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SpiderMAV:无人机栖息和稳定飞行解决方案

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

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凭借改装的 DJI Matrice 100 无人机,英国伦敦帝国理工学院空中机器人实验室的研究人员完成了一种全新栖息技术的概念验证,并于2017年末在温哥华举行的智能机器人和系统(IROS)会议上展示了该技术。

SpiderMAV模拟了一种蛛网支撑结构,其附加模块能够射出类似于蛛丝的绳索,帮助无人机悬浮在附近表面上。

为什么栖息功能有价值?

对于无人机而言,风速变化时保持飞行稳定是一项艰巨的任务,算法处理的内容非常多,需要消耗大量能量。节能研究通常并不那么令人激动,然而Mirko Kovač博士解释说:“空中机器人技术的主要挑战之一是飞行时的高能耗,这不仅限制了系统重量——低于2千克(或4.4磅),而且限制了飞行时间——通常只有几十分钟。”延长飞行时间对于今天的无人机技术以及未来飞行机器人的可能性来说无疑具有巨大的价值。

栖息技术不仅可以节省能量,而且还可以让无人机悬浮在空中,从而获得稳定性和精确度。风的变化不利于感测、检验或摄影无人机的运行。

栖息功能的另一个价值是允许无人机在危险或不安全的条件下更加自主。“该技术的一个核心应用领域是深矿,比如无人机可以在矿井中执行测绘任务、采样任务,以及查找贵金属位置等”,Kovač表示。

研究人员还在考虑如何能够让飞行机器人进行增材制造,比如3D打印或ad-hoc构造,以修复受损表面。只有栖息技术能够同时提供飞行稳定性和能效时,人们才能实现这种类型的机器人无人机技术。

近期潜在应用包括:天气条件变化时(比如暴风雨的强风)实现无冲击影片拍摄。我们不建议在强风中飞行无人机,但是以下视频描述了在大风中导航无人机的一些注意事项。

flying a drone in high winds

piderMAV如何栖息?

SpiderMAV利用两个附加模块实现稳定的空中栖息。安装在无人机顶部的是栖息模块,安装在无人机底部的是稳定模块。两个模块采用了相同的发射和锚固技术,不同的是顶部的栖息模块竖直向上发射绳索以固定无人机的垂直方向,而底部的稳定模块使用水平锚线固定机身。

模块利用压缩气体发射一块栓有聚苯乙烯绳索的磁铁。将磁铁固定到诸如梁或金属片之类的磁性表面之后,机器的卷绕系统将绳索卷入,从而将绳索拉紧。无人机稳固后,可以降低电机速度,或者完全关闭电机。

测试中,研究人员用风扇模拟侧风,在没有任何稳定绳索的情况下,悬停的DJI在x轴上偏移了5.4英寸,在y轴上偏移了15.2英寸,在z轴上偏移了4.2英寸。风扇模拟条件不变,测试SpiderMAV时,由于配备了稳定功能,其空间偏移在x轴上减小到1.9英寸,在y轴上减小到3.1英寸,在z轴上减小到2.9英寸。除了稳定性显著增加之外,电池消耗也几乎降低到了零。

SpiderMAV的灵感

设备名称含有“Spider”(蜘蛛)字样,显而易见,研究人员从蜘蛛身上获得了灵感。

为SpiderMAV带来灵感的蜘蛛叫做达尔文树皮蜘蛛。在这个展示运动中的蜘蛛视频中,您可以看到蜘蛛如何吐丝,然后通过风形成一条82英尺长的锚线。这种动物用蛛丝制作强力支撑结构的能力为研究团队带来了灵感。

伦敦帝国理工学院的研究人员正在将仿生作为许多设计的核心功能。“仿生设计成功的核心是从生物学中抽象基本设计原则,以及如何使用最先进的技术在机器人领域实现相应设计”,Kovač表示

当然,灵感来自自然界的技术并不是什么新鲜事,比如飞行蝙蝠机器人(Bat Bot),还有由各种动物启发的六足机器人等等。

未来研究

到目前为止,SpiderMAV仍然是一个概念验证,只是展示了这种功能研究所带来的直接好处。虽然锚固机制有了技术原型,但是研究人员尚未研究出SpiderMAV如何脱离其栖息位置——这是实现全功能模块的重要部分。

此外,研究团队正致力于开发其他锚固系统(非磁力)。虽然磁铁对金属表面非常有效,但为了让锚定功能在现实世界中使用,系统需要适应金属以外的其他材料。

为了说明这种锚线制造技术如何用于机器人无人机,研究团队用两架无人机合作编织了一个支撑网,并拍摄了相关视频。“通过这种方法,绳索就像一个智能结构,可以缠绕到任何几何体上”,Kovač表示

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DevicePlus 编辑团队
DevicePlus 编辑团队

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