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行業新聞
無人機技術新分支?像鳥一樣飛行&著陸的撲翼機器人

2022/12/30撰文|小魔

在無人飛行器領域,大部分我們熟悉的無人機不是采用多旋翼就是固定翼設計。

其中多旋翼無人機有著飛行穩定,靈活性高,具備一定載重能力的優勢,但因為續航與速度上的短板,這類無人機往往只能承擔一些近程、低空的飛行工作,比如航拍之類。

至于高空遠程類飛行,仍是由固定翼無人機主導,畢竟這類無人機速度更快、飛的更高、續航也更遠,不過固定翼無人機也并非完美,靈活性差、場地需求較大,適用范圍窄是它們的弱勢所在。

那么是否有兼備以上兩種無人機優勢的飛行器呢?

答案是有的,采用空中仿生學設計的撲翼無人機可以靠翅膀產生的升力和推力,實現安靜、安全、高效的飛行,而且它還能提供比固定翼和多旋翼無人機和更好的靈活性與節能表現。

但撲翼機目前仍無法像后兩者那樣得到大規模的商業應用,是因為其一直都沒能擁有一套良好的棲息與著陸機制。

可能有人會問,既然撲翼機器人都能學會鳥類的飛行技巧,不能再順便學習下鳥類的著陸技巧嗎? ‘

還真不是這樣,一只鳥降落在樹枝上雖然看上去是世界上最簡單的動作,但事實上,這個動作要涉及到時間、高沖擊力、速度和精度之間極其微妙的平衡,是一種非常復雜的動作,直到現在,還沒有哪款撲翼機能夠掌握它。

不過,最近來自瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的研究人員開發了一種特殊方法,終于可以讓撲翼機器人稍稍掌握了點鳥兒們的著陸本領,它可以利用一個類似爪子的機制自主降落在水平棲木上。

為了驗證這種方法的有效性,研究人員制造了一款名為P-Flap的撲翼機器人原型機,它的翼展為1.5米,重量僅為700克。

該機器人由EPFL研究所的博士后RaphaelZufferey設計,制造和測試工作則是其與塞維利亞大學的同事合作完成。這款機器人也是歐盟GRIFFIN項目的一部分,GRIFFIN是“通用兼容的空中機器人操縱系統,整合固定翼和撲翼以增加航程和安全性”的縮寫。

為了能夠抓住樹枝或管道等圓桿目標,P-Flap配備了一個彈簧機械爪,且機械抓不需要通電就能保持打開和關閉狀態。

考慮到爪子必須有足夠的強度來抓取著陸點并支撐機器人自身的重量,又不能重到無法高舉起來,他們選用碳纖維作為機械爪的材質,并且也沒有像真正的鳥類那樣采用更復雜的雙爪式設計。

這個單爪通過一個伺服裝置驅動的機械腿連接在無人機底部,腿部可以根據需要調整各種角度。此外,撲翼機還配備有碳纖維機體,機載計算機和導航系統,并由一個外部運動捕捉系統作為補充。其腿爪附件也經過了精確校準,可以彌補飛行時的上下擺動,讓P-Flap能夠準確瞄準并抓住棲木。

那么P-Flap具體是怎樣完成著陸的呢?

首先,當其飛行至接近水平棲木時,無人機外部的動作捕捉系統會通過無線傳輸進行數據引導,這些數據可以讓其知道自己與棲木的相對位置,此時它的機載飛行控制系統會計算并調整機身的俯仰、偏航和高度,以便其靠近目標。

一旦它的機械爪達到距離棲木1米以內的范圍時,爪子底部的線性視覺傳感器就會提供更精確的位置數據,并激活腿部的伺服裝置來精確定位。

此時,張開的爪子會通過其內部的兩個凸起觸點擊中目標,而后爪子會在壓力作用下于短短25毫秒內自動閉合,將P-Flap牢牢固定在棲木上。


由于這個機械爪本身的設計就是為了吸收機器人在撞擊時向前的動量,并迅速而牢固地閉合以支撐其自身重量,所以機器人停在棲木時是不會消耗任何能量的。

當它要離開棲木繼續飛行的時候,機械爪軸上的彈簧裝置會再次打開,好讓P-Flap扇動機翼起飛。而這整套著陸起飛動作做下來和真正的鳥類其實也差不太多了。

雖然,P-Flap在實驗室的測試很成功,但這還僅僅是整個撲翼機器人項目的第一階段,因為P-Flap必須在一個可控的飛行區域,并通過外置的運動捕捉系統才能進行精確定位。

之后研究人員希望通過進一步的技術迭代,提高機器人的自主性,以便它在更不可預測的室外環境中執行棲息和操作任務。

根據研究團隊的預期,當未來的P-Flap能夠在棲木上完成真正的自主降落時,它就有可能用來執行一些特定任務,比如不引人注目地收集生物樣本或從樹上測量數據。如果這款撲翼機器人能降落于更多特定的人工結構上,說不準還能開辟出更多的應用領域。

最重要的是,一旦精通了鳥類的著陸的本領,撲翼無人機將再也不用擔心續航不足的問題,而它們也將能勝任更多遠程飛行任務。

因為這種無人機可以采用小電池搭配太陽能充電的自給自足式組合,這樣電用完時,它可以隨便找個樹枝、鐵管之類的地方降落,再利用太陽能為自己充電,只要充滿了電它就能繼續接下來的路程,如此反復,直到抵達自己的任務地點!綞ND】

來源: 天天汽車  發布:北京無人機系統博覽會

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