受瓢虫“自我扶正”启发,科学家研制可“鲤鱼打挺”的微型飞行器

2021-08-29 10:06DeepTech深科技 原文链接:点击获取

大自然永远是人类最好的老师。

自然界中,为适应生存环境,各类昆虫具备很多高明且巧妙的 “自保本领”,瓢虫就是其一。当瓢虫失去平衡或受困翻倒时,瓢虫可通过自身坚硬的鞘翅(elytra)在一秒内内实现自我扶正。

图|瓢虫极强的自我纠正能力(来源:IEEE Robotics and Automation Letters)

受瓢虫这种强大自我扶正能力的启发,近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)智能系统实验室的 查兰博斯·沃特西斯(Charalampos Vourtsis)与其团队研发了一款通过在微型飞行器上安装类似于瓢虫“鞘翅”、来实现自主扶正的固定翼微型飞行器(Fixed-Wing Micro Aerial Vehicle)。

沃特西斯表示,为躲避天敌和更好地适应环境,瓢虫进化出更适宜生存的身体机能,而这些机能正是现代机器人技术的灵感来源。

事实证明,研究团队从中受益匪浅,其通过仿真实验发现,人工鞘翅不单有助于飞行器在危境姿态中能实现自主扶正,还能加强微型飞行器的空气动力学性能,相关研究论文发表在 IEEE Robotics and Automation Letters期刊上。

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据研究团队介绍,鞘翅不仅为瓢虫提供自我扶正能力,还在飞行中为其提供辅助升力。而当固定翼微型飞行器安装人工鞘翅后,同样可以使因鞘翅所增加的重量与额外升力相互抵消。

对此,沃特西斯解释道:“通过实验,我们发现人工鞘翅在飞行中不仅提供了额外的升力,还可以帮助它减少飞行器结构重量带来的不利影响。”

图|固定翼微型飞行器自主扶正只需1.1秒(来源:IEEE Robotics and Automation Letters)

固定翼微型飞行器的鞘翅由高强度、高韧性的丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS) 3D 打印成型,并用凯夫拉(KEVLAR)新型合成纤维加固,以增加其弹性,并通过伺服系统控制鞘翅来实现翻转平移等动作。

在模拟实验中,研究团队通过 11cm、14cm、17cm 三种不同长度的鞘翅和 0.31 N·m、0.39N·m 两种扭矩进行模拟自动扶正测试。实验发现,两种不同扭矩提供的功率几乎对飞行器性能没有任何影响,但是鞘翅的尺寸却对飞行器有着明显影响。

另外,研究团队还针对不同尺寸的鞘翅进行了飞行器空气动力学研究。结果表明,更大尺寸的鞘翅并不会对空气动力学效率带来性能上的减弱。换句话说,更大尺寸的鞘翅并不影响飞行器的空气动力学性能。此外,更大的鞘翅相比较小的翅鞘具备更快的自主扶正能力。

图|固定翼微型飞行器结构(来源:IEEE Robotics and Automation Letters) 图|固定翼微型飞行器结构(来源:IEEE Robotics and Automation Letters)

因此,研究团队最后选择了 17cm 的鞘翅。

在微型无人机领域的应用中,由于飞行器可能需要在极其恶劣的环境中进行任务,因此研究团队在人行道、粗沙、细沙、碎石路、贝壳、木屑和草地七种不同的环境中进行了测试验证。

其中,草地和细沙地的成功率仅有30%左右,但是其他五种地形都能到达 100% 的成功率。

此外,研究团队还在 10°、20°、30° 不等的斜坡上进行扶正测试,他们发现,当这种固定翼微型飞行器在 30° 斜坡时,也能成功自我扶正,不过超过30°的斜坡则会出现打滑的情况。

以往的飞行器为防止翻倒只是增加重量和降低动力,但当给微型飞行器一对鞘翅后,其鞘翅负责“翻身”和提供上升动力,后翅则主要负责飞行。如此不仅能改善飞行器的上升性能提升,还能降低设计难度。

图|瓢虫鞘翅与飞行器鞘翅对比 (来源:IEEE Robotics and Automation Letters)

沃特西斯表示:“我们目前正在研究鞘翅无人机在穿越灌木、石林和其他障碍物时是否可以折叠翅膀。希望未来当无人机视野开拓并需要远距离飞行时可张开翅膀,而当飞行器遇到狭窄地形时,能以紧凑的形式安全移动或者降落。”

接下来,研究团队将继续优化这个固定翼微型飞行器,他们希望可以为这个飞行器定制一个“保护壳”,以便保护机翼在剐蹭时不受损伤。

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参考:
https://ieeexplore.ieee.org/document/9479684

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