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DelFly Nimble仿制果蝇的高速遁逸

gecimao 发表于 2019-03-13 13:39 | 查看: | 回复:

  生物启发的扑翼机器人具有巨大的潜力。他们的承诺是,即使在较小的比例下,它们也可以非常有效地飞行,同时能够快速飞行,悬停并快速进行机动。我们现在推出一种新的扑翼机器人DelFly Nimble,它非常灵活,甚至可以准确地模拟果蝇的高速逃生机动。在科学的文章,发表在科学,我们表明,机器人的运动类似,以至于在果蝇,它使我们能够在逃生演习更好地了解果蝇的动态。在Robohub,我们希望提供更多关于我们如何进入这个机器人的最终设计的动机和过程的背景,以及我们认为未来可能带来什么。

  在代尔夫特理工大学,我们自2005年开始研究扑翼机器人。第一个是DelFly I,由一群学生在实验室工作人员的指导下完成。这款第一款机翼的翼展为50厘米,重量为21克,设计用于携带远程检测相机。实际上,选择了DelFly(X翼配置)的一个定义方面,使得连接到车身的相机在飞行过程中不会振动太多。这种配置对于飞行效率也非常有效,因为机翼的触碰和分离(称为“拍拍”)显着提高了升力产量。DelFly我可以通过First Person View远程驾驶飞入房间,环顾四周,再飞出去。

  然而,当在真实的现实环境中飞行所有这些DelFly模型时,我们经常面临风和阵风的挑战。这绝对是户外飞行,室外飞往室内时的挑战,但即使是强劲的空调也可能会让DelFly无法正常行驶,足以造成麻烦。这里的问题是所有这些DelFly模型都是通过飞机般的尾翼,舵和电梯来控制的。当飞行速度很快时,空气在​​这些表面上会非常快,提供相当多的控制权,但是当飞行速度较慢时,大部分空气都会来自DelFly自己的机翼拍打,导致控制权减少。

  这个问题的解决方案是像昆虫一样操纵:通过改变机翼运动来引入身体旋转。这允许更高的扭矩,因此更灵活的行为。移除稳定尾部确实引入了主动姿态控制的需要。AeroVironment的Nano Hummingbird首次在扑翼机器人上使用机翼转向,并且 - 机械设计非常不同 - 也用于小型Robobee。对于DelFly设计,我们做了一些不同的选择,我们将在下面解释。

  观察飞行动物,有很多方法可以控制三个正交体轴周围的旋转。飞行昆虫的翅膀运动模式显示出不同物种之间的巨大差异,并且这些引起身体旋转的模式的变化通常涉及许多参数。然而,对于机器人,我们受到当前可用的执行器以及当前技术水平的限制。因此,我们正在寻找一种解决方案:1)需要最少数量的执行器来产生三个扭矩,从而产生相应的车身旋转,以及保持机器人空降的升力,2)能够独立地产生这些扭矩,理想情况下通过机械方式产生解耦机制,3)并尽可能简单,以保持系统轻量级。此外

  我们登上了一个概念,重新使用了两个扑翼机构,每个机翼只有一个侧面安装了两个14厘米的机翼。如果两个翼对中的一个以更高的频率被驱动,并且因此产生比另一个更高的推力,则两个机构(机器人的每一侧中的一个)可以提供推力但也可以提供侧倾力矩。这两种机构并非刚性固定在车身上,但它们的相对方向可以通过简单的3D打印伺服驱动器驱动的齿轮机构来控制。这允许将拍打翼(及其推力)更多地移动到身体的前方或后方,这导致俯仰力矩,使得身体向前或向后倾斜。最后,我们增加了第三个伺服执行器,可以不对称地偏转机翼根部的底部;

  与之前的无尾设计相比,该解决方案允许使用现有的和已建立的制造技术进行生产,并且相对容易组装。此外,控制机制的有效性非常高,允许高度灵活的操作。重要的是,这种有效性对重心位置相当不敏感,当重置电池或将摄像机添加到系统时,重心位置会发生变化。由于这种不敏感,我们甚至可以利用重心的位置,使得DelFly在飞行中更加灵活或更稳定,而不会失去控制权。最后,对于高速前飞,DelFly必须向后移动它的翼向前倾; 这也引入了正二面角效应,有助于在这种快速飞行模式下稳定。

  我们认为DelFly Nimble是开始探索实际应用的一个很好的起点,例如在温室中飞行以监控作物或在仓库中飞行以扫描库存。它可以悬停超过5分钟,当快速向前飞行时,它可以行驶一公里。凭借其机载计算机 - 一个开源2.8克Lisa S自动驾驶仪,用于主动稳定机器人 - 我们可以使其执行预编程行为,如翻转或快速转弯。展望未来,我们希望研究如何让它变得更小更智能,但我们保证不会教它如何在厨房的水果上产卵。

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