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从黑科技到白科技的无人机(2):小尺寸、大麻烦 精选

已有 6218 次阅读 2015-6-18 15:09 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记| 无人机, 小型化

飞机的飞行过程是最耗能的环节,特别当设备的尺寸缩小时,相对的耗能会更加明显。随着设备尺寸减小,会减少电磁马达的功率密度、降低传动效率,因为这相对增加了齿轮和轴承间的摩擦。电动汽车的马达可以实现近90%的效率,功率密度达到每千克数千瓦,而对于毫米级别的无人机来说,马达产生的功率密度为每千克数十瓦,效率也低于50%。这减少了小尺度上的飞行性能,意味着电源和配电是需要着重考虑的两个方面。较小的尺寸也意味着较低的雷诺数(雷诺数是表征流体流动特性的一个重要参数,其大小决定了粘性流体的流动特性。雷诺数小,意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位,呈层流状态;雷诺数大,意味着惯性力占主要地位,流体呈紊流状态),进而增加了黏滞力,产生更大的阻力系数,减少升力系数。从另一个角度讲,缩小尺寸将产生较低的升阻比,从而需要更多的相对前进速度对抗阻力和功率损失才能保持飞行状态,就降低了整体能量效率,绝大部分功率用于产生升力维持在空中飞行

同样,尺寸问题在最基本的飞行自主性上也带来很多麻烦:尺寸小,提供的能量不足,续航能力有限,整个飞行时间在数十秒到数十分钟之间,无法执行高级任务,与载人的飞行器相比并不占优势。飞行模式也因尺寸问题呈现出更多的挑战,如空中悬停,不仅需要较大的能量供应,还需要可靠的控制能力,这些需求也是随设备尺寸减小变得更加困难。

然而,减少尺寸的最大好处是带来了机动性。转动惯量是飞行器性能的一个重要指标,是飞行器临界长度的度量,如翼的弦长或螺旋桨长度。因此,小型飞机可以用室内控制系统和电脑进行实时跟踪和控制。这种增强的灵活性,是以牺牲开环稳定性(控制结果不反馈回来影响当前的控制系统 )为代价的,更需要强调闭环控制。内置传感器和计算系统的自主无人机上实施这些行为也是一个重大挑战,但目前显然已经取得了期待的结果。

为了应对这些挑战,无人机开发者只得平衡各种取舍,从系统水平考虑整体设计,出现了形态各异的无人机。其中,最常见的形态包括:常规固定翼飞机(固翼机)、旋转翼飞机(旋翼机),以及仿生设计的扑翼飞机(扑翼机)。这些形态各有优、缺点。瑞士senseFly公司出产的电动航测无人机电子黄蜂(eBee)就是一种固翼机(图1),重约690g,能够快速飞行,但不能悬停。派诺特(Parrot)公司的四轴飞行器AR. Drone 2.0就是一种旋翼机(图2 ),重约380g,可以悬停,具有高度的灵活性,但一般前行速度比固翼机要慢许多。不管是固翼机还是旋翼机,都是依靠空气动力学来控制飞行的,并依靠组件的性能产生推进力,尺寸减小极大地影响这方面的性能。对于更小尺寸的推进器,需要找到一些非常规的驱动替代方法。在自然界中,扑翼推进这种方式在飞行动物中很常见,是一种有效的飞行形式,但要将这转化为功能性设计不是一件容易的事情,昆虫、蝙蝠和鸟类的飞行方式就不完全一样。不过,研究人员已经有效地再现了自然界许多不同的飞行方式,如AeroVironment公司的仿生扑翼机纳诺蜂鸟(Nano Hummingbird)(图3)和哈佛只有80毫克的机器虫(RoboBee)(图4),后者没有内置的能源供给系统,需要拴在一个外部电源上飞行。从驱动来看,旋翼机和螺旋桨驱动的固翼机都采用电磁马达,有些扑翼飞行器其实也是采用电磁马达驱动的,只是需要将电机的旋转运动转化为扑翅运动(比如图3中的Nano Hummingbird,而图4中的RoboBee则不是)。随着尺寸降低,传动装置的制作工艺难度也开始加大。同以准恒定方式产生升力和推力的固翼机和旋翼机不同,扑翼机的空气动力学比较复杂,涉及到涡旋结构的产生与控制。还有一种可飞可滚的笼封机器人Gimball(图5),重约380g,由一个同轴双螺旋核心组成,放置在一个解耦可自由旋转的保护球笼中。
 


图1 固翼eBee


图2 旋翼AR. Drone 2.0


图3 仿生扑翼Nano Hummingbird


图4 昆虫大小的RoboBee


图5 笼封机器人Gimball

有了这些飞机,让我们设想一个救援场景时这些无人机是如何组合起来进行救援工作的。在救援现场,一架eBee正在空中进行长时间(>40分钟)飞行,一方面提供救援区的鸟瞰图像,另一方面为地面救援人员提供通信网络;一架具有悬停功能的AR. Drone 2.0在检查建筑等的裂缝和渗漏情况,另一架AR. Drone 2.0从附近的医院送来了医疗用品;扑翼机编队RoboBee正准备进入建筑物中寻找化学危险品;笼封机器人Gimball已经深入复杂建筑内部时而飞行,时而滚动,努力寻找生命迹象。

除了不同无人机可以组合起来完成更复杂的功能,还可以考虑单架无人机将空中与地面功能结合起来。比如,让无人机降落在墙壁和电线上,可更长时间从有利位置监测环境,同时节约能源消耗。无人机在降落后可以在地上用腿移动,或者让翅膀收起来。也许,未来的无人机可能会使用同一套驱动系统进行飞行控制和地面运动。空中飞行与地面移动所需的速度和转矩是不同的,可根据具体情况调整翼的形态,这非常类似于吸血蝙蝠用它们强大的前肢进行飞行或行走(图6)。另外,还可以在悬停无人机上增加轮子,或者在滚笼中嵌入推进系统,这种设计不仅允许无人机在地面上任何方向进行滚动,而且由于转子受到笼子的保护,也能与障碍物或人进行安全碰撞。从相反角度考虑,也可以将翅膀安装到到地面机器人身上,可使得它们在不平坦的地面上行走时可增加跳跃距离,还能稳定着陆,尽量减少地面的影响。此时,跳跃和飞行部署机制中采用相同的驱动系统,运动总成本减少了。当然,还可以用旋转的翅膀辅助减少起飞时的阻力,改善从弹道起跳到滑翔的过渡期,让滑翔比最大化。
 


图6 吸血蝙蝠用它们强大的前肢行走


参考资料:
[1] Floreano D. & Wood RJ. , 2015. Science, technology and the future of small autonomous drones. Nature, 2015-05-28, 521: 460-466.




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