RoboFalcon 2.0 החדש מקדם רובוטיקה ביומימטית עם מחזור FSF מאומת בטיסות אמיתיות

חוקרים מאוניברסיטת Northwestern Polytechnical University, הממוקמת בשיאן, סין, הציגו את RoboFalcon 2.0, רובוט המסוגל להמריא באופן אוטונומי על ידי שחזור דפוסי תעופה שנצפו בציפורים ובעטלפים. אב הטיפוס משתמש במנגנון המשלב ניפוף, טאטוא וקיפול של הכנפיים במחזור רציף, המאפשר שליטה מדויקת במהירויות נמוכות.

חידוש זה פותר אתגרים היסטוריים ברובוטיקה אווירית ביו-מימטית, שבה תכנונים קודמים הסתמכו על סיוע חיצוני להמראה או תמרונים איטיים מוגבלים. בדיקות שבוצעו במעבדה ובמנהרת הרוח אישרו את יעילות המערכת בתנאים מגוונים.

• יכולת טיסה קשורה עם מסלול יציב.
• התאמת משרעת עצמאית לבקרת גובה הצליל.
• תדר פעימה מתכוונן עד 7.5 הרץ.

מאפיינים טכניים של אב הטיפוס

ה-RoboFalcon 2.0 שוקל כ-800 גרם ובעל מוטת כנפיים של 1.2 מטר. מערכת ההנעה המרכזית משתמשת במנוע בודד המחובר למנגנון נדנדה חרוטי, האחראי על העברת התנועה לכנפיים.

הכנפיים מחולקות לשלושה מקטעים המכוסים על ידי קרום פוליאסטר, מה שמבטיח גמישות במהלך המחזורים. מנגנוני הניתוק מאפשרים וריאציה עצמאית בכיפוף ובטאטוא, ויוצרים מטוסי שבץ משופעים הדומים לאלו של ציפורים עפות לאט.

תבנית תנועת FSF משולבת

מחזור קיפול הדש משלב שלוש פעולות חיוניות בכל פעימה. במהלך הסיבוב למטה, תנועת הגחון הקדמית מייצרת את רוב ההתרוממות, בעוד שהפעימה הנסוגה מעלה ממזערת גרר אווירודינמי.

הסוויפ משתנה בין 5 ל-25 מעלות, ומאפנן את רגע ההנפה בצורה מבוקרת. אמפליטודות גדולות יותר מחזקות את מערבולת הקצה המובילה, ומשפרות את הביצועים במהירויות נמוכות.

קיפול הכנפיים תורם ליציבות בשלבים הלא פעילים של המחזור. שילוב זה מספק תמרוני ריחוף מדויקים ומעבר לטיסה מכוונת.

בדיקות שבוצעו במנהרת רוח

ניסויים במנהרת רוח פתוחה העריכו את אב הטיפוס במהירויות מאפס עד 7 מטרים לשנייה. מדידות עם תא עומס בעל שישה רכיבים רשמו עלייה עקבית בהרמה הממוצעת עם משרעת סוויפ גדולה יותר.

דחף הנוזל נשאר יציב בתדרי פעימה שונים. רגע ההנפה הפך חיובי במהירויות גבוהות יותר, מה שמעיד על שליטה נאותה.

התוצאות הראו סטיות תקן מופחתות, המאשרות את יכולת החזרה של המדידות.

הדמיות דינמיקה של נוזלים

ניתוחים חישוביים המבוססים על משוואות Navier-Stokes זיהו חיזוק של מערבולת הקצה המוביל בתצורות סוויפ מקסימליות. מרכז הלחץ זז לפנים, והרחיב את זרוע המומנט האווירודינמי.

התפלגות לחץ על משטחי הכנף חשפו אזורים נרחבים של לחץ נמוך בקצה המוביל. תופעות אלו מסבירות את העליות שנצפו בעילוי במהלך טיסה איטית.

ההדמיות אימתו את היעילות של המנגנון הניתן להגדרה מחדש בתרחישים במהירות נמוכה.

שליטה במהלך תהליך ההמראה

מודלים של סימולציה דינמית הטמיעו בקרת PID לניתוח המראה אוטונומית. ההתאמות למחיצת הכנפיים שמרו על גובה יציבות ב-מעין ריחוף מתחת ל-3 מטר לשנייה.

בהיקפים שונים, המערכת הפגינה יכולת בקרה פרופורציונלית לדרישות. התוצאות הצביעו על הצורך בפיצוי במהירויות גבוהות יותר כדי למנוע פערים.

טיסות אמיתיות מאושרות במעבדה

בדיקות קשורות ברדיוס של 15 מטר אישרו המראה ללא סיוע חיצוני. עם מרכז כובד סטנדרטי, המסלול עקב אחר תבנית בצורת S, והגיע למהירות מרבית של 4 מטרים לשנייה ב-7 הרץ.

התאמה קודמת למרכז הכובד אפשרה האצה של עד 6 מטר לשנייה ללא חוסר יציבות בגובה. צריכת החשמל הגיעה לסביבות 400 וואט במהלך תמרונים אינטנסיביים.

אבולוציה בהשוואה לגרסאות קודמות

בניגוד לדגם 2021, המוגבל לטיסות שיוט, ה-RoboFalcon 2.0 משלב תצורה מחדש ספציפית לפעולה במהירות נמוכה. עיצובים בהשראת חרקים משתמשים לרוב בדרגות חופש ייחודיות, החורגות מדפוסים שנצפו אצל בעלי חוליות.

אב הטיפוס החדש מתייחס למגבלות היסטוריות על ידי תיאום שלבים פעילים ובלתי פעילים בצורה משולבת. יעילות אנרגטית נותרה מאתגרת בקנה מידה של ציפורים, אך ההתקדמות הופכת את הגישה לכדאית עבור יישומים מעשיים.

הקשר של התפתחות בסין

המחקר נערך באוניברסיטת Northwestern Polytechnical, בשיאן, מחוז שאאנשי, המוכר במסורת שלה בהנדסת אווירונאוטיקה. הצוות האחראי פיתח מנגנונים מאבות טיפוס קודמים, תוך שילוב רכיבים מכניים ואלקטרוניים מתקדמים.

RoboFalcon 2.0 מציב את המוסד כאסמכתא ברובוטיקה ביומימטית אווירית. התוצאות פותחות פרספקטיבות לשיפורים עתידיים באוטונומיה וביעילות הטיסה.