Движение в движении:
Последние новости и события

Летательные аппараты с колеблющимися крыльями (FAVs) — это тип летательного устройства, который подражает методам полета насекомых и птиц. Исследования в области бионики и аэродинамики показали, что микро-летательные аппараты, схожие по размеру с птицами или насекомыми, наиболее эффективны при использовании методов полета с колеблющимися крыльями. Дизайны, связанные с бионическими летательными аппаратами с колеблющимися крыльями, существуют с времен Леонардо да Винчи, но лишь после 1970-х годов начались более систематические исследования. Бионические летательные аппараты с колеблющимися крыльями интегрируют междисциплинарные технологии, такие как бионика, аэродинамический анализ, анализ механической структуры, энергетика, связь и управление. Их разработка прошла путь от ранних больших пилотируемых орнитоптеров с низкочастотным колебанием до среднечастотных орнитоптеров, напоминающих птиц, и высокочастотных орнитоптеров, напоминающих насекомых (при низких числах Рейнольдса), при этом теоретическое моделирование эволюционировало от начального прямого синусоидального движения фиксированных крыльев к более поздним сложным паттернам движения составных крыльев.

Преимущества бионических летающих устройств с хлопающими крыльями

В настоящее время основными типами летательных аппаратов являются аппараты с фиксированными крыльями, аппараты с вращающимися крыльями и аппараты с колеблющимися крыльями. Аппараты с фиксированными крыльями имеют ограничения по минимальной скорости и размаху крыльев, а также недостаточно маневренны и гибки, что затрудняет миниатюризацию. Аппараты с вращающимися крыльями зависят от вращения пропеллеров для получения энергии, что требует определённых размеров и прочности роторов, и они должны справляться с проблемами, такими как крутящий момент, вызванный балансом вращения, что делает их реализацию относительно сложной. В отличие от этого, биомиметический колеблющийся полет может регулировать движение крыльев, чтобы использовать вихревой эффект воздуха, обладая таким образом высокой маневренностью, а также более высоким соотношением подъемной силы к сопротивлению и эффективностью полета, что позволяет достичь экстремальной миниатюризации.

Полет с помощью машин с махающими крыльями одновременно генерирует подъемную силу и тягу, интегрируя функции подъема, зависания и propulsion в одну систему. Это обеспечивает высокую маневренность и гибкость. Регулируя параметры махающей системы, можно гибко изменять состояние полета, что позволяет избежать некоторых управляющих структур, значительно упрощая проектирование и снижая вес летательного аппарата. Кроме того, крылья биомиметического летательного аппарата с махающими крыльями могут фиксироваться в горизонтальном положении, что позволяет ему парить на больших высотах, используя потенциальную энергию, что экономит больше энергии по сравнению с постоянным вращением роторов вертолета. Более того, теоретические исследования показывают, что эффективность тяги махающих крыльев выше, чем у conventional propulsion systems, достигая до 85%.

Биомиметические летательные аппараты с машущими крыльями, обладающие многими преимуществами биологического машущего полета, могут быстро взлетать, ускоряться, зависать и приземляться с места. Они напоминают по форме и схемам полета птиц или насекомых, обеспечивая хорошую маскировку, высокую камуфляжность, низкий уровень шума и отличную маневренность. Эти характеристики открывают широкие перспективы как в военной, так и в гражданской сферах. В военном приложении биомиметические летательные аппараты могут использоваться для разведки противника, отслеживания целей, электронного подавления, оценки ущерба, отбора образцов ядерных, биологических и химических веществ, развертывания сенсоров, релейной связи и даже для активной атаки и защиты. В гражданских приложениях они могут применяться для мониторинга окружающей среды, наблюдения за бедствиями, контроля за движением и состоянием дорог, а также для управления птицами в аэропортах.

Разработка бионического летательного аппарата с механическими翅ьями, обладающего разумной конструкцией и превосходными характеристиками, требует междисциплинарного подхода, включающего бионику, биологию, аэродинамику, механический дизайн, проектирование управления и энергодизайн. Текущие направления исследований сосредоточены на динамике полета, управлении полетом и энергетике полета.

Бионическая механика полета с флаппингом

Птицы и насекомые приобрели сложные навыки полета за более чем 150 миллионов лет эволюции, способны на длительные полеты или быстро выполнять сложные маневры. Поэтому изучение траекторий взмаха крыльев птиц и насекомых, их частоты взмаха, структуры воздушного потока вокруг крыльев, а также масштаба их крыльев и затрат энергии крайне важно для раскрытия аэродинамических принципов полета. Эти исследования существенно важны для проектирования микроавиационных средств.

Биомиметические летательные аппараты с колеблющимися крыльями дополнительно классифицируются на основе методов полета их биологических моделей на орнитоптеры (птицеобразные) и энтомоптеры (насекомообразные). Полет птиц можно классифицировать на три типа в зависимости от характеристик полета: планирующий, парящий и колеблющийся полет, при этом первые два типа не требуют затрат энергии на мышечные сокращения. Колеблющийся полет является основным режимом полета для летающих животных, при котором группы мышц колеблют крылья для генерации энергии, создавая подъемную силу для преодоления силы тяжести и тягу для преодоления сопротивления. Для птиц основные движения крылья, форма крыла, размах, нагрузка, изгиб крыла, угол сноса и положение в полете значительно варьируются с каждым взмахом крыльев. Частота и амплитуда колебаний также изменяются в зависимости от угла атаки крыла и скорости полета. Основные движения крыльев птиц можно разделить на колебания, скручивание, swinging и складывание.

Когда птицы периодически хлопают своими крыльями, они создают серию застревающих вихрей (вихревая улица). Если набор вихрей над центральной плоскостью следа вращается против часовой стрелки, а те, что ниже, вращаются по часовой стрелке, в окрестностях центральной плоскости следа формируется область потока с большей величиной и направлением, соответствующимincoming потоку, в этот момент застревающие вихри вызывают подъемную силу. В ходе своей эволюции птицы разработали два явно отличающихся режима хлопания крыльями для эффективного создания подъемной силы: режим вихревого кольца и режим непрерывной вихревой линии.

Для насекомых взмахивание крыльев является необходимым способом полета, даже при парении, в основном из-за различных чисел Рейнольдса у птиц и насекомых во время парения. Более того, структура крыльевых жилок у насекомых определяет отсутствие сгибательных движений в процессе их взмахивания. Однако амплитуда взмахов, скручивающих и колеблющихся движений у насекомых намного больше, чем у птиц, и их паттерны движения также гораздо сложнее. Это главным образом проявляется в большей амплитуде скручивающих движений крыльев насекомых, изменчивости кривизны крыльев, способности насекомых изменять площадь крыльев, которые принимают на себя силу, и использовании наклонных плоскостей взмахивания крыльями.

В прошлом люди использовали квази-статическую теорию для оценки и объяснения принципов машущего полета насекомых, что не совпадало с экспериментальными результатами. Поэтому начали искать механизмы, которые обеспечивают высокую подъемную силу. В настоящее время механизмы, которые, как известно, производят высокую подъемную силу у насекомых, включают механизм Вейса-Фога, вихри на передней кромке с задержкой срыва и вращательную циркуляцию с захватом вихря, два последних из которых были получены на основе экспериментальных данных.

Кинематический анализ бионического покачивания с использованием технологии захвата движения

Птицы часто изменяют форму и размер своих крыльев во время полета, чтобы адаптироваться к различным скоростям полета. Для извлечения форм крыльев в различных состояниях для кинематического анализа можно использовать 3D систему захвата движения, чтобы получить взаимосвязь между углами суставов крыльев и временем полета у птиц. Рефлексные маркеры размещаются на крыльях и теле птицы, и, отслеживая траекторию движения этих рефлексных точек, получают кинематические данные полета птицы. Эти данные предоставляют информацию о симметрии маханий крыльев, диапазоне углов махания, частоте движения и углах суставов.

Существует широкий спектр перспектив применения в таких областях, как поведенческие действия. Мобильные роботы в основном делятся на колесные роботы, гусеничные роботы и биомиметические роботы на ногах.

Разработка бионических летающих аппаратов с машущими крыльями с использованием технологии захвата движения

При проектировании конструкции биомиметического летательного аппарата с машущими крыльями первым шагом является определение приводного механизма. Приводные механизмы для биомиметического машущего движения можно разделить на две основные категории: одна — это механизм с одним степенем свободы, который выполняет только вверх-вниз движения; другая — механизм с несколькими степенями свободы, который реализует сложные формы движения, такие как скручивание, складывание и другие действия. Общими механизмами с одним степенем свободы являются механизм кривошипно-шатунного типа, механизм кулачка и пружины, механизм с двойным кривошипом и двойным рычагом, а также механизм с одним кривошипом и двойным рычагом. Для установления математической модели и модели динамики многотельного механизма необходимо сравнить рассчитанные кривые угловых перемещений левого и правого крыльев из математической модели с кривыми, полученными в симуляциях ADAMS, чтобы подтвердить точность математической модели. После завершения физического строительства летательного аппарата с машущими крыльями можно использовать систему оптического захвата движения для прикрепления маркеров к внутреннему крылу, внешнему крылу и кривошипу в соответствующих местах. Полученные реальные угловые кривые затем можно сравнить с предыдущими двумя, чтобы подтвердить правильность уравнений движения и моделирования симуляции.

Биомиметические летательные аппараты с колеблющимися крыльями являются сложными системами, характеризующимися нелинейностью и нестабильностью, часто использующими гибкие конструкции, которые легко подвержены внешним воздействиям. Более того, с уменьшением размера аппарата резко снижается эффективность сенсоров и актуаторов, что требует разработки лучших контроллеров для достижения стабильности системы. Наиболее критическим и широко изучаемым аспектом управления полетом с колеблющимися крыльями является управление углом полета, которое включает в себя проектирование контроллеров для управления углами наклона (тангаж, крен и рыскань) и углом колебаний для регулирования положения аппарата.

Университет Гарварда разработал первый в мире микроавиационный летательный аппарат (MAV) с колеблющимися крыльями, способный к полету, который называется FMAV. Каждое крыло летательного аппарата управляется независимо с помощью пьезоэлектрического привода через сферическую четырехзвенную связь. Используя "раздельный сигнал" для привода, устройство успешно генерирует моменты крена, тангажа и рыскания. В ходе экспериментов система захвата движения отслеживает перемещение и ориентацию самолета, предоставляя обратную связь в реальном времени. С помощью адаптивного управления система достигает стабильного взлета и посадки насекомоподобного MAV.

В дополнение к управлению ориентацией, управление вибрацией самолета также является важным аспектом, определяющим его характеристики. Во время полета крылья и фюзеляж легко подвержены воздействию внешних возмущений и вибрациям, вызванным работой их собственных двигателей и структурными движениями, что требует разработки контроллеров для подавления этих вибраций с целью обеспечения стабильности системы. Распространенные методы включают активное управление вибрацией и управление границами, такие как применение теории смешанной чувствительности H∞ для решения задач активного управления вибрацией хвоста самолета, или использование прямого метода Ляпунова для проектирования граничных контроллеров для управления крыльями.

Участие NOKOV в отечественной разработке бионических летательных аппаратов с колеблющимися крыльями

NOKOV является ведущим поставщиком систем оптического захвата движения и в настоящее время активно сотрудничает с несколькими университетами в области многоногих роботов.

Шаньдуньский университет

Размер пространства: 3 м x 3 м

The bionic flapping-wing aircraft team at Шаньдуньский университет set up eight Mars 2H infrared optical cameras on tripods in the laboratory. They attached reflective markers to the wings and body of the bionic flapping-wing aircraft. By capturing the spatial position and attitude of the aircraft's wings and body, they were able to obtain data on the different flapping frequencies and patterns of the wings, the vibration patterns of the body, and proposed an active vibration suppression method for the harmful vibrations in the flexible structure of the bionic flapping-wing aircraft.

Пекинский университет науки и технологии

Пространственные размеры: 6м x 6м x 3м

Команда по созданию бионических летательных аппаратов с махающими крыльями из Пекинского университета науки и технологий прикрепила три маркера к головному и хвостовым плавникам бионического летательного аппарата с махающими крыльями, рассматривая его как жесткое тело. С помощью инфракрасных оптических камер NOKOV, расположенных по периметру площадки, они зафиксировали вращательную траекторию полета и изменения положения бионического летательного аппарата при различных углах махания и частотах.

Харбинский институт технологии (Шэньчжэнь)

Размеры помещения: 15м x 20м x 8м (лаборатория захвата движения NOKOV Yanjiao)

Professor Wenzu Xu's team at Харбинский институт технологии (Шэньчжэнь) conducted bionic flapping wing flight experiments in the NOKOV Yanjiao motion capture laboratory to obtain the flight position and orientation of a large-scale bionic flapping-wing flyer. Considering the large experimental capture space and the high precision requirements, active markers (markers that emit infrared light themselves) were attached to the flapping-wing flyer.