EPFL开发新型无人机登上《Science Robotics》,插上羽毛,如同猛禽般翱翔天空

在苍茫的大海上,狂风卷集着乌云。

在乌云和大海之间,有一只海燕,在高傲地飞翔。

搞错了,重来。

看这天空中飞翔的姿势,你能想象到它其实是一个无人机吗?

没错,无人机被插上了翅膀,要不是看了机器人界顶级期刊《Science Robotics》最近发表的文章,小编还真以为它是那只高傲的海燕。

这是最近瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)开发的无人机,代号叫LisHawk。以鸟类为灵感制作无人机,这个概念不是第一次被提出了。2016年时,EPFL首次设计了带有变形机翼的无人机,不过那会的原型比较简单,长这样

EPFL这次开发的无人机LisHawk向前迈进了一步,号称具有“无与伦比的敏捷性”。在飞翔时,LisHawk机翼和尾巴的形状可以协同作用,可以实现更快的转弯:

突然减速:

甚至是在空中来一个360度转体:

翅膀和尾巴——从模仿鸟儿的身体结构开始

鸟儿的翅膀和尾巴是在飞行中最重要的部位,通过前后摆动尾巴可在滑翔过程中保持俯仰稳定性。

为了模仿这一特性,LisHawk的机翼和机尾以折叠的方式改变形状。

机翼侧面的变形区域由九个人造羽毛组成,当机翼伸展时它们展开呈扇形,在空中缓慢飞行不会掉落到地上;而在机翼折起时它们彼此重叠从而在飞行中更快地改变方向,并在快速飞行时降低空气阻力。

机尾充当的角色是升降机,同样由九个人造羽毛组成,最中间的一根羽毛垂直,通过方向舵使无人机产生偏航,升降舵产生俯仰;中央羽毛每侧的四根羽毛可对称的折叠和展开,始终保持均匀间距,使无人机飞行中保持平稳。

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。

LisHawk平台架构

☑人造羽毛骨架

人造羽毛是机翼和机尾的重要组成部分,羽毛骨架的制作材料是玻璃纤维,具有质量轻,柔韧性好和较大刚度的优点,可以在羽毛稍微重叠时吸收空气动力负荷。不透气和抗撕裂的聚酯纤维织物包裹住羽毛骨架,一根1.5毫米的碳管固定在骨架上以用作轴。这些材料的组合使无人机不仅重量轻,而且强度高。LisHawk的即时飞行重量为284 g,最大翼展为1.05 m。

☑机身

机身中央的碳纤维方管将LisHawk的翅膀和尾巴连接在一起。机身由六个独立的部分组成。用砂纸和热铁使表面光滑,以减少皮肤摩擦阻力。成品机身将结构和电气组件隐藏在软壳中,电机安装在LisHawk的EPP机身上,没有将其直接连接到碳纤维方管上,这样可以减轻电动机的振动,使无人机更具冲击力。LisHawk的航空电子设备(占无人机总重量的52%)放置在靠近重心的位置,以进一步减小惯性矩。

上图中的红色部分是LisHawk的PixRacer航空电子设备,绿色部分是带有天线的GPS模块,研究人员将两者结合使用进行数据记录,并通过无线电控制器和卫星接收器(图中橙色)来驾驶无人机。

展望与未来

几年前的这款无人机以其快速飞行、急转弯及面对强风时身体呈流线型的能力给人们留下了深刻印象,就像真正的鸟一样。

大家平时经常看到的无人机多是四旋翼的设计,与四旋翼无人机相比,翼无人机的优势在于,相同重量的飞行时间更长,但四旋翼飞机往往具有更大的灵活性,因为它们可以悬停在原处并急转弯。

该研究的论文第一作者Enrico Ajanic表示:“我们开发的LisHawk无人机结合了四旋翼无人机与翼无人机的优点。它可以长时间飞行,但几乎与四旋翼飞行器一样敏捷。这些功能的组合对于在森林或建筑物之间的城市中飞行特别有用。”

由于存在大量的机翼和尾翼配置,驾驶这种新型无人机并不容易。为了充分利用LisHawk的飞行能力,EPFL团队计划未来将人工智能集成到飞行系统中,从而可以半自动飞行。

参考链接

https://robotics.sciencemag.org/content/5/47/eabc2897

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsfs.2016.0092

https://techxplore.com/news/2020-10-raptor-inspired-drone-morphing-wing-tail.html

END

(0)

相关推荐