Fuglerobotprototype utfører autonom start og imiterer fuglebiologi i tester i Kina

Ingeniører ved Northwestern Polytechnical University, lokalisert i Xi’an, har oppnådd en betydelig milepæl innen luftfartsteknikk ved å utvikle et robotsystem som replikerer flymekanikken til fugler og flaggermus med høy troverdighet. Enheten, kalt RoboFalcon 2.0, overvinner historiske begrensninger for tidligere modeller ved å utføre takeoffs uten ekstern hjelp og opprettholde stabilitet ved lave hastigheter. Innovasjonen ligger i evnen til å integrere komplekse vingebevegelser i en kontinuerlig syklus, noe som muliggjør raffinert aerodynamisk kontroll.

Den biomimetiske teknologien som brukes i dette prosjektet har som mål å løse vedvarende utfordringer innen luftrobotikk, spesielt avhengigheten av eksterne bæreraketter eller manglende evne til å utføre sakte og presise manøvrer. Testes strenge tester utført i laboratorier og vindtunneler validerte systemets effektivitet under forskjellige forhold, og demonstrerte at biologisk mimikk kan tilby praktiske løsninger for autonom navigering.

Blant de viktigste tekniske fremskritt som er observert, skiller evnen til å opprettholde en stabil bane under tjorede flyvninger og den uavhengige justeringen av amplituder for pitch-kontroll seg ut. Systemet tillater også en justerbar slagfrekvens som kan nå 7,5 Hz, noe som gir allsidig bruk.

Enhetsspesifikasjoner og konstruksjon

RoboFalcon 2.0 har dimensjoner og vekt optimalisert for å simulere størrelsen på en gjennomsnittlig rovfugl, som veier omtrent 800 gram og har et vingespenn på 1,2 meter. Den sentrale drivstrukturen drives av en enkelt motor, som kobles til en konisk vippemekanisme. Esta mekanisk konfigurasjon er ansvarlig for effektiv overføring av kinetisk energi fra motoren til vingene, og sikrer synkroniseringen som er nødvendig for flyging.

Mer om saken: Nye RoboFalcon 2.0 fremmer biomimetisk robotikk med FSF-syklus validert i ekte flyreiser

Vingene ble designet med en strategisk inndeling i tre distinkte segmenter, alle dekket av en motstandsdyktig og lett polyestermembran. Esta materialvalg sikrer den nødvendige fleksibiliteten under slagsykluser, og etterligner den naturlige elastisiteten til fjærene og huden til flygende dyr.

Avanserte frakoblingsmekanismer er integrert i strukturen, som tillater uavhengige variasjoner i bøye- og sveipebevegelser. Essa-funksjonen skaper skråstilte plan, en aerodynamisk teknikk observert hos fugler under langsom flyvning, avgjørende for løft uten høy hastighet.

Dinâmica do ciclo FSF e controle de voo

Robotens operasjon er basert på syklusen “klaff-sweep-fold” (klaff, sveip og fold), som kombinerer tre essensielle biomekaniske handlinger i hver bevegelse av vingene. Durante vingenedstigningsfasen (nedslag), er den fremre ventrale bevegelsen ansvarlig for å generere mesteparten av løftekraften som er nødvendig for å holde roboten i luften. På den annen side utføres oppslaget med vingene trukket tilbake, en intelligent strategi for å minimere aerodynamisk motstand og spare energi.

Vingenes sveip kan variere mellom 5 og 25 grader, noe som gjør at pitching-momentet kan moduleres på en kontrollert og presis måte. Amplitudes større sveip har vist seg å styrke forkantvirvelen, et væskedynamisk fenomen som betydelig forbedrer flyytelsen ved lave hastigheter. Além I tillegg bidrar foldingen av vingene til stabilitet i de inaktive fasene av syklusen, og gir muligheten til å utføre svevemanøvrer og jevne overganger til rettet flyging.

Eksperimentell validering og simuleringer

For å bevise teorien bak designet ble det utført eksperimenter i en åpen vindtunnel, og evaluerte prototypen med hastigheter fra null til 7 meter per sekund. Målingene, fanget av en seks-komponent lastcelle, registrerte en konsekvent økning i gjennomsnittlig løft ettersom sveipeamplituden ble utvidet.

Enhetens netto skyvekraft forble stabil ved forskjellige slagfrekvenser, noe som bekreftet robustheten til motoren og girmekanismen. Observou Det ble også bemerket at pitching-momentet ble positivt ved høyere hastigheter, noe som indikerer tilstrekkelig langsgående kontroll.

Les mer: Forskere i Kina lager autonom flygende robot som imiterer eksakte bevegelser til ekte fugler

Resultatene som ble oppnådd presenterte reduserte standardavvik, noe som bekrefter repeterbarheten og påliteligheten til målingene utført av forskergruppen.

Avanserte beregningsanalyser, basert på Navier-Stokes-ligningene, identifiserte styrking av forkantvirvelen ved maksimale sveipinnstillinger. Simuleringene avslørte at trykksenteret forskjøv seg foran, utvidet den aerodynamiske momentarmen og forklarte løftegevinsten ved sakte flyging.

Autonomi og takeoff tester

Den autonome avgangsevnen ble testet ved hjelp av dynamiske simuleringsmodeller som implementerte PID (Proportional-Integral-Derivative) kontroll. Justeringer av vingenes sveip var avgjørende for å opprettholde tonehøydestabilitet i nesten-svevesituasjoner, med hastigheter under 3 meter per sekund. Systemet demonstrerte kontroll proporsjonal med krav i forskjellige skalaer, selv om behovet for kompensasjon ved høyere hastigheter ble identifisert for å unngå divergenser i bane.

I praktiske tethered flight-tester, utført innenfor en radius på 15 meter, bekreftet RoboFalcon 2.0 sin evne til å ta av uten ekstern assistanse. Med standard tyngdepunkt fulgte banen et “S”-formet mønster, og nådde en maksimal hastighet på 4 meter per sekund med en frekvens på 7 Hz. Tidligere Ajustes i tyngdepunktet tillot enda større akselerasjon, og nådde opptil 6 meter per sekund uten å presentere tonehøyde-ustabilitet, med strømforbruket på rundt 400 watt under de mest intense manøvrene.

Teknologisk evolusjon og institusjonell kontekst

I motsetning til modellen presentert i 2021, som var begrenset til cruiseflyvninger, inneholder versjon 2.0 spesifikke rekonfigurasjoner for lavhastighetsoperasjoner. Enquanto Insekt-inspirerte design bruker ofte unike frihetsgrader, RoboFalcon følger mønstre observert hos virveldyr, og tilbyr overlegen biomekanisk kompleksitet. Den nye prototypen adresserer historiske begrensninger ved å koordinere aktive og inaktive faser på en integrert måte, noe som gjør tilnærmingen levedyktig for fremtidige praktiske anvendelser til tross for energieffektivitetsutfordringer.

Om samme tema: Galtvorts magi tar til himmelen på verdensturné med droner og liveorkester for å feire 25 år

Forskningen, utført i provinsen Shaanxi, forsterker Northwestern Polytechnical University sin posisjon som en global referanse innen biomimetisk robotikk fra luften. Det ansvarlige teamet utviklet mekanismer fra tidligere prototyper, og integrerte banebrytende mekaniske og elektroniske komponenter. Resultatene oppnådde åpne lovende perspektiver for fremtidige forbedringer i autonomien og flyeffektiviteten til bioinspirerte droner.