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一种新的仿生超微无人机:机械飞行昆虫

  一种新型的仿生超微无人机,灵感源于自然界上亿年进化的飞行昆虫,综合运用生物、MEMS(微机电系统)、计算机、自动控制、通信与机器人等技术,模仿飞行昆虫的形态和生理构造,实现翅膀拍打以及翅膀的内旋和外旋运动,使得两侧翅膀可以产生不同的拍打幅值和频率,产生不同的升力和推力,控制机械飞行昆虫的俯仰、翻转和偏航,完成仿生无人机在空中悬停、快速转弯、复杂环境中高机动飞行,具有感知、决策、行动和交互功能,是跨学科的综合技术。

上海交通大学多种类型的仿生机械飞行昆虫
 

 
  关键技术
 
 
  一台仿生超微无人机,集成了仿生材料、高能量仿生驱动、高效率仿生传动、跨尺度微纳制造、高能量密度能源、微纳传感与执行、飞行控制等关键技术。超微型无人机不是一般传统飞机的简单缩小或者简单的组合,它尺寸的微型化为飞行功能的研制带来许多困难,要研制出如此小的飞行机器人,有许多问题需要研究。
 
  低雷诺数下的空气动力学问题
 
  仿生超微无人机在低的雷诺数下飞行,其空气动力学特征突出表现在:气动粘性力和阻力更加突出;机身附面层易趋于层流特征;易出现机翼附面层与机翼的分离,从而失去升力;气动稳定性及其姿态的控制都难以实现等,所有这些都将影响其有效飞行。传统研究固定翼、旋翼的飞行机理及设计方法不能很好的满足超仿生超微无人机的功能要求,有关昆虫飞行机理是该领域的研究热点。
 
  微型化的本体和动力装置技术
 
  随着微型飞行器的尺寸进一步缩小,和固定翼布局的微型飞行器相比,仿生扑翼布局的超微仿生无人机在气动方面,优势愈发明显。但是,仿生扑翼的布局首先给超微无人机本体的结构设计、制造带来了挑战,昆虫构型的无人机本体微型化技术遇到更多的困难。动力装置的微型化也是一个要考虑的问题,微型化动力装置种类较多,有微型燃料发动机,如微型火箭发动机、微型脉动式喷气发动机、微型涡轮发动机、微型内燃机等,也有微型电动机、化学肌肉驱动的动力装置。常用电源有电池,如镍铬电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池,也有微型涡轮发电机、热光电发电机等。如何在微型化无人机本体和动力装置的同时,提高仿生超微无人机的续航时间是要关注的问题。
 
  机载元器件的微型化技术
 
  仿生超微无人机在尺寸上远远小于常规的飞行器,其机体内空间十分有限,因此它可以携带的机载设备装置和有效载荷受到极大的限制。这些机载设备和装置,如飞行控制、导航、致动、动力、图像摄取、数据传输通信设备等需要进行最大程度的微型化,以减轻设备的重量、压缩各自的空间。
 
  飞行控制和数据传输
 
  超微仿生无人机要求具备相当程度的自主飞行能力,使微飞行器能够在人工操纵下或者无操纵的情况下实现机动飞行。飞行控制系统要保证微型飞行器在飞行过程中的姿态和正确的航迹,使飞行器能够完成平飞、侧飞、俯仰等不同的运动模态,具有一定的抗干扰能力和较好的鲁棒性,保证其稳定的飞行姿态。采用仿生布局的超微仿生无人机的飞行控制,是一个复杂的问题。另一方面,仿生超微无人机需要在一定条件下,通过数据传输与基站进行视频数据和控制命令等不同类型的数据的实时传输,信号的传输距离、数据的准确和保密等是需要关注的。
 
  
  研究进展
 
 
  1987年,麻省理工学院提出了小昆虫机器人的一些技术愿景和研究策略。
 
  1992年,东京大学开展了仿生机械飞行昆虫的研究,实现了类似于昆虫的拍打运动,当时还不能产生飞行所需要的升力。
 
  1998年起,加州大学用智能复合材料研制机械昆虫,四压电驱动器,每个翅膀的运动均由两个压电驱动器控制,单个翅膀产生的最大升力能达到1400微牛,但飞行器自身系统过于复杂而且重量较重,最终没能克服自身重力起飞。
 
  2007年,哈佛大学成功研制了世界上第一台能克服自身重力起飞的仿生机械飞行昆虫。
 
  2009年,法国里尔大学采用电磁驱动和微机电系统技术研发机械飞行昆虫,最近,其研制的样机翼展3厘米,重量22毫克,产生的升力不足以克服自身重量起飞。
 
  2012年,哈佛大学仿生机械飞行昆虫在外置电源和运动捕捉和反馈下实现了可控飞行。最近,哈佛大学继续推进机械昆虫的研究,机械昆虫可以吸附到树叶上。美国普渡大学、卡内基梅隆大学和日本的千叶大学等也在开展仿生机械昆虫的样机和理论的研究。
 
  最近,通过研究昆虫的飞行机理,上海交通大学采用多层材料平面加工与三维折叠技术,成功研制出了克服自重起飞的指硬币尺度电磁驱动和压电驱动的仿生超微无人机,整机重量80毫克,翼展35毫米,拍打频率80~100赫兹,拍打角度超过120度。
 
 
▲美国加州大学的仿生机械昆虫
 
  应用前景
 
  仿生超微无人机,尺度微小、隐蔽性好、机动灵活,可以像昆虫一样超低空飞行,实现前飞、后飞、原地快速转弯和调头,可以携带任务载荷、通信及传输信息,在狭窄空间、复杂地形高效机动地执行危险任务,在侦查、搜索与营救、危险环境探测以及电子干扰等军事和民用领域深具应用潜力。仿生超微无人机未来将向着多功能、更大批量、更长任务执行时间、集群化方向发展,单个超微无人机既可以独立完成任务,也可以团队协作完成任务,实现智能集群侦查与作战。
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