提供净正能量的框架； 基于单一光源信标运行三种寻光算法的指向即走导航系统。我们的 LTA 分析与集成太阳能板不仅在飞行时节省能量，还实现了可持续操作：在 80klux 照度下，每收集 4 分钟能量可提供 1 分钟飞行时间。我们还展示了在室内外环境中，即使存在中等风力，也能向最远 7m 处的光源进行稳健的单信标导航。由此产生的系统指明了迈向室内外持续自主监测的可行路径。更广泛地，本工作为将 LTA 无人机的潜力转化为持续、自持的空中系统提供了一条切实可行的途径。