麻省理工学院工程师开发可以飞行和航行的自动滑翔机 2016-09-23 03:39:10

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由麻省理工学院工程师设计的信天翁滑翔机掠过查尔斯河照片:Gabriel Bousquet麻省理工学院的工程师设计了一种机器人滑翔机,它可以沿着水面掠过,像信天翁一样骑风,同时像帆船一样冲浪,在高海拔地区风,机器人被设计为高空飞行,就像它的鸟类对手那里有平静的风,机器人可以将龙骨砸入水中,像高效帆船一样骑行而不是机器人系统,它借鉴了航海和生物设计,可以使用三分之一的风信天覆盖给定的距离,比典型的帆船快10倍

滑翔机也相对轻巧,重约6磅研究人员希望在不久的将来,这种紧凑,快速的机器人水上掠夺者可以团队部署,以调查大片海域“海洋仍然受到严重监视,”麻省理工学院Depa的前博士后Gabriel Bousquet说

作为研究生论文的一部分,领导机器人设计的航空航天学家“特别是,了解南大洋以及它如何与气候变化相互作用非常重要但是很难到达那里我们现在可以使用来自环境的能源以有效的方式进行长途旅行,系统仍然是小规模的“Bousquet本周将在IEEE国际机器人与自动化会议上展示机器人系统的细节,位于澳大利亚布里斯班

该项目的合作者是机械工程和信息科学以及脑科学教授Jean-Jacques Slotine;和Michael Triantafyllou,亨利L和Grace Doherty海洋科学与工程教授由麻省理工学院工程师设计的信天翁滑翔机掠过查尔斯河速度的物理学去年,Bousquet,Slotine和Triantafyllou发表了一项关于信天翁动力学的研究飞行中,他们确定了使不知疲倦的旅行者能够在消耗最少能量的同时覆盖很远距离的机制

鸟类马拉松航行的关键在于它能够进出高速和低速的空气层

具体来说,研究人员发现这只鸟能够进行一种称为“动量转移”的机械过程,其中它从更高,更快的空气层中获取动力,并通过向下传递将动量转移到更低,更慢的层,无需连续推动自身翻动它的翅膀有趣的是,Bousquet观察到信天翁飞行的物理学与帆船旅行的物理学非常相似信天翁和帆船转移动量以保持运动但是在帆船的情况下,转移不是在空气层之间,而是在空气和水之间转移“帆船从风中获取动力,并通过推回将其注入水中与他们的龙骨一起,“Bousquet解释说”这就是为帆船提取能量的方式“Bousquet还意识到信天翁和帆船的行进速度取决于相同的一般方程式,与动量的转移有关本质上,两只鸟如果它们可以容易地高空停留或与两层或中等速度非常不同的船只相互作用,那么它可以更快地行进

信天翁与前者相处得很好,因为它的翅膀提供了自然的升力,尽管它在相对的空气层之间飞行风速的微小差异同时,帆船在后者中表现优异,在两种速度非常不同的介质之间行进 - 空气与水 - 虽然它的船体造成了很大的冲击Bousquet想知道:如果车辆可以设计成在两个指标中表现良好,与信天翁和帆船的高速特性相结合,会怎样

“我们想,我们怎么能从这两个世界中取得最好的成绩

”Bousquet说出水面团队为这种混合动力汽车起草了一个设计,最终类似于一个3米翼展的自主滑翔机,类似于典型的信天翁他们增加了一个高大的三角帆,以及一个细长的翼状龙骨他们然后进行了一些数学模型来预测这样的设计将如何运行根据他们的计算,风力车辆只需要相对平静的风以约20节的速度或每小时23英里的速度以约5节的速度穿过水面 “我们发现,在微风中,你可以比传统帆船快3到10倍的速度旅行,你需要的风量大约是信天翁的一半,达到20节,”Bousquet说:“它非常高效,你可以旅行非常快,即使没有太多的风“团队使用由麻省理工学院航空航天教授Mark Drela设计的滑翔机机身制造了他们设计的原型

在滑翔机的底部,他们添加了龙骨,以及各种仪器,如GPS,惯性测量传感器,自动驾驶仪表和超声波,用于跟踪滑翔机在水面上的高度“这里的目标是展示我们可以非常准确地控制我们在水面上的高度,以及我们可以让机器人飞到水面上,然后下到龙骨可以在水下产生力的地方,飞机仍可以飞行,“Bousquet说,研究人员决定测试这种”关键机动“ - 行为转型在空中飞行和将龙骨倾斜下来在水中航行完成这一动作并不一定需要帆,因此Bousquet和他的同事决定不包括一个以简化初步实验在2016年秋天,团队将其设计进行测试,将机器人从麻省理工学院帆船馆发射到查尔斯河上由于机器人缺少帆和任何启动它的机制,团队将其悬挂在连接到捕鲸船的钓鱼竿上

船沿河拖着机器人直到达到每小时20英里,此时机器人自动“起飞”,独自骑风

一旦它自动飞行,Bousquet用遥控器给机器人一个“向下”命令,促使它下降得足够低,以便将龙骨淹没在河中

接下来,他调整了龙骨的方向,并观察到机器人能够如预期的那样远离船只

然后他命令日机器人飞回来,将龙骨从水中抬起“我们飞得非常接近水面,而且误差很小 - 一切都必须到位,”Bousquet说:“所以这是非常高的压力但是非常令人兴奋“他说,这些实验证明了该团队的概念设备可以成功地行驶,由风和水提供动力最终,他设想这些车辆的车队能够自主且有效地监控大片海洋”想象一下,你可以飞行就像信天翁真的有风,然后当没有足够的风时,龙骨可以让你像帆船一样航行,“Bousquet说”这大大扩展了你可以去的地区“这个研究得到了部分支持通过Link Ocean Instrumentation奖学金