基于仿生原理的失控無人機補救裝置的設計

孫晨旭　吳瀟

摘要：自去年起，亞馬遜、UPS和順豐速遞陸續(xù)開始投資“無人機”計劃。但是，隨著科學技術的不斷發(fā)展，無人機運貨在提高效率的同時也帶來了安全性等隱患。該文著重考慮無人機運貨中的安全性問題，分析了導致無人機飛行失控的原因，介紹了仿生原理，從而提出一種采用仿生原理減少無人機失控后危害的補救方法。

關鍵詞：無人機失控；仿生原理；補救方法

中圖分類號：TB17 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）07-0275-04

Abstract： Since last year， Amazon， UPS and SF express have started investment on "drones" plan. However， with the development of science and technology， when unmanned cargo improves efficiency， it also brings problems such as safety. This paper takes much considerations of the safety issue in UAV delivery， analyzes the causes of UAV flight out of accident and introduce the bionic principle， thus puts forward a remedial device using bionic principle to reduce the dangers of UAV that is out of control.

Key words： UAV control； bionics； recovery method

1 概述

1.1 無人機發(fā)展的現(xiàn)狀

自去年起，亞馬遜、UPS紛紛對無人機送貨系統(tǒng)進行測試，2014年9月國內(nèi)最具創(chuàng)新精神的快遞公司——順豐速遞也內(nèi)測了無人機配送項目，雖然各大公司對無人機應用方面的探索不盡相同，但無人機運貨過程中貨物安全及人身安全確是當前的共同難關。受復雜的外界環(huán)境和人為因素的影響，無人機失控后墜落的問題無疑給快遞公司及相關人群帶來巨大壓力，群眾在享受無人機送貨便利的同時也對其安全性產(chǎn)生擔憂，同時，非專業(yè)人士在市區(qū)違規(guī)操控無人機導致失控帶來的危害[6]，這些都為減少無人機失控后危害的補救裝置的提出提供了契機。

新西蘭馬丁公司推出的個人飛行器一次充滿燃料飛行距離達到30公里，可用于醫(yī)療救援、消防等方面，雖然已完成飛行背包的真人試驗，但燃料方面尚有欠缺[5]。戰(zhàn)區(qū)空運補給采用的A160旋翼UAS，盡管續(xù)航能力達到18小時，其機載物資量降到了300磅，因此，要想真正滿足戰(zhàn)區(qū)內(nèi)補給的要求，UAS還要提高續(xù)航能力、增加有效載荷量[7]。

無人機因為輕小，運輸、保存非常方便，越野能力強，起降場地要求低（100-150m平整馬路、平地甚至草地），能夠在15-30分鐘內(nèi)完成組裝、調試、起飛。對于起飛場地無法尋找到，或者事故常發(fā)地點，可通過使用彈射起飛、傘降。保證在1小時內(nèi)獲取相關數(shù)據(jù)，2-3小時內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析提供應急決策支持，已經(jīng)廣泛應用于送貨、農(nóng)業(yè)、偵查、搜救等領域。

1.2 無人機失控的原因

無人機在飛行過程中會遇到以下兩種意外：

1）由于無人機飛行高度低，會不可避免地來自打靶者和偷竊者的亂射或者其他意外傷害；

2）天氣惡劣時，比如冰雹或小雪會遮住傳感器，這將會阻止無人機發(fā)揮應有的功效。上述兩個問題都會導致無人機飛行偏航甚至失控，失控后，由于事先儲存的能量不夠，需要立即迫降，導致貨物或者地面人員的損傷。

該文正是考慮到復雜的自然因素和人為因素，從減少無人機運貨失控后的危害方面和減少人和物的損失做出努力。

2 雌雄同株的梧桐花種子和松鼠翼膜的飛行原理

雌雄同株的梧桐花經(jīng)過大約6個月的授粉期后種子成熟，這些種子（如圖1）將從母樹在空中飄移一段相當長的距離，盡管它們可能被強風刮到幾十千米遠，平均每個種子在離母樹30～80m遠的地方著陸，其原理是尾巴端旋轉的線速度大，種子端旋轉的線速度小，產(chǎn)生不平衡熱氣流，導致不定向飄移，確保種子的均勻分布。

飛行的松鼠并不像鳥類或蝙蝠那樣具有動力飛行的能力，但它們能在樹林之間滑翔。在這一過程中，它們能夠獲得升力，它的滑行記錄為90m。這種動物在空中的飛行方向和速度隨它的雙臂和腿的位置的改變而改變，主要受小手腕骨軟骨的控制，即改變了翼膜（翼膜是一種毛茸茸的像降落傘一樣從手腕延伸到踝的膜）的拉緊度。它帶毛的尾巴具有穩(wěn)定飛行的作用，尾巴兼任機翼，充當它著陸前的空氣制動器，增加緩沖時間，與家貓落地過程類似[1-2]。

3補救方法

3.1 補救裝置結構設計及其原理

我們仿照梧桐花種子和松鼠翼膜的飛行原理設計了該補救裝置（如圖3），它是由電池端、靜電端、迫降端、3D平衡滑軌及中心軸連桿構成；電池端和靜電端一體化設置；迫降端自動上下翻轉設置，連接3D平衡滑軌；中心軸連桿水平方向設置于靠近電池端，距電池端和靜電端總長的 1/3處，連接飛行器和補救裝置，上端連接飛行器，下端連接3D平衡滑軌。整個裝置采用仿生結構，電池端模仿植物種子，靜電端模仿種子在空中旋轉的漂移狀態(tài)，靜電端以靠近電池端且距電池端和靜電端總長的 1/3處為軸，借助氣流做不對稱的旋轉，依此來緩解失控的狀況，其原理是靜電端旋轉的線速度大，電池端旋轉的線速度小，產(chǎn)生不平衡熱氣流，導致不定向飄移，確保該裝置的平穩(wěn)下降[4]。

3.1.1 電池端

電池端包括電池箱單元、爆閃燈、紅外熱線燈及喇叭，電池箱單元分別連接爆閃燈、紅外熱線燈及喇叭。電池箱單元用于儲存電能，給爆閃燈、紅外熱線燈及喇叭供電，用電能推動暴閃燈與紅外線熱氣燈，紅外熱線燈產(chǎn)生的熱為裝置提供升力，在降落傘打不開的情況下，形成熱氣球效應，來延長勢能向旋轉動能的轉化過程，最終達到安全著落的目的。

3.1.2靜電端

靜電端的形狀為槳葉形，以靠近電池端，距電池端和靜電端總長的 1/3處為軸與平衡滑軌一起旋轉，槳葉形狀的靜電端在繞1/3處旋轉的時候，可以平衡飛行器的不定漂移，保持飛行器的平穩(wěn)。

靜電端可以包括靜電發(fā)電單元，用微運動產(chǎn)生的接觸靜電和摩擦熱力，此法顯著增加了電量的收集，而且便于利用多余湍流，在紅外線熱氣燈打不開的情況下，形成熱汽球效應，同時靜電發(fā)電單元把產(chǎn)生的電量儲存起來，在下降過程中把勢能首先轉化為旋轉動能，再把多余旋轉動能轉化為電能儲存進電池，或轉化為熱能，形成熱汽球效應，為整個補救裝置提供升力，或轉化為光能與聲能，提醒地面人們潛在危險。

靜電端表面采用納米接觸靜電材料，納米接觸靜電材料靜電轉換效率高。當飛行器在空中飛行時，造成該納米材料的彎曲或納米層的來回微移動，繼而接觸起電，摩擦生熱。平均1mm的位移能產(chǎn)生2V電壓，無人機在震動時會使該材料產(chǎn)生0.1-1mm的微位移，產(chǎn)生的電壓在0.2V-2V之間，足夠為無人機飛行提供電能，由此將動能轉化為電能。

納米材料由聚甲基丙烯酸甲酯、鋁、銅、聚四氟乙烯、鉛線組成[3]。

3.1.3 迫降端

迫降端包括降落傘單元、GPS定高開傘器和/或空氣阻力感應器，所述電池端和靜電端以降落傘單元為軸旋轉。GPS定高開傘器在距離地面一定的高度上，控制降落傘的打開，飛行器傾斜時，迫降端會繞降落傘軸旋轉，起到平衡作用，當降落速度超過安全極限時，降落傘也可以由空氣阻力感應器自動打開，避免直接墜毀，造成財物的損失。

3.1.4 3D平衡滑軌

3D平衡滑軌包括平衡滑軌一和平衡滑軌二，所述平衡滑軌一前后移動，連接所述電池端和靜電端，所述平衡滑軌二左右移動。通過所述平衡滑軌一保持前后方向的平衡，通過平衡滑軌二保持左右方向的平衡。

3.2 補救裝置的具體實施方式

下面結合附圖來對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

如圖3所示的一種采用仿生原理減少飛行器失控后危害的補救裝置示意圖，包括電池端1、靜電端2、迫降端3、3D平衡滑軌4、中心軸連桿5及連接裝置6。

采用仿生原理減少飛行器失控后危害的補救裝置連接飛行器，和飛行器的連接示意圖如圖1所示，該補救裝置由中心軸連桿5和飛行器7連接，當無人機飛行出現(xiàn)異常時，靜電端2以靠近電池端1，距電池端1和靜電端2總長的 1/3處為軸，借助氣流做不停的旋轉，靜電端2的旋轉線速度大于電池1端的旋轉線速度，產(chǎn)生不平衡熱氣流，導致不定向飄移，確保該裝置的平穩(wěn)下降。同時在旋轉過程中由于靜電端的靜電發(fā)電單元21利用靜電端的微運動產(chǎn)生的接觸靜電和摩擦熱力，并把產(chǎn)生的電能存儲進電池，或者把電能轉化為熱能，和摩擦產(chǎn)生的熱能形成熱氣球效應，或者把電能轉化為光能與聲能，啟動喇叭12和爆閃燈13提醒地面人們潛在危險。納米接觸靜電材料一層是聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料，另一層是金屬，在這兩層上印了一層納米級結構來增加它們的表面積和發(fā)電能力，當這兩個面接觸時，電荷就產(chǎn)生了，隨之形成了電流[3]。這種接觸電的納米材料僅在移動的情況下就能發(fā)電，一片指甲大小的接觸電納米材料就能產(chǎn)生8毫瓦的電力，經(jīng)試驗5*5厘米的材料就能足以能為手機充電。目前，這種納米材料做機械運動的轉換效率在15%左右，通過使用更薄的納米材料可以將轉換率效率提高至40%。同時在下降過程中，電池端1、靜電端2、迫降端3沿降落傘單元31為軸旋轉，起到前后左右的平衡作用，中心軸連桿設置有刻度，且可以上下移動，確保漂移時，整個裝置的重心在中心軸上，飛行器起飛時，裝置被固定在中心軸連桿5上的某一固定刻度上，連桿上裝有加速度傳感器52，飛行器在失控的過程中，連桿上的加速度傳感器52感受到一定的速度時會拉出固定連桿的塞子51，使得補救裝置與飛行器自動脫落，之后補救裝置在空中穩(wěn)定飄落，確保補救裝置上貨物的安全。

實施例2

飛行器失控后，補救裝置和飛行器依然相連，補救裝置的靜電端和迫降段在旋轉漂移的過程中，通過靜電端和迫降端不停地旋轉漂移，延緩飛行器的下降速度，并保持飛行器的平衡，且迫降端的降落傘單元31打開，確保飛行器平穩(wěn)降落。

實施例3

根據(jù)需要，迫降端安裝氣阻力感應器33和/或定高開傘器32，當降落速度超過極限時，由空氣阻力感應器33自動控制降落傘單元31的打開，或者當達到設定的高度值時，由定高開傘器32控制降落傘單元31的打開，只安裝空氣阻力感應器或定高開傘器中的一個時，只要達到其對應的設定條件，降落傘單元就可打開。當空氣阻力感應器或定高開傘器中同時存在時，為避免風險，只要達到其中一個的設定條件時，降落傘單元就可打開，優(yōu)先選擇。

4 結束語

本文中的部份技術方案也可以推廣應用到其它載人飛行器上，以便在下降過程中把勢能首先轉化為旋轉動能，再把多余旋轉動能轉化為電能儲存進電池，或轉化為光能，熱能與聲能， 提醒地面人們潛在危險。

本裝置的有益效果是：1）該補救裝置中運用仿生法，用電池端來模仿種子頭部、靜電端來模仿翅，在飛行器失控的情況下，旋轉翼以靠近電池端，距電池端和靜電端總長的 1/3處為軸，借助氣流做不對稱的旋轉，以此來緩解失控的狀況，為后續(xù)軟著落貴重物品脫離等工作爭取時間。2）迫降端在貴重物品脫離降落的過程中充當降落傘的作用，為滑翔提供升力。當無人機失控時，機身會向側面傾斜加速下降，超過安全速度后， 在下降過程中自動帶動迫降端降落傘打開，以此來降低飛行失控的危害。3）當無人機在空中飛行時，造成該納米材料的彎曲或納米層的來回移動，繼而摩擦生熱， 接觸起電。足夠為無人機飛行提供電能，與熱氣效應， 由此將動能轉化為電能與熱能。

參考文獻：

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[5] 劉霞.科學探索讓我們的生活更安全便利[N].科技日報，2013-12-03.

[6] 中新網(wǎng).一個中國游客在新西蘭違規(guī)操控無人機惹麻煩[N].黔中早報，2015-02-16.

[7]喬爾.D.杰克遜.空中補給無人化[J].空天力量雜志，2012，6（1）：56-64.