stringtranslate.com

Микро летательный аппарат

Микролетающий летательный аппарат (МЛА) RQ -16 T-Hawk пролетает над имитируемой зоной боевых действий во время испытательного полета.
Скриншот симуляции МВА размером со шмеля, предложенного ВВС США в 2008 году [1]

Микролетающий аппарат ( МАВ ) или микролетающий аппарат — это класс переносимых человеком миниатюрных БПЛА , размер которых позволяет использовать их в операциях по поддержке на малых высотах. [2] Современные МВА могут быть размером всего 5 сантиметров — сравните с Nano Air Vehicle . Разработка ведется коммерческими, исследовательскими, правительственными и военными организациями; [ требуется ссылка ] и, как сообщается, в будущем ожидается появление летательных аппаратов размером с насекомое . [3] Малые летательные аппараты позволяют осуществлять дистанционное наблюдение за опасными средами или территориями, недоступными для наземных транспортных средств. Любители спроектировали МВА [4] для таких применений, как соревнования по воздушной робототехнике и аэрофотосъемка . [5] МВА могут предлагать автономные режимы полета. [6]

Практические реализации

В 2008 году Технический университет Делфта в Нидерландах разработал самый маленький орнитоптер, оснащенный камерой, DelFly Micro, третью версию проекта DelFly, который начался в 2005 году. Эта версия имеет размеры 10 сантиметров и весит 3 грамма, немного больше (и шумнее), чем стрекоза, по образцу которой она была создана. Важность камеры заключается в дистанционном управлении, когда DelFly находится вне поля зрения. Однако эта версия еще не была успешно испытана на улице, хотя она хорошо работает в помещении. Исследователь Дэвид Лентинк из Университета Вагенингена , который участвовал в разработке предыдущих моделей, DelFly I и DelFly II, говорит, что потребуется не менее полувека, чтобы имитировать возможности насекомых с их низким потреблением энергии и множеством датчиков — не только глаз, но и гироскопов , датчиков ветра и многого другого. Он говорит, что орнитоптеры размером с муху должны быть возможны, при условии, что хвост будет хорошо спроектирован. Рик Руйсинк из TU Delft называет вес батареи самой большой проблемой; литий-ионная батарея в DelFly micro, весом в один грамм, составляет треть веса. К счастью, разработки в этой области все еще идут очень быстро из-за спроса в различных других коммерческих областях.

Руйсинк говорит, что цель этих аппаратов — понять полет насекомых и обеспечить практическое применение, например, пролет сквозь трещины в бетоне для поиска жертв землетрясений или исследования радиоактивно загрязненных зданий. Агентства разведки и военные также видят потенциал для таких небольших аппаратов в качестве шпионов и разведчиков. [7]

Роберт Вуд из Гарвардского университета разработал еще меньший орнитоптер, всего в 3 сантиметра, но этот аппарат не является автономным, поскольку получает питание через провод. Группа достигла контролируемого зависающего полета в 2013 году [8] , а также посадок и взлетов с различных выступов в 2016 году [9] (оба в среде отслеживания движения).

T -Hawk MAV , микро- БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой с канальным вентилятором , был разработан американской компанией Honeywell и поступил на вооружение в 2007 году. Этот MAV используется армией США и подразделением по взрывоопасным боеприпасам ВМС США для поиска придорожных бомб и осмотра целей. Устройство также было развернуто на АЭС «Фукусима-1» в Японии для предоставления видео и показаний радиоактивности после землетрясения и цунами в Тохоку в 2011 году . [10]

В начале 2008 года Honeywell получила одобрение FAA на эксплуатацию своего MAV, обозначенного как gMAV, в национальном воздушном пространстве на экспериментальной основе. gMAV является четвертым MAV, получившим такое одобрение. Honeywell gMAV использует тягу в воздуховоде для подъема, что позволяет ему взлетать и приземляться вертикально и зависать. По данным компании, он также способен на «высокоскоростной» полет вперед, но никаких данных о производительности не было опубликовано. Компания также заявляет, что машина достаточно легкая, чтобы ее мог переносить человек. Первоначально она была разработана в рамках программы DARPA , и ее первоначальное применение, как ожидается, будет в полицейском департаменте округа Майами-Дейд, Флорида . [11]

В январе 2010 года Университет Тамкана (TKU) на Тайване реализовал автономное управление высотой полета 8-граммового, 20-сантиметрового в ширину MAV с машущим крылом. Лаборатория MEMS (МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ) TKU разрабатывала MAV в течение нескольких лет, а в 2007 году Лаборатория космической и полетной динамики (SFD) присоединилась к исследовательской группе по разработке автономных MAV. Вместо традиционных датчиков и вычислительных устройств, которые слишком тяжелы для большинства MAV, SFD объединил систему стереозрения с наземной станцией для управления высотой полета, [12] [13] что сделало его первым MAV с машущим крылом весом менее 10 граммов, который реализовал автономный полет.

Черный Шершень Нано

В 2012 году британская армия развернула шестнадцатиграммовый беспилотный летательный аппарат Black Hornet Nano в Афганистане для поддержки пехотных операций. [14] [15]

Практические ограничения

Хотя в настоящее время не существует настоящих MAV (т. е. по-настоящему микромасштабных летательных аппаратов), DARPA попыталось запустить программу по разработке еще меньших Nano Air Vehicles (NAV) с размахом крыльев 7,5 сантиметров. [16] Однако никаких NAV, соответствующих первоначальным спецификациям программы DARPA, не было до 2009 года, когда AeroVironment продемонстрировала контролируемое зависание NAV с машущим крылом DARPA. [17]

Помимо трудностей в разработке MAV, лишь немногие конструкции адекватно решают проблемы управления. Малый размер MAV делает телеуправление непрактичным, поскольку пилот наземной станции не может видеть его дальше 100 метров. Бортовая камера, позволяющая наземному пилоту стабилизировать и управлять аппаратом, была впервые продемонстрирована в Aerovironment Black Widow, но настоящие микровоздушные аппараты не могут нести бортовые передатчики, достаточно мощные, чтобы обеспечить телеуправление. По этой причине некоторые исследователи сосредоточились на полностью автономном полете MAV. Одним из таких устройств, которое изначально проектировалось как полностью автономное MAV, является биологически вдохновленный Entomopter, первоначально разработанный в Технологическом институте Джорджии по контракту DARPA Робертом К. Майкельсоном . [18]

Учитывая, что MAV могут управляться автономными средствами, продолжают существовать значительные проблемы с испытаниями и оценкой. [19] [20] Некоторые из проблем, которые могут возникнуть в физических транспортных средствах, решаются посредством моделирования этих моделей. [21]

Ограниченная продолжительность полета — еще одно ограничение, с которым сталкиваются эти транспортные средства. Это особенно актуально для транспортных средств весом менее 10 граммов, которые ограничены 10-минутными полетами. MAV на солнечных батареях являются потенциальным решением, но грузоподъемность и плохой компромисс между подъемной силой и энергоэффективностью снижают их жизнеспособность. Однако Шен и др. (2024) наткнулись на транспортное средство, которое могло бы преодолеть эти ограничения, и назвали его CoulombFly. CoulombFly весит 4,21 грамма, но может совершать полеты продолжительностью 1 час. Это реализовано с помощью «электростатической двигательной системы с высокой подъемной силой и эффективностью мощности 30,7 г Вт−1 и сверхлегкой киловольтной энергетической системы с низким энергопотреблением 0,568 Вт». [22]

Биовдохновение

Новая тенденция в сообществе MAV — черпать вдохновение из летающих насекомых или птиц для достижения беспрецедентных возможностей полета. Биологические системы интересны инженерам MAV не только из-за их использования неустойчивой аэродинамики с машущими крыльями; они все больше вдохновляют инженеров на другие аспекты, такие как распределенное зондирование и действие, слияние датчиков и обработка информации. Недавние исследования в ВВС США были сосредоточены на разработке механизма посадки на землю, похожего на птичьи когти. Механизм наземной мобильности и посадки на землю, вдохновленный птичьими когтями, был недавно разработан Vishwa Robotics и MIT и спонсирован Исследовательской лабораторией ВВС США . [23]

Различные симпозиумы, объединяющие биологов и специалистов по воздушной робототехнике, проводятся с возрастающей частотой с 2000 года [24] [25] , и недавно было опубликовано несколько книг [26] [27] [28] по этой теме. Биовдохновение также использовалось при разработке методов стабилизации и управления системами множественных MAV. Исследователи черпали вдохновение из наблюдаемого поведения косяков рыб и стай птиц для управления искусственными роями MAV [29] [30] [31] [32] и из правил, наблюдаемых в группах перелетных птиц, для стабилизации компактных образований MAV. [33] [34] [35] [36] [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Микролетающий летательный аппарат ВВС США с машущим крылом – YouTube
  2. ^ "Micro Air Vehicle". ScienceDirect . Архивировано из оригинала 6 августа 2023 г. Получено 6 августа 2023 г.
  3. ^ Сравните: Klaptocz, Adam; Nicoud, Jean-Daniel (23 октября 2009 г.). «Технология и изготовление сверхлегких микролетающих аппаратов». В Floreano, Dario ; Zufferey, Jean-Christophe; Srinivasan, Mandyam V .; Ellington, Charlie (ред.). Летающие насекомые и роботы. Берлин: Springer. стр. 298. ISBN 9783540893936. Получено 2 марта 2024 г. . Самые легкие платформы для полета с минимальной функциональностью весят менее 0,5 г, но исследователи мечтают летать размером с насекомое. Однако при уменьшении масштаба существующих технологий возникает множество трудностей.
  4. ^ Проект хобби-мультикоптера MAV "Shrediquette BOLT", http://shrediquette.blogspot.de/p/shrediquette-bolt.html
  5. ^ "The Rise of the Micro Air Vehicle". The Engineer . 10 июня 2013 г. Архивировано из оригинала 20 марта 2018 г. Получено 19 марта 2018 г.
  6. ^ Перритт, Генри Х .; Спраг, Элиот О. (13 сентября 2016 г.). Одомашнивание дронов: технологии, право и экономика беспилотных летательных аппаратов. Abingdon: Routledge. ISBN 9781317148357. Получено 2 марта 2024 г. . Количество времени, необходимое для успешного обучения управлению микродроном, по всей видимости, намного короче, чем количество времени, необходимое для обучения управлению вертолетом или самолетом. Одной из важных причин являются автономные режимы полета, встроенные в большинство микродронов.
  7. ^ Шпионы размером с жука: США разрабатывают крошечных летающих роботов
  8. ^ Ma, KY; Chirarattananon, P.; Fuller, SB; Wood, RJ (2013). «Управляемый полет биологически вдохновленного робота размером с насекомое». Science . 340 (6132): 603–607. Bibcode :2013Sci...340..603M. doi :10.1126/science.1231806. PMID  23641114. S2CID  21912409.
  9. ^ Graule, Moritz A.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Jafferis, Noah T.; Ma, Kevin Y.; Spenko, Matthew; Kornbluh, Roy; Wood, Robert J. (май 2016 г.). «Посадка и взлет роботизированного насекомого на выступы с использованием переключаемой электростатической адгезии». Science . 352 (6288): 978–982. Bibcode :2016Sci...352..978G. doi : 10.1126/science.aaf1092 . PMID  27199427.
  10. ^ "Микровоздушный летательный аппарат Honeywell T-Hawk (MAV)". Армейские технологии .
  11. ↑ Honeywell получает одобрение FAA на MAV, Flying Magazine, т. 135, № 5, май 2008 г., стр. 24
  12. ^ Чэн-Лин Чэнь и Фу-Юэнь Сяо*, Приобретение отношения с использованием метода стереозрения , представлено в докладе VIIP 652-108 на конференции IASTED 2009, Кембридж, Великобритания, 13–15 июля 2009 г.
  13. ^ Сен-Хуан Линь, Фу-Юэнь Сяо* и Ченг-Лин Чен, Управление траекторией БПЛА с машущим крылом с использованием навигации на основе визуального зрения , приняты для представления на Американской конференции по управлению 2010 г., Балтимор, Мэриленд, США, 30 июня – 2 июля 2010 г.
  14. ^ "Мини-вертолет-дрон для британских войск в Афганистане". BBC News . 3 февраля 2013 г.
  15. ^ «Миниатюрные разведывательные вертолеты помогают защитить войска на передовой».
  16. ^ Программа Архивировано 2011-02-10 в Wayback Machine
  17. ^ Бенчерги, Дайна, «Обзор года: конструкция самолета», Aerospace America, декабрь 2009 г., том 47, номер 11, Американский институт аэронавтики и астронавтики, стр. 17
  18. ^ Майкельсон, RC, «Мезомасштабный воздушный робот», Заключительный отчет по контракту DARPA/DSO, номер: DABT63-98-C-0057, февраль 2000 г.
  19. ^ Михельсон, RC, «Испытания и оценка полностью автономных микровоздушных транспортных средств», The ITEA Journal, декабрь 2008 г., том 29, номер 4, ISSN 1054-0229 Международная ассоциация по испытаниям и оценке, стр. 367–374
  20. ^ Боддху, Санджай К. и др. «Улучшенная система управления для анализа и проверки контроллеров движения для транспортных средств с машущими крыльями». Robot Intelligence Technology and Applications 2. Springer International Publishing, 2014. 557–567.
  21. ^ Сэм, Моника; Боддху, Санджай; Галлахер, Джон (2017). «Подход динамического пространства поиска к улучшению обучения на моделируемом микровоздушном аппарате с машущим крылом». Конгресс IEEE по эволюционным вычислениям (CEC) 2017 г. IEEE. стр. 629–635. doi :10.1109/cec.2017.7969369. ISBN 978-1-5090-4601-0.
  22. ^ Шен, Вэй; Пэн, Цзиньчжэ; Ма, Руи; У, Цзяцин; Ли, Цзинъи; Лю, Живэй; Ленг, Цзямин; Ян, Сяоцзюнь; Ци, Минцзин (18 июля 2024 г.). «Устойчивый полет сверхлегкого микролетательного аппарата на солнечном свете». Природа . 631 (8021): 537–543. дои : 10.1038/s41586-024-07609-4. ISSN  0028-0836.
  23. ^ Хэмблинг, Дэвид (27 января 2014 г.). «Дрон с ногами может сидеть на ветках деревьев и ходить как птицы». New Scientist . Получено 6 августа 2023 г.
  24. ^ Международный симпозиум по летающим насекомым и роботам, Монте Верита, Швейцария, http://fir.epfl.ch
  25. ^ Михельсон, Р. К., «Новые перспективы биологически вдохновленных MAV (биомотивация, а не биомимикрия)», 1-я американо-азиатская конференция по демонстрации и оценке технологий MAV и UGV, Агра, Индия, 10–15 марта 2008 г.
  26. ^ Айерс, Дж.; Дэвис, Дж. Л.; Рудольф, А., ред. (2002). Нейротехнология для биомиметических роботов . Издательство MIT. ISBN 978-0-262-01193-8.
  27. ^ Zufferey, J.-C. (2008). Био-вдохновленные летающие роботы: экспериментальный синтез автономных летательных аппаратов для помещений. EPFL Press / CRC Press. ISBN 978-1-4200-6684-5.
  28. ^ Флореано, Д.; Зуфери, Ж.-К.; Шринивасан, М.В.; Эллингтон, К., ред. (2009). Летающие насекомые и роботы. Спрингер-Верлаг. ISBN 978-3-540-89392-9.
  29. ^ Саска, М.; Вакула, Дж.; Прейсил, Л. Стаи микролетающих аппаратов, стабилизированные с помощью визуальной относительной локализации. В ICRA2014: Труды Международной конференции IEEE 2014 года по робототехнике и автоматизации. 2014.
  30. ^ Саска, М. Рой MAV: беспилотные летательные аппараты, стабилизированные по заданному пути с использованием бортовой относительной локализации. В трудах Международной конференции по беспилотным авиационным системам (ICUAS) 2015 года. 2015
  31. ^ Беннет, DJ; Макиннес, CR Проверяемое управление роем беспилотных летательных аппаратов. Журнал аэрокосмической техники, т. 223, № 7, стр. 939–953, 2009.
  32. ^ Саска, М.; Чудоба, Дж.; Прейсил, Л.; Томас, Дж.; Лоянно, Г.; Треснак, А.; Вонасек, В.; Кумар, В. Автономное развертывание роев микролетающих аппаратов при кооперативном наблюдении. В трудах Международной конференции по беспилотным авиационным системам (ICUAS) 2014 года. 2014.
  33. ^ Саска, М.; Касл, З.; Прейсил, Л. Планирование движения и управление формациями микролетающих аппаратов. В трудах 19-го Всемирного конгресса Международной федерации автоматического управления. 2014.
  34. ^ Барнс, Л.; Гарсия, Р.; Филдс, М.; Валаванис, К. Управление формированием роя с использованием наземных и воздушных беспилотных систем, Архивировано 13 августа 2017 г. на Wayback Machine в Международной конференции IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам. 2008.
  35. ^ Саска, М.; Вонасек, В.; Крайник, Т.; Прейсил, Л. Координация и навигация гетерогенных команд БПЛА-БНА, локализованных с помощью подхода Hawk-Eye. Архивировано 10 августа 2017 г. в Wayback Machine . В трудах Международной конференции IEEE/RSJ 2012 г. по интеллектуальным роботам и системам. 2012.
  36. ^ Саска, М.; Вонасек, В.; Крайник, Т.; Прейсил, Л. Координация и навигация неоднородных образований MAV–UGV, локализованных с помощью подхода типа «ястребиный глаз» в рамках схемы предиктивного управления моделью. Международный журнал исследований робототехники 33(10):1393–1412, сентябрь 2014 г.
  37. ^ No, TS; Kim, Y.; Tahk, MJ; Jeon, GE (2011). Проектирование закона наведения каскадного типа для поддержания строя из нескольких БПЛА. Aerospace Science and Technology, 15(6), 431–439.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки