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受瓢虫启发,瑞士科学家研发在「危险环境」下「可自扶正微型航行器」!

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【摘要】 瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员近来受瓢虫鞘翅启发,研发了一款自我扶正固定翼微型飞行器(FWMAV)。 该飞行器的固定翼上安装有人工鞘翅结构,这种结构使得飞行器......

瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员近来受瓢虫鞘翅启发,研发了一款自我扶正固定翼微型飞行器(FWMAV)。

该飞行器的固定翼上安装有人工鞘翅结构,这种结构使得飞行器具备在某些危险位姿情况下的自我扶正能力。这种能力极大提高了微型飞行器在监视、侦察、检查和搜救等应用中的适应能力和生存能力。

仿真和实验表明,人工鞘翅不仅可以帮助固定翼微型飞行器在危险位姿下自我扶正,还可以改善飞行器在飞行过程中的空气动力学性能。相关研究成果发表在 2021 年的期刊《IEEE Robotics and Automation Letters》上。

微型飞行器 MAV

过去几年,微型飞行器 ( MAV ) 在各种应用和任务中显示出在恶劣环境中运行的巨大潜力。例如将其部署在恶劣的天气条件下、密闭空间或杂乱无章的区域中。微型飞行器被广泛用于监视、侦察、检查和搜救等应用。然而,由于它们的规模和任务情况,它们很容易翻倒,危及它们的操作。自扶正对固定翼飞行器来说是一个开放未知的挑战,因为现有的研究重点是地面和多旋翼飞行机器人,其解决方案会增加阻力和结构重量。到目前为止,有翼无人机的解决方案在很大程度上仍未得到探索。

美国俄亥俄州赖特 · 帕特森空军基地实验室,微型飞行器(MAV)研制小组致力于开发微型军用飞行器,以应对复杂的城市作战环境。其研发的某款飞行器的设计非常的现代,飞行器上还有一对仿真的翅膀。如下图所示为该微型扑翼飞行器。

荷兰代尔夫特理工大学的微型无人机实验室在 2018 年曾研发一款仿果蝇无人机—— DelFlyNimble。该微型无人机通过拍打翅膀飞行。DelFly Nimble 还登上了《Science Robotics》的封面。

瑞士洛桑联邦理工学院曾开发一款代号 LisHawk 的无人机。LisHawk 以鸟类为灵感制,为具有变形机翼的无人机。LisHawk 的机翼和机尾以折叠的方式改变形状。与鸟儿拍打翅膀起飞的方式不同,LisHawk 使用机头的螺旋桨来产生推力,减少了整个系统的自由度,降低系统的复杂性从而实现更高的推进力和效率。

鞘翅结构固定翼微型飞行器 FWMAV

对于瓢虫来说,鞘翅是它们著名的黑色斑点红色外翅。鞘翅下方是后翅,这是实际用于飞行的半透明附肢。当被困在背上时,瓢虫会用鞘翅来稳定自己,然后伸出腿或后翅,以便俯身和自我扶正。当瓢虫翻倒时,这些昆虫能够使用它们坚硬的外部翅膀——鞘翅,在几分之一秒内就可以实现自我扶正。

这种在掉到地面后表现出的非凡的自我纠正能力极大启发了瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员,在这种启发下,他们提出了一种强大而优雅的解决方案:改装固定翼无人机,并配备一组类似于瓢虫鞘翅结构的翅膀。基于此,他们新近研发了一款微型飞行器,该飞行器为具有鞘翅结构的固定翼微型飞行器 FWMAV(Fixed-WingMicro Aerial Vehicle)。这种人工鞘翅不仅可以帮助固定翼微型飞行器在危险的位姿下自我扶正,还可以改善飞行器在飞行过程中的空气动力学性能,极大提高了微型飞行器在监视、侦察、检查和搜救等应用中的适应能力和生存能力。

研究人员将人造鞘翅安装到固定翼微型飞行器上。对于瓢虫而言,这些鞘翅可为其提供自动扶正的能力,并在飞行过程中产生辅助升力。对于微型飞行器而言,同样通过这种方式,使得鞘翅结构增加的重量和复杂性被它们产生的额外升力所抵消。

固定翼由膨胀聚丙烯 ( EPP ) 制成,这是一种有弹性且高度柔韧的泡沫材料。鞘翅是用丙烯腈丁二烯苯乙烯 ( ABS ) 塑料 3D 打印成型,并用碳 - 凯夫拉(Kevlar)复合织物和环氧树脂粘合剂加固,以增加弹性。机身由碳纤维矩形梁制成,固定翼和鞘翅附有 3D 打印的 ABS 支架。鞘翅通过两组伺服系统连接,这允许鞘翅向后扫和向前倾斜 180°。通过先向后扫动机翼,然后向前倾斜,飞行器进而可以实现自己翻转。

鞘翅机构作用可分为六个阶段:

(a)当飞行器翻倒时,自动扶正动作被触发;

(b)鞘翅围绕其垂直轴扫掠 90°;

(c)鞘翅俯仰 180° 以围绕其横轴旋转平面;

(d)飞机现在是直立的;

(e)直立后,鞘翅移动回到它们的飞行位置;

(f)飞机准备再次起飞,鞘翅在初始配置中展开。

瓢虫的每个翅膀都具有三个自由度(DOF,Degree of Freedom),除了能够自动扶正之外,还便于拍打和折叠。因为洛桑联邦理工学院的研究只关注自扶正而不是拍打或折叠,因此研究人员只使用三个自由度中所需的两个自由度,这样可以保持较低的重量和结构复杂性。

为了验证自扶正原理,研究人员开发了自扶正运动的模拟器。该模拟器是在 Simulink 环境中使用 Simscape Multibody 构建的。

为了验证模拟结果,研究人员进行了相关实验,其中包括飞行器尝试针对模拟的每种配置进行自扶正,即三种不同的鞘翅长度(11、14、17 cm)和两种不同的扭矩(0.31 和 0.39 N · m)。实验表明,虽然扭矩对性能几乎没有影响,但鞘翅的长度却有很明显的影响。

在许多应用中,飞行器需要在更崎岖的地形上自行扶正。因此,研究人员在七种不同的地形以及倾斜的地面上对自动扶正功能进行了验证。该七种不同的地形分别为:人行道、粗沙、细沙、岩石、贝壳、木屑和草地。除了草地和细沙之外,无人机能够在所有地形上以完美的成功率进行自我矫正。

此外,研究人员还对不同鞘翅尺寸对飞行器空气动力学影响进行了研究。实验表明,自动扶正和空气动力学效率之间的性能并没有此消彼长的关系。也就是说,大跨度的鞘翅比短跨度的鞘翅具有更快的自扶正能力,而在空气动力学性能上则没有明显差异。此外,实验还展示出人造鞘翅在飞行过程中提供了额外的升力,这反而可以减轻其结构重量所带来的不利影响。

总结与展望

Charalampos Vourtsis 是瑞士洛桑联邦理工学院智能系统实验室的博士助理。他指出甲虫,包括瓢虫,已经存在了数千万年。" 在那段时间里,他们进化出了几种生存机制,我们发现这些机制是现代机器人技术应用的灵感来源。" 他说。

研究人员说他们的团队希望从瓢虫鞘翅的其他设计特征中受益。Vourtsis 解释说:" 我们目前正在研究鞘翅在无人机在灌木、石头和其他障碍物之间在地面上移动时保护折叠的翅膀,就像甲虫一样。" 这将使无人机能够以展开的大翅膀长距离飞行,并在狭窄的空间中以紧凑的形式安全着陆和移动。

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