打破常规的迷你飞行器:它不需要任何运动部件

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打破常规的迷你飞行器:它不需要任何运动部件
麻省理工科技评论 2019-02-20

2019-02-20

微型飞行机器人的结构设计通常模仿生物昆虫,因为昆虫是小型高效飞行的能手。这种扑翼微型飞行器 (FMAVs) 接近真实昆虫的大小,一些蜜蜂大小的机器人表演令人印象深刻,它们可以起飞、悬停,甚至可以去游泳。
飞行器
微型飞行机器人的结构设计通常模仿生物昆虫,因为昆虫是小型高效飞行的能手。这种扑翼微型飞行器 (FMAVs) 接近真实昆虫的大小,一些蜜蜂大小的机器人表演令人印象深刻,它们可以起飞、悬停,甚至可以去游泳。

微型飞行机器人的结构设计通常模仿生物昆虫,因为昆虫是小型高效飞行的能手。这种扑翼微型飞行器 (FMAVs) 接近真实昆虫的大小,一些蜜蜂大小的机器人表演令人印象深刻,它们可以起飞、悬停,甚至可以去游泳。然而,制造一个带有扇动翅膀的小机器人,让它能够在空间内自由运动并保持可控性,是一件棘手的事情,因为这需要极其复杂的机械传输和软件设计。

(来源:UC Berkeley)

不难理解为什么仿生方法很受大家欢迎,因为昆虫们有几亿年时间来解决他们在飞行时遇到的所有问题,而我们发现的基于螺旋桨的飞行系统并不能很好地缩减飞行器的尺寸。然而,还有另一种动物们还没有想到的飞行方式,也就是电力推动,不像翅膀或螺旋桨,它不需要移动部件,只需要电力。

电流体动力(EHD)推进器,有时称为离子推进器,利用高强度电场产生电离空气等离子体。离子(主要是带正电的氮分子)被吸引到带负电的栅极,在这个过程中,它们撞击中性空气分子并给它们提供动量,这就是 EHD 推力的来源。

(来源:UC Berkeley)

这不是一个特别新的概念,这个现象在几百年前就被人们发现了。曾经有一段时间,人们认为它可能应用于有人驾驶的飞机上,但这需要一个超级大的发射器和集电极网格才能把一个人送上天空。

2003 年,一只名叫 Orville 的老鼠乘坐一架不可思议的大型 EHD 飞机实现了成功飞行,但据我们所知,这是迄今为止最大型的 EHD 动力飞机。将 EHD 技术应用于大飞行器上似乎遇到了瓶颈,转变其应用方向,也许会使这项技术变得更加实用。

(来源:UC Berkeley)

这是目前正在加州大学伯克利分校研发的离子飞行器。它很小,仅有 2 厘米×2 厘米,重 30mg,加上 37mg 的惯性测量装置。在小尺寸的情况下,没有运动部件有一项优点,因为你不必担心将机械设备(如变速器)按比例缩小至何等规模,离子传感器能够在 0.35 mA 的电流下以 2,000 伏的输入电压对飞行器(包括 IMU 有效载荷在内)进行起飞和悬停控制。

不可思议,对吗?没有活动部件,完全无声,却能实现飞行!大尺寸的 EHD 推进器可能是不切实际的,但实际上缩小尺寸会使 EHD 推进器发挥更好的作用,因为静电力具有缩放不变性。这意味着较小的推进器具有更高的推重比,以及较低的电压要求。在小尺寸下,离子传感器相比于相同大小的扑翼微型飞行器具有一个优势,你可以设计一个以四旋翼飞行器为起点的控制器,因为离子传感器使用四个类似配置的推进器。由于它没有旋转的螺旋桨,它不能利用角动量的变化来实现偏航,但事实证明“只要你有一点摆动的空间,快速,重复的俯仰,然后滚动”,可以导致偏航运动。

与我们所见过的其他微型飞行器一样,现在最大的问题是我们是否可以实现有效载荷的自主运行控制。目前,离子传感器携带的负载比它能承受的还要重,但此外它还需要 7 根外部电线来供电、数据传输和接地。加州大学伯克利分校的研究人员非常明确地表示,他们认为自主控制是可以实现的。

尽管最初的受控飞行演示肯定是在室内实验室环境下进行的,但我们设想未来的离子飞行器将是一个能够在室外飞行的全自动机器人。要想实现全自动需要在许多相互依赖的领域上取得进展,包括:系统开发,以便纳入更多的机载计算、控制和传感电子;进一步对 EHD 执行机构进行工程改进,在较低的工作电压下提供更高的推力密度和效率;并进一步开发仿真环境和小型飞行规模的飞行测试设置,以开始开发更强大的具有高级功能的控制器。

研究人员认为,对于配备 IMU、控制 ASIC、驱动电路和光流传感器的离子飞行器来说,100 毫克的有效载荷是合理的。光流传感器可以仅在动力的情况下控制自主飞行。对小型电源的需求并不仅限于离子飞行器,它需要“结合高能量密度研究级电池”,这可能还不存在。此外,对执行器性能上的改进也是很必要的。好消息是还有很多改进的空间,研究人员似乎乐观地认为他们将能够从 EHD 推进器的设计中激发更多的能量。

(来源:UC Berkeley)

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