自动机机器人无人机 可靠的栖息使固定翼无人机更有用

自动机机器人无人机 可靠的栖息使固定翼无人机更有用

无人机设计是在有效载荷(固定翼)上有效长距离飞行的能力和轻松操纵,悬停和轻松(旋翼航空器)的能力之间的永久妥协。有一个非常奇怪的例外,任何试图提供两个世界最好的飞机终于相对复杂,低效率和昂贵。理想的幻想无人机将是具有魔法能力的固定翼飞机,一部分来自加拿大舍布鲁克大学的研究人员已经非常接近,使用一架使用腿和可靠地栖息在墙上。


我们看到的大多数栖息机器人都是四旋翼。因为您拥有更多的控制程度,而且您无需保持车辆始终向前移动,因此与固定翼飞机相比,使用四旋翼机更容易。当然,这种四冲程运动能够采用更多的创新手段来锻炼身体,但也值得注意的是,由于它们可以相对容易地悬停和滑动,因此对于四轮旋转器来说,栖息不那么有价值。 

固定翼栖息是一个更困难的问题,因为栖息通常需要车辆非常接近静止,以防止它从任何地面尝试着陆的弹跳。飞机在空中静止不舒服,一旦空气停在机翼上,通常会停顿,因为这是电梯大部分来自的地方。如果您非常(非常)小心,您可以将这个摊位与您的栖木目标完全吻合:这就是麻省理工学院的电力线滑翔机的工作原理

来自Sherbrooke大学的Dino Mehanovic,John Bass,Thomas Courteau,David Rancourt和Alexis Lussier Desbiens意识到,固定翼飞机的栖息不需要涉及一个摊位来实现这种垂直和超低速方法,如只要你能保持对飞机的控制。鸟儿一直这样做,实际上,通过使用翅膀的推力可控地接近足够慢的物体,以使舒适的栖息处。舍布鲁克的多模式自动无人驾驶机(S-MAD)使用类似的推力辅助着陆技术(以及一些微型脚部)可靠地栖息在墙壁上,然后再次起飞

这有几个技巧。第一个伎俩是俯仰机动,将固定翼飞机变成临时直升机,完全依靠推进器进行升力(推力重量比为1.5),而机翼提供足够的控制面取消扭矩。在这一点上,无人机可以像你想要的那样缓慢地接近墙壁(使用激光测距仪进行墙壁探测),这样就可以实现第二个技巧:最大限度地提高“适合的触地条件区域”,或者确保该方法很慢足够稳定,可以很小的硬件(传感和其他)可靠地栖息。第三个伎俩是在这种情况下拥有一个栖息系统,腿部和微粒,即使飞机没有完全按照你的要求,

在室内测试中,S-MAD在20次成功实验中进行了20次,即使环境(我们假设)非常严格的控制也是非常好的。未来的工作将包括添加一些传感器来帮助最终的墙体接触阶段,并且还可以从事推力辅助的攀岩,管理中止的方法,以及从栖木地方尝试恢复,微球不能正确地抓到墙上。如果他们能把所有这一切放在一起,并使其在不同的表面和不同的条件下,在户外工作,S-MAD(或像这样的无人机)可以成为上班系统,只要你需要一个高效可靠的远程,长时间的平台,也可以不时地拉到最近的墙壁或树干上。

有关更多细节,我们通过电子邮件Alexis Lussier Desbiens交谈

IEEE Spectrum:您可以解释什么使S-MAD在栖息机器人(或特定机翼机器人)中独一无二,以及为什么其提供的功能非常重要?

Alexis Lussier Desbiens:这是真的,现在有很多伟大的四重奏,可以在各种表面上栖息,光滑或粗糙。我们仍然喜欢固定翼。它们在飞行中特别有效,并且可以在栖息地点之间移动得更快。

们知道只有另外两个固定翼栖息机身:粘土平面(Anderson等,2009)和飞镖机构(Kovac et al。,2009)。这两个系统都能在小规模工作。然而,随着规模的增加,飞行速度也会增加,这使得死亡影响变得棘手。随着进近速度的增加,冲击时需要的力和加速度在合理的距离(即悬架行程)中消散,这也就是为什么鸟在空中动力学上能够在触地之前腾出一大段速度。这就是我们正在尝试用这个平台重现的。即使有相对较重的平台,我们也可以通过使用俯仰机动和推力,以合理的力量创造一个平稳的着陆,从而大大减少飞机的速度。 

我在斯坦福大学的滑翔机上开始了这项工作。我能够在一个相当轻的平台上登陆,并在一个更重的平台上起飞。在同一平台上进行着陆和起飞是非常困难和不可靠的。这就是迪诺所取得的成就,以及我们在本文中所描述的。 

现在的栖息地有多可靠?您正在处理什么样的故障恢复技术?

在实验室中可靠。我们从不同的进场速度进行了20多次连续着陆。更多是需要的,但之后,我们感到无聊!通过仿真,我们将系统设计成对许多参数的变化是鲁棒的。到目前为止,我们在平静的日子里外面打了十几次。我们想继续在外面工作,推动我们系统的局限。  

我们正在考虑各种故障原因(在接近过程中不合适的状态,微粒的光滑表面)和故障检测时间(触地之前,达阵和触地之后)。在所有情况下,起飞战略都允许我们在不同的阶段中止机动,增加推力,并从墙上飞走,再试一次或找到不同的地点。  

如果您要使用不同类型的表面参与硬件,您的变形方式会如何变化?

我们喜欢微粒,因为它们非常简单和轻便。然而,它们具有非常严格的力量约束,需要被尊重以成功粘附。这就是为什么半无源高速着陆需要暂停的原因。在光滑的表面上,可以使用定向干式粘合剂(如壁虎灵感)。由于它们具有类似的力量约束,所以它们可以用于几个修改。 

Cutkosky等人 在过去几年里,基于微型和干式粘合剂开发出了许多“相对夹子”。由于夹紧的内力,这些具有较大的操作力空间。他们对反弹并不敏感,并且适用于栖息,正如他们在四足球上所展示的那样。使用这种机制,更容易着陆并保持在表面上。 

存在其他技术:磁性,电粘附等。在所有情况下,我们对墙的最终方法现在相当平滑,可控制和低速。整合这些技术大多不应该是一个问题。

你可以描述你正在努力的推力辅助攀登过程吗?什么时候更有利于使用这个而不是再起飞和栖息?

我们现在正在研究这个问题,如何做到这一点,何时使用各种模式是有意义的。在其最简单的化身中,推力辅助攀爬将包括打开螺旋桨,允许微球在保持接触并转动螺旋桨的同时向上滑动。这是通过微球各向异性滑动行为实现的:它们在一个方向上滑动并捕获在另一个方向。我们也可以想到离开墙壁一些距离,或者整合行人的腿。 

与攀爬相比,飞起来可以让无人机快速移动。螺旋桨也可以相当高效。然而,比较不同运动模式的贸易研究总是棘手的。您必须定义您的目标:运输成本,速度,敏捷性等。您还必须考虑许多有时难以量化的因素:齿轮效率,飞行和攀爬之间的一些组件的重新使用,转换时间,螺旋桨尺寸,操作远离设计点,电池尺寸等。Pope et al。(2016)在其SCAMP平台上进行了测量和估计飞行似乎是一个更有效的方式爬上一米,但他们声称电机/齿轮箱的效率可能会被充分改善,以扭转这一点。与SCAMP相比,随着螺旋桨已经向上,我们的平台将花费大量时间在转换中。

这样的车辆可以使用什么样的实际应用?

这种能力使小型无人机能够在几天或几周内执行延长任务,您可以在那里着陆,休息/充电,起飞和重复无限期。这允许新的任务。最终,这种平台可用于长时间监视,能量采集,结构检查或可重新配置的传感器网络。 


来自加拿大Sherbrooke大学的Dino Mehanovic,John Bass,Thomas Courteau,David Rancourt和Alexis Lussier Desbiens的自主推力辅助垂直表面无人机的自动推进,于2017年在斯坦福大学生活机器大会上发表获得最佳论文奖。


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