荷蘭「師承果蠅」微型無人機拍翅膀起飛、俯衝打滾,沒尾巴也很穩

2020-12-06 機器人大講堂

前幾天給大家介紹了仿鳥無人機,有小夥伴說僅用螺旋槳提供動力也太簡單了。今天一起來看看這款無人機,能真正用翅膀飛起來。

看它舞動著透明的翅膀,一溜煙飛走了,有沒有想起一種我們都討厭的小動物。

夏天的時候,大家最討厭的應該就是果蠅了,飛得賊快,拿著蒼蠅拍悄悄的接近它,眨眼間就逃走了。不過果蠅飛行的穩定性和敏捷性成為了科學家開發無人機的靈感。

這是荷蘭代爾夫特理工大學的微型無人機實驗室(MAVLab)在2018年的作品,仿果蠅無人機——DelFly Nimble,通過拍打翅膀飛行,長為33釐米,重29克。當時DelFly Nimble在IMAV 2018室內競賽中還獲得「最具創新性設計」獎,登上了《Science Robotics》的封面。

最近,MAVLab公布了DelFly Nimble的最新視頻,可完成多種飛行和避障任務。令人眼前一亮的還有它的續航能力,在充滿電的電池上可以飛行超過1公裡的距離,並能夠攜帶4克的額外有效負載。

遵循預定的飛行路線飛行:

通過障礙物:

通過多個圓形「窗戶」:

拍打翅膀實現多種飛行任務

和果蠅一樣,DelFly Nimble具有一對翅膀,包括兩個機翼拍打機構,由透明的聚酯薄膜製成,每秒拍打17次,從而產生飛行所需的升力。

不僅如此,還可以通過機翼的微小調整來控制前後和側向飛行,甚至在空中轉個360度的圈:

DelFly Nimble通過旋轉伺服致動器實現各個方向的俯仰、偏航和滾動。

俯仰:

通過調節二面角(翅膀的中線)來產生俯仰轉矩,該二面角相對於質心向前或向後移動兩個翼對的翼拍平均推力矢量。

偏航:

通過致動一對翅膀的根部伺服致動器來實現偏航,通過改變兩個拍打機構的相對方向來調節,使得它們各自的機翼拍打平均推力沿相反的方向傾斜,從而產生圍繞偏航軸的扭矩。

滾動:

通過以不同的拍打頻率驅動兩個機翼對來實現滾動,這會導致推力差,從而圍繞滾動軸產生扭矩。

沒有尾巴也能保證穩定性

與果蠅不同的一點在於,DelFly Nimble沒有尾巴來保持穩定性,依靠主動穩定功能,由車載自動駕駛儀(STM32微控制器,MPU60006DOF IMU)和Paparazzi UAV軟體實現。

研究人員採用了具有比例(P)和微分(D)項的姿態反饋控制,從姿態設定點產生參考,姿態設定點均由自動駕駛儀中的預編程序列確定,以確保多次飛行的一致性,這使所有果蠅啟發的動作都是由無人機完全自主執行的。在Paparazzi UAV軟體中姿態穩定的標準實現的基礎上,研究人員還向控制器輸出添加了一個低通濾波器(二階Butterworth),以減少伺服執行器命令中的噪聲量。

DelFly Nimble帶有實時視頻輸入的攝像系統,並通過一種叫做LongSeq的視覺算法來躲避障礙,支持圖像行中具有恆定視差的長序列,即使在像素不好的情況下也不會對匹配質量造成影響。

看完這款無人機,小編覺得果蠅也沒有那麼討厭了。

除了對生物研究有利外,在無人機領域,DelFly Nimble所具有的高效飛行能力和靈活的操縱性,可以讓我們看到未來,昆蟲仿生無人機或許會比現在的旋翼無人機更有前途。使用現有工藝和組件,DelFly Nimble 機器人製造成本也相對低廉。

目前DelFly Nimble的開發仍在繼續,一起期待它未來的表現吧。

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