空中飞行机器人的应用与发展

1.仿生蜂鸟无人飞行器

相信大家对四旋翼无人机都有所知晓，困扰四旋翼无人机进一步发展的是它的体积和重量问题。在目前的设计中，四旋翼无人机依靠传统的空气动力学进行工作，这也导致其不能制造的无限小，因为制造的越小就不能产生足够的升力来支撑它们的重量。

图1-35　仿生蜂鸟无人飞行器

近日，美国普渡大学的研究人员在一篇公开发表的论文中阐述了他们近期的研究成果，其依托于仿生学的原理，模仿蜂鸟的运动研究出一种仿生蜂鸟无人飞行器（见图1-35），能够像机器人一样进行操纵[35]。

为什么要模仿蜂鸟而不是其他的鸟类呢？因为蜂鸟与其他鸟类飞行方式不同，它是鸟类中唯一可以向后飞行的种类[36]。蜂鸟的身体特别小，其飞行原理与传统空气动力学不同，蜂鸟可以通过快速振动翅膀在空中进行悬停，每秒可振动15～80次。因此，研究人员借鉴蜂鸟飞行原理设计了新型蜂鸟机器人。

事实上，关于蜂鸟机器人的研究早在20世纪80年代就已经开始了。最初由美国研制了一种无铰链刚性旋翼概念机，一代无人机能够进行垂直起降。2009年，日本科学家研发出了真正意义上的蜂鸟机，它可以在空中进行悬停，真正实现了仿蜂鸟飞行。2011年，有着40年飞行器制造历史的美国加利福尼亚州的航空环境公司研发了一种名为“纳米蜂鸟”的无人机，当年被《时代》杂志评为世界五十大创新发明之一。而此次由美国普渡大学研发的仿生蜂鸟无人飞行器，是通过物理模拟和人工智能衍生的算法进行控制的，机身采用三维（3D）打印技术制成，机翼（具有170 mm跨度）采用碳纤维框架支撑，并结合激光切割膜制成，具有很高的灵活性和弹性。仅使用两个执行器，每个机翼一个，并且带有传感器（磁性传感器、陀螺仪、加速度计）和微型控制单元（MCU）。(www.zuozong.com)

2.仿生蜻蜓飞行机器人

仿生蜻蜓飞行机器人是由德国著名的费斯托公司研制的，其体长44 cm，翼展可达到63 cm，体重为175 g，外形如图1-36所示。

图1-36　仿生蜻蜓飞行机器人

与真实蜻蜓相似之处在于这个机器人能够像蜻蜓一样敏捷飞行。它能够向任何方向飞行，并执行最为复杂的飞行策略。该机器人采用四翼碳纤维折叠翅膀，每秒可拍打20次，空中飞行状态犹如在水中游动。该机器人配置的控制系统能够独立地控制其每个翅膀，从而确保飞行机器人可以瞬态减速和突然转向，还可以在极短时间内加速，甚至逆向飞行。法国费斯托公司的海因里希-弗隆特泽克博士说：“其独特飞行功能是由于它的轻型结构和整合功能实现的，传感器、制动器、机械零件都紧凑装配在开放体系和闭合环路控制系统中，虽然许多器件都安装在一个非常紧凑的空间中，但是它们能够彼此精确匹配[37]。这意味着它是能够模拟直升机、有翼飞行器和滑翔机的任何飞行状态的首个机械模型。”

这款仿生蜻蜓飞行机器人结构十分复杂，具有较高水平的整合系统，却易于通过智能手机进行控制。这款飞行机器人的翅膀由9个伺服电动机操控，每个翅膀能够旋转90°，便于控制冲角使其能够向前、向后和侧向飞行，具备了很高的飞行技巧。