未来智讯 > 无人驾驶论文 > 昆虫将无人机带到更高处

昆虫将无人机带到更高处

发布时间:2018-12-15 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    昆虫将无人机带到更高处作者: 简丹   自然界中的各种生物历时数百万年才让扑翼飞行变得日臻完善,而如今,工程师们能用机器来再现这种飞行,由此制造出的各种微型无人机也已深入各个领域。
  从自然界中汲取灵感
  在过去的一年多里,工程师理查德・古烈和汤姆・瓦内克一直试图研制出一架经久耐用的微型无人机,其能躲避其他物体,在建筑物内正确定位;而且,在狂风雨天气里也能风雨无阻地飞行。
  他们曾经尝试让其微型无人机选取固定机翼,但需要添加足够多的传感器才能让这种无人机有效地探测到障碍物,如此一来,这种无人驾驶飞机就太重了而无法飞起来。他们也尝试选取直升机的形式,但直升机的旋翼一直纠缠在电线内。另外,他们也建造过一台配备了发动机的气球,但以上诸多尝试都以失败告终。
  直到有一天,两个人在酒吧小饮时,看到一只飞蛾忽然猛烈地撞在了玻璃上并从中得到启示。如果是微型无人机撞在玻璃上,必定会粉身碎骨,但飞蛾并没有如此,而是从玻璃上弹开,拍了拍翅膀,恢复原状,然后飞走了。两人意识到他们能制造出一种人造系统,其撞击到其他物体上之后,能立刻复原并继续向前,这是一个创新。
  这并非工程师们首次从自然界中借鉴和汲取设计灵感,尤其是当我们提到飞行时,从自然界中汲取的灵感和经验不胜枚举。自然界中,有些飞行动物履历了近亿年的进化过程,它们发展出了各具特色的空中飞行能力,其总体功能渐趋优化,为当前的人造航行器和飞行器望尘莫及。其上亿年进化得来的翅膀形态和飞行方式给了我们很多启迪。
  数个世纪以来,人类一直梦想有一天能像鸟儿一样在天空中翱翔。早在古希腊,就流传着关于翅膀的传说:少年伊卡洛斯和父亲狄德勒斯被诸神囚禁在孤岛上。身为巧匠的父亲便利用岛上的蜡烛,制作了两副精巧的羽翅,一副给自己,一副给伊卡,能够藉此飞出孤岛,逃离囚禁的命运。15世纪70年代,意大利天才莱昂纳多・达・芬奇画出了一种由飞行员自己提供动力的飞行器,并称这种飞行器为“扑翼飞机”。这种飞机模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙,具有多个膜状翅膀。达・芬奇认为惟有扑翼机才能既具备推力,又具备提升力。此后,有许多人起初模仿达・芬奇的画作设计制造飞机,但是都逃只是失败的命运,理想情况下能上下蹦跳几下,最坏的结果则是摔成碎片。
  后来,随着技能的不时发展,科学家们慢慢解开了自然界的很多谜题。与此同时,工程师们也研发出了第一架模仿昆虫的、能飞行的交通工具,由此,为一类全新的设备――微型无人机的出现拉开了大幕。
  揭开昆虫飞行的秘密
  只管昆虫和其亲属占所有动物物种(迄今为止,我们已知的动物共有90多万种)的80%左右,但昆虫飞行的力学原理一直是个未解之谜。传统的固定机翼飞机主要依靠机翼上稳定的气流来飞行。直升机和旋翼机也是如此。但因为昆虫的翅膀会不时地前后拍打,所以它们周围的空气也在持续发生变化。而且,蜜蜂和其他昆虫短而粗的翅膀可以提升的重量之大,用传统的稳定状态的空气动力学原理根本不足以解释。
  在科学家们能理解拍翼飞行之前,他们最初必须能看见其最幽微的细枝末节。在上世纪70年代,英国剑桥大学的丹麦籍动物学家托克尔・韦斯-福用高速摄影术对正在不时盘旋的昆虫翅膀的精确运动进行了分析并同昆虫的形态学特征进行对照。借此,他推导出了一个通用的昆虫飞行理论,其中包括他称为“拍扑效应”的原理。这种原理指出,昆虫在初始时刻将翅膀重叠在一同,随后再忽然将翅膀分开,这种运动会把空气带走并且制造出一种低压的“小口袋”。接着,空气又会再次杀入“小口袋”中,变成一个不时旋转的涡旋。这种涡旋制造出的力对在昆虫的翅膀拍动期间将昆虫提升起来必不可少。韦斯-福指出,同样的漩涡或许能够由翅膀的角度和旋转所产生,从而产生额外的提升力。
  20年后,计算机技能也对这一理论产生了兴趣;科学家们也起初将这些原理应用到人造系统上。英国剑桥大学的查尔斯・艾灵顿建造出了一双机械翅膀,可以精确地模拟鹰蛾的运动。鹰蛾是世界上飞行速度最快的昆虫,大约每小时可飞行52千米。艾灵顿将研制出的机械翅膀置于一个充满了烟雾的风洞中,如此一来,当昆虫拍动翅膀时,他就能分析其运动的流体动力学原理。另外,美国加州大学伯克利分校的神经生物学家迈克尔・迪金森则建造了一对机器果蝇的翅膀,其能模拟一只果蝇的一举一动。
  借用这两组机械翅膀,这两名科学家分辨归纳出了各自研讨的昆虫飞行的空气动力学原理。
  1998年,迪金森和电子工程师罗恩・费林获得了美国国防部预研局(DARPA)提供的250万美元奖金,以应用这些原理来研制一台昆虫大小的机器人。他们找了一位名叫洛博・伍德的研讨生和他们一同事务,伍德的主要任务是帮助他们研发技能来制造出微小的零件并将其组装成一对镊子,这些事务繁琐且耗时。2004年,伍德找到了相当有效的方法,即使用极其高效且奇异的材料来复制昆虫翅膀的运动。他建造了一个陀螺仪,能模拟昆虫用来探测身体旋转的传感器;而且,他也研讨出了方法,能够在微尺度上制造复杂的系统。
  将知识形成机器人
  2006年冬天,伍德完成了一个60毫克重的机器人,其拥有3厘米长的翼展以及家蝇大小的胸部,该机器人同一台计算机相连,计算机的机箱上塞满了高压放大器和数据采集设备。测试之前,伍德仔细地检查了它们之间的连接和信号。
  接着,他迅速打开发动机,当他的小型机器人的翅膀起初振动时,他发现这种振动将机器人提到空中并持续了几秒钟。他耗费7年时间就为了这一刻。只是他还要花上5年时间,才能取得下一个突破:让这种微型机器人沿着预先编好的路线持续稳定地飞行。
  2012年夏天,他取得了里程碑式的成功,他的实验室成功研制出了一款名为“机器蜜蜂(RoboBee)”的模型,结果证明,这种精巧的机器能升入空中并首次展示出了稳定的盘旋以及可抑制的飞行技巧。
  如今,伍德已经成为微尺度机器飞行领域的泰斗,而其他研讨人员则通过使用扑翼动力学来削减能携带负载的飞行设备的大小。   2011年,位于美国加州的航空环境公司(AeroVironment)展示了其名为“纳米蜂鸟”的无人机,这架能够放在口袋的人造蜂鸟侦察机的长度仅16厘米,两翼展开为19厘米,重19克,装有电池、电机、摄像机和通信器材,能够人为遥控,垂直攀爬或降落、侧飞、前进和后退,也可顺时针和逆时针旋转。“纳米蜂鸟”依靠自身电力能够在空中停留11分钟,向前飞行速度可达17.6千米/时。
  “纳米蜂鸟”的成功标志着人类在室内无人侦察和监控领域进入了一个新的高度。2010年,航空环境公司收到了美国政府2182份“大乌鸦”便携式无人侦察机的订单。“大乌鸦”重不到2千克,翼展约1.3米,使用电池驱动,可携带红外摄像机,最大巡航速度近100千米/时,续航时间60~80分钟。“大乌鸦”相当小巧,分解后能够放入背包内。它主要用于战地侦察,士兵直接用手抛掷起飞,2003年以来,“大乌鸦”在阿富汗得到了广泛使用,并受到美军高度评价。此外,2012年10月,美国TechJect公司公布了一款手掌般大小的飞行机器人,它的外形就如同一只蜻蜓。据悉,这个机器人的重量还不到5.5克,可拍摄高清晰度的图片,也可通过Wi-Fi抑制iPad或智能手机。这款无人机身体里拥有20个传感器,可以用来进行航拍、特技飞行或者是自主平安巡逻和监控。这款无人机利用了一种名为共振的空气动力学原理。当空气密度、风速以及“蜻蜓”身体组织的重量完美平衡时,“蜻蜓”的翅膀拍动的效率最高,此时,翅膀的拍动会制造出涡旋波,这些涡旋波会合并在一同。TechJect公司的总裁贾扬特・拉蒂表示,扑翼飞机利用共振能显著提升其能效,用最小的努力制造出最优化的提升效果。
  打造一架更坚固耐用的无人机
  这些小型、脆弱易碎的无人机并没有解决由无法预期的碰撞所导致的损害这一问题,因此,古烈和瓦内克一直希望能提高其耐用性。在酒吧受到飞蛾的启示之后,他们起初与其他人合作,来再现昆虫的飞行。他们找到了伍德,此时,伍德的实验室已并入哈佛大学维斯生物工程研讨所。随后,他们利用一套图像采集系统,对飞蛾在同玻璃碰撞之前、之中以及之后的一举一动进行了记录和分析。通过亲密地观察飞蛾身体部位的方位,他们精确测量出了昆虫的翅膀和腿部的开合和扭转。
  古烈和瓦内克仔细观察了这种飞蛾身体怪异的几何形状。其外骨骼有类似于手风琴的局部,这局部的作用就像是一个减震器,其似乎也能感受到即将到来的碰撞。就在碰撞之前,飞蛾会以一定的角度飞行,确保其腿部最初接触到玻璃。在那一霎时,翅膀一动不动。每当飞蛾猛烈撞上窗户时,它会条件反射般地屈服于撞击的动量并落下来。但刹那之间,飞蛾的重心会将其拉回到一个稳定的位置。接着,其翅膀再次拍动,让昆虫再次有抑制地盘旋。瓦内克说:“通过翅膀的拍动,飞蛾能撞击并快速恢复,这一点相当不容易,目前,还没有人造系统能做到这一点。”
  因此,他们两人起初利用这些知识,来研制一款有弹性的微型飞行器。这种设备的身体要能防震;每个翅膀也需要能被独立地抑制。因此,他们为一个四旋翼飞机设计了一个外壳,其上整合了一些橡胶减震器,位于由碳纤维和塑料制造的零件中间。他们给四旋翼的每一个旋翼都安装了发动机以便模拟不时交替的翅膀速度,恰是这种速度对拥有四个翅膀的昆虫的飞行状态进行了完美的抑制。当这一设备被风吹离轨道或碰上障碍物时,其上装配的计算机能探测到其目前的位置和预先编好的飞行路径之间的差异,而且,一个自动驾驶仪会条件反射似的让其恢复稳定。
  去年2月份,他们让选取这种方法研制出来的、名为InstantEye的小型无人机参加一年一度的美国陆军远征勇士试验,成为获得最高排名的机型之一。当被抛到空中时,InstantEye能自动飞行。用户能够用它在高处建立一个即时可用的有利位置,同时又不必花时间将设备发射到空中。
  克服未来的障碍
  只管第一代微型无人机已经进入市场并受到各方追捧,但工程学上的挑战仍然存在,其中最大的障碍在于电源。与块头大一点的InstantEye无人机不同,“纳米蜂鸟”“蜻蜓”无人机以及机器蜜蜂都必须被连接到外部电源上。伍德正使用微构造来试图让其上负载的电池尽可能小,并与其他研讨人员合作,希望能研制出新奇的电池、微型燃料电池以及无线电力传输系统。他认为,未来一两年内,这样的设备应该就能够研制出来。
  古烈和瓦内克则希望用扑翼取代其四旋翼飞机上的螺旋桨。只管与其他无人机相比,InstantEye更擅长从阵风导致的偏摆以及细小的碰撞中恢复过来,但其螺旋桨仍然与电线纠缠在一同。
  而研制机器飞蛾的迪金森在华盛顿大学领导的实验室则在使用高级成像系统对昆虫的飞行进行更加深入地研讨。他说:“15年前,高速照相机每秒只可捕获约3000帧,这使得昆虫看起来就像小型怪异的‘天外来客’,而如今,照相机每秒能捕获大约7500帧,因此,我们可以进行更加精微的研讨。”
  迪金森的研讨重点也不但仅是分析飞行,他也在使用电极记录昆虫大脑内神经细胞的活动。他将这些神经细胞同一个飞行模拟系统连接在一同,并对其进行视觉刺激。例如,让其观看食肉动物的图像等,以引起它们的反应,希望借此明白昆虫大脑内的神经细胞如何处理与飞行有关的信息以及传感信息如何被翻译成特定的行为,最后目的是皮节昆虫如何有抑制地在空中玩技俩。
  这些研讨成果有助于科学家们研制出更轻量、更智能的无人机,而其应用范围当然也更辽阔。古烈和瓦内克打算将InstantEye出售给军方和执法部门。而据国外媒体报道,驻阿富汗英军部队成为目前生界上最为先进的微型遥控无人侦察机的第一批使用者。这款名为“黑色大黄蜂”的微型无人侦察机的尺寸大约为10厘米×2.5厘米,能够为地面部队提供重要的战场情报。该款无人机装备了一部微型摄像头,能够为作战部队提供动态图像或是静态照片,士兵能够使用其对街角、围墙或是其他障碍物进行侦察,以预知这些视觉死角后方潜在的危险。
  除此之外,微型无人机或许也能在室内使用,比如帮助警察和特警在办公大楼或银行内部等收集脚印;在灾区搜寻幸存者;它们也能监测交通和环境状况;在野外收集数据。
  无论最后的应用如何,微型无人机都不再是达・芬奇等人的梦想。它们已经一飞冲天,灵巧,能很快恢复且自带电源。
转载请注明来源。原文地址:https://www.7428.cn/page/2018/1215/54928/
 与本篇相关的热门内容: