Взаимосвязь между лифтом и драгом в роботах и микро-воздушных транспортных средствах
Аэродинамический контракт между лифтом и драгом в хлопающих роботах
Роботы с крылом и микровоздушные транспортные средства (MAV) переопределяют полет в масштабах, где воздух чувствует, что толстые и неустойчивые силы доминируют. Подражая кинематике крыла насекомых, птиц и летучих мышей, эти платформы достигают необычайной маневренности в ограниченных пространствах и режимах с низким числом Рейнольдса - от 102 до 104 - где обычные конструкции с фиксированным крылом или поворотным крылом борются за создание устойчивого подъема. В основе этой проблемы лежит неразрывная связь между подъемом и перетаскиванием. Каждый ньютон силы вверх, генерируемой взмахивающим крылом, налагает штраф за перетаскивание, который истощает мощность, ограничивает выносливость и влияет на контроль. Понимание и управление этим компромиссом является единственной наиболее важной инженерной проблемой для следующего поколения био-вдохновленных воздушных роботов.
Подъем и перетаскивание на микроскопических масштабах: другой набор правил
В крупномасштабном полете подъем происходит от плавного, прикрепленного воздушного потока над камберной пневматической пленкой, и сопротивление является относительно предсказуемой комбинацией индуцированных, паразитических и волновых компонентов. Но когда крылья сжимаются до сантиметровых или миллиметровых пролетов и бьются со скоростью сотни герц, физика фундаментально меняется. Вязкость становится доминирующей силой: пограничные слои толсты по отношению к длине хорды, и разделение потока является нормой, а не исключением. Подъем в хлопающих крыльях больше не является устойчивым побочным продуктом циркуляции; он создается преднамеренным генерированием, захватом и сбросом вихрей. Драг возникает из той же вихревой активности, а также из трения кожи и ускорения массы жидкости. Эти две силы связаны вместе через те же кинематические параметры - частота, амплитуда, угол атаки и время вращения - поэтому любая попытка повысить подъем неизбежно увеличивает сопротивление, часто с нелинейными
Инструментарий поколения Unsteady Lift
Чтобы понять связь подъемного сопротивления, нужно сначала понять четыре основных неустойчивых механизма, которые используют взмахи крыльями. Каждый механизм обеспечивает бонус подъема, но каждый также несет отчетливую подпись сопротивления.
Leading-Edge Vortex (LEV) Стабильность
Когда взмаховое крыло проносится по воздуху под высоким углом атаки, поток отделяется на переднем краю и катится в концентрированный вихрь, который остается прикрепленным к верхней поверхности крыла. В отличие от заглохшего крыла самолета, это крыло остается стабильным в течение всего хода, создавая область низкого давления, которая рисует крыло вверх. LEV может удвоить или утроить коэффициент подъема по сравнению с прогнозами устойчивого состояния. Однако та же вращательная циркуляция, которая генерирует низкое давление, также создает большое сопротивление давления - разница между высоким давлением ниже крыла и низким давлением выше. Прочность шкалы LEV со скоростью крыла и угловым ускорением; таким образом, любой ход, который усиливает подъем LEV, неизбежно усиливает силу сопротивления на крыле. Гибкость крыла может смягчить эту связь, позволяя LEV отсоединяться и прикрепляться более плавно, но фундаментальное напряжение остается.
Клэп-энд-Фллинг
Многие из самых маленьких летающих насекомых — трипсы, плодовые мухи и некоторые жуки — используют хлопок и хлопок, чтобы произвести подъем далеко за пределы того, что позволит устойчивая аэродинамика. Крылья хлопают вместе в верхней части удара, вытесняя воздух из зазора, затем разлетаясь, вытягивая новую жидкость и создавая пару вращающихся вихрей, которые быстро создают циркуляцию. Этот механизм может производить всплески подъема 50% или более во время хода. В роботизированных реализациях хлопок и хлопок также производит резкий импульс сопротивления сопротивления: крылья должны преодолеть вязкое сопротивление к разделению, и стартовые вихри на мгновение увеличивают сопротивление давления на каждом крыле. Инженеры Института Wyss продемонстрировали, что тщательная конструкция петли крыла может уменьшить пиковое сопротивление хлопка и хлопка до 30%, не жертвуя преимуществом подъема.
Пробуждение Capture
При развороте хода взмаховое крыло проходит через турбулентное крыло, оставленное предыдущим полуударом. Если угол и время крыло правильно настроены, оно может вернуть часть кинетической энергии, хранящейся в вихрях крыльев, повышая подъем во время ранней части нового хода. Этот механизм «захвата пробуждения» может увеличить чистый подъем за ход на 10-15%. Тем не менее, проход через сильно нарушенный поток также производит временные всплески сопротивления, особенно если крыло сталкивается с вихревом ядра непосредственно. Задача для робототехников состоит в том, чтобы время вращения крыла было собрано с минимальным сопротивлением помех - тонкий баланс, который исследователи часто исследуют с помощью программ обучения подкрепления, которые оптимизируют кинематику взмаха в реальном времени.
Ротационный лифт и дополнительные эффекты
По мере того, как крыло пронацированно (скручивается вниз) в конце восходящего и супинатов (скручивается вверх) в конце нисходящего хода, оно испытывает изменения вращательной циркуляции, обеспечивающие дополнительные пики подъема. Это известно как механизм вращательного подъема и аналогично эффекту Магнуса на вращающийся цилиндр. Параллельно крыло ускоряет массу жидкости вокруг него, производя силу ускорения-реакции, которая проявляется как дополнительная масса. Оба эффекта способствуют подъему, но они также требуют высокого мгновенного крутящего момента от исполнительных механизмов. Добавленная масса, в частности, появляется как существенный компонент сопротивления, который противостоит движению крыла, особенно во время быстрых ускорений вращения. В роботах, таких как KU Beetle, конструкторы компенсируют, используя высококрутящие пьезоэлектрические приводы, которые сами добавляют вес и ограничивают полезную нагрузку.
Разрушение драги в Flapping Flight
Перетаскивание в маховом крыле MAV не является одной резистивной силой, а представляет собой набор компонентов, каждый из которых чувствителен к различным аспектам движения и геометрии крыла.
Давление и форма драги
Поскольку взмахи крыльев работают под высокими углами атаки и низкими числами Рейнольдса, ток обычно разделяется на большую часть крыла. Получающаяся разница давления между передней и задней поверхностями создает перетаскивание формы, которое масштабируется с проецируемой площадью крыла и квадратом местной скорости. Во время удара вниз, когда крыло движется быстрее и под высоким углом, перетаскивание формы может быть в несколько раз больше, чем любой другой компонент перетаскивания. Это перетаскивание является прямой ценой LEV: более сильный LEV означает большую область низкого давления, что снижает давление сети на переднюю поверхность и увеличивает сопротивление.
Оригинальное название: Vortex Wake
Каждое взмахивание крыла производит нисходящую вентиляцию — нисходящий импульс, придаваемый воздуху, чтобы противодействовать весу транспортного средства. Это индуцированное сопротивление является минимальной мощностью, необходимой для генерации подъема в паре. Для взмахов крыльев индуцированный коэффициент сопротивления обратно пропорционален отношению к аспекту. Однако, поскольку структурные ограничения часто заставляют крылья MAV быть короткими и широкими, индуцированное сопротивление может быть в два раза выше, чем у эквивалентного фиксированного крыла. Кроме того, вихревая волна в взмахе полета не является устойчивой вихревой парой, но серия вихревых колец сбрасывает каждый удар. Эти кольца могут мешать друг другу, иногда увеличивая индуцированное сопротивление за пределами классического предсказания теории импульса. Роботы, такие как DelFly Explorer, используют крылья с высоким коэффициентом тяги для уменьшения индуцированного сопротивления, но они затем требуют больших амплитуд взмаха для поддержания подъема, что, в свою очередь, увеличивает сопротивление формы
Трение кожи Drag
В миллиметровом масштабе пограничный слой толстый относительно крыльевого аккорда, а вязкие нагрузки на поверхность крыла становятся значительной частью общего сопротивления - часто 20-30% для ультратонких крыльев. Исследователи исследовали супергидрофобные покрытия и риблетные узоры для уменьшения трения кожи, но эти методы лечения трудно применять к крошечным гибким крыльям без добавления веса или жесткости. На данный момент сопротивление трения кожи в значительной степени принимается в качестве неснижаемой базовой стоимости.
Профиль Drag
Профильное сопротивление - это сумма формы и сопротивления трения кожи в отсутствие подъема. Для тонкого взмахивающего крыла под углом нулевого подъема, профильное сопротивление устанавливает пол, ниже которого общее сопротивление не может упасть. Плавающая кинематика, которая держит крыло вблизи нулевого подъема для большой части хода - например, во время подъема некоторых видов насекомых - может уменьшить среднее сопротивление профиля. Но такие стратегии также уменьшают общее сопротивление профиля, поэтому страдает общее соотношение L / D. Самые умные конструкции, такие как те, что на [[FLT: 0]]RoboBee [[FLT: 1]], используют пассивное крыло шаг, чтобы быстро изменить угол атаки между восходящим и нисходящим ударом, минимизируя сопротивление профиля во время низкой части цикла, максимизируя подъем во время высокой части подъема.
Почему подъём и перетаскивание — две стороны одной монеты
Связь между подъемом и перетаскиванием в полете не является простым линейным компромиссом; это тесно связанная зависимость, которая усиливается с интенсивностью. Удвоение частоты взмаха, например, увеличивает динамическое давление в четыре раза, что может увеличить в четыре раза подъем от LEV. Но поскольку шкала сопротивления с квадратом скорости и нестабильная шкала добавленных массовых сил с ускорением (которая также удваивается с частотой), штраф за перетаскивание может вырасти в шесть-восемь раз. Эта нелинейность означает, что работа вблизи оптимальной частоты взмаха - часто характеризуется безразмерным числом Страухаля - имеет решающее значение.
В парении число Strouhal (St = fA/U, где f — частота, A — амплитуда хода, U — средняя скорость наконечника крыла) обычно составляет около 0,25—0,35 для эффективного производства подъема. Отклонение от этого диапазона вызывает резкое падение отношения подъем-перетягивание. Когда St слишком низко, крыло не генерирует достаточно сильных LEV, а подъем плохой. Когда St слишком высок, поток становится во власти вихревого вихря, вызывающего перетаскивание, и добавленных сил массы. Оптимальное окно Strouhal зависит от формы плана крыла, гибкости и вращательной кинематики. Экспериментальные данные проекта DelFly показывают, что сдвиг всего 0,05 в St может уменьшить L/D на 10—15%.
Сцепление осложняется ещё и тем, что перетаскивание иногда может использоваться конструктивно. В прямом полёте для получения сетчатой тяги необходима небольшая асимметрия перетаскивания между ударом вниз и ударом вверх. Некоторые MAV намеренно вводят асимметрию перетаскивания с помощью разных камберов крыла при каждом полуударе. Эта техника, заимствованная из полёта насекомых, позволяет роботу переводить подъём в прямое движение, но при этом также увеличивает общее перетаскивание системы, уменьшая максимально достижимый подъём для заданного энергобюджета.
Обсуждение Lift-Drag Frontier
Хотя соединение не может быть устранено, его можно вытолкнуть наружу с помощью продуманной конструкции. Несколько стратегий доказали свою эффективность в повышении достижимого соотношения подъема к драке.
Пассивная гибкость крыла и морфин
Гибкие крылья, изготовленные из композитных материалов, могут изменять камбер и скручиваться при аэродинамических нагрузках, автоматически адаптируясь к условиям потока. Во время удара крыло изгибается в более темную форму, что стабилизирует LEV и снижает эффективный угол атаки, снижая сопротивление давления. Во время удара крыло сплющивается, уменьшая сопротивление формы. Эта пассивная адаптация, наблюдаемая в крыльях насекомых и воспроизводимая на роботизированных платформах, может повысить L / D на 20-40%. Семинарное исследование 2019 года в Природа показало, что робот, вдохновленный колибри, с настроенной гибкостью, достиг 25% повышения эффективности подъема по сравнению с жестким аналогом, обеспечивая устойчивое вибрацию более 8 минут на одном заряде.
Кинематическая оптимизация и контроль
Вместо использования простого синусоидального взмаха продвинутые контроллеры могут использовать профили трапециевидной скорости, которые поддерживают высокую скорость через средний ход при быстром ускорении при разворотах. Эта форма сокращает продолжительность фаз с высоким сопротивлением в конце каждого полуудара. Сроки вращения крыла относительно разворота хода — фаза вращения — особенно мощны. Задержка вращения до тех пор, пока после хода не уменьшит пик сопротивления во время разворота, хотя это может снизить пик подъема на 5-10%. Алгоритмы обучения усилению, работающие на микроконтроллерах, теперь могут регулировать полный цикл перетаскивания при сохранении полного сопротивления при сохранении целевого подъема, как показано на платформе RoboBee платформы Science Robotics.
Активный контроль потока
Некоторые экспериментальные MAV включают крошечные синтетические струи или диэлектрические барьерные разрядные приводы вблизи ведущего края для подзарядки пограничного слоя или для сброса LEV в контролируемые моменты. Принуждая раннее вихревое отслоение, привод может уменьшить сопротивление давления, связанное с большим, постоянным LEV. Этот подход показал улучшение L / D до 15% в испытаниях аэродинамической трубы, но добавленный вес и энергопотребление привода должны быть сбалансированы с экономией сопротивления. Для субграммовых роботов выигрыш является незначительным; для более крупных MAV в диапазоне 10-20 граммов активное управление потоком может стать жизнеспособным.
Биомиметические формы крыльев
Форма крыла является критическим рычагом. Крылья с высоким коэффициентом усиления уменьшают индуцированное сопротивление, но являются структурно гибкими и требуют больших амплитуд взмаха, которые могут увеличивать сопротивление формы. Крылья с низким коэффициентом взмаха являются жесткими и удерживают устойчивые LEV, но страдают от высокого индуцированного сопротивления. Крылья Dragonfly с их широким проксимальным сечением и узким, промокшим дистальным наконечником предлагают компромисс: широкий корень поддерживает сильный LEV во время удара вниз, в то время как тонкий наконечник уменьшает индуцированное сопротивление. Роботисты скопировали эту форму плана в DelFly Nimble , которая достигает пика L/D более 5 в круизном полете. Форма также позволяет крылу скручиваться пассивно, дополнительно отделяя подъем от сопротивления на кончике крыла.
Тематические исследования: где теория встречается с инженерной реальностью
Несколько знаковых роботов иллюстрируют, как эти принципы трансформируются в реальные летные характеристики.
Гарвард Робоби — Этот робот в масштабе насекомых использует два независимо управляемых крыла, приводимых в движение пьезоэлектрическими приводами. Шина крыла предназначена для использования структурного резонанса, усиления амплитуды хода без увеличения пиковой мощности. Команда оптимизировала фазу вращения и гибкость крыла для достижения отношения подъема к перегрузке примерно 2,5 при наведении — достаточно для поднятия собственного веса плюс небольшой солнечный элемент или датчик. Платформа является первым роботом в масштабе насекомых для достижения привязного полета с визуальным контролем обратной связи, как подробно описано в статье Наука Робототехника .
DelFly Nimble — Этот бесхвостый маховик MAV использует конфигурацию X-wing в форме бриллианта и продемонстрировал необычайную маневренность, включая 360-градусные перевертывания и агрессивные погружения мощности. Его конструкторы откалибировали планформу крыла и гибкость для поддержания L/D выше 4 в широком диапазоне скоростей вперед. DelFly Nimble может нести 1-граммовую полезную нагрузку — камеру и модуль связи — до 9 минут, рекорд для своего класса. Успех автомобиля подчеркивает важность работы вблизи оптимального числа Strouhal для данной геометрии крыла.
DARPA Nano Air Vehicle (Nano Hummingbird) — Построенный AeroVironment, этот 19-граммовый робот использует два хлопающих крыла в конфигурации хлопка и несет свою собственную батарею, камеру и авионику. Инженерной задачей было сбалансировать подъем и перемещение, чтобы достичь скорости движения вперед 11 миль в час при сохранении 8-12 минут полета. Дизайнеры использовали активное управление поворотом крыла и переменную амплитуду взмаха, чтобы управлять пиками перетаскивания во время порывов. Полученная платформа была первым хлопающим крылом MAV для выполнения стабильного наведения, окуня и контролируемого перелета с бортовой камерой, как сообщает DARPA.
Вычислительные и экспериментальные методы исследования связи
Современные инструменты анализа углубили наше понимание взаимодействия подъема и сопротивления. Погруженные в границы вычислительные флюидные динамического (CFD) растворители могут решить полный трехмерный вихревой будки и мгновенное распределение давления на взмах крыла с миллионами точек сетки. Эти симуляции позволяют инженерам выполнять параметрические размахи по форме крыла, жесткости и взмахов кинематики, идентифицируя фронт Парето, где подъем максимизирован для данного бюджета сопротивления. Параллельно, динамически масштабируемые роботизированные флапперы, работающие в нефтяных резервуарах - где кинематическая вязкость соответствует низким числам Рейнольдса - обеспечивают экспериментальные силы и измерения крутящего момента. Изображение частиц велоциметрия (PIV) вокруг этих флапперов показывает точную структуру LEV и вихрей наконечника, подтверждая предсказания CFD. Эти комбинированные инструменты показали, что всего 10% изменение времени вращения может сместить L / D в два раза, подчеркивая важность точного кинематического управления.
Оригинальное название: The Unfinished Agenda
Несмотря на значительный прогресс, компромисс между подъемным и тряпким крылом остается главным препятствием для практических маховых крыльев MAV. Три границы привлекают пристальное внимание исследователей.
Передовые материалы и производство — Многоматериальные крылья с градуированной жесткостью, встроенные датчики и микро-приводы могут обеспечить преобразование формы в реальном времени, что динамически смягчает сопротивление. Всплывающие MEMS (микроэлектромеханические системы) изготовление позволило создать субцентрометровые крылья со сложными трехмерными структурами, но достижение последовательного высокопроизводительного производства без ущерба для аэродинамической плавности по-прежнему сложно. Недавние работы в мягкой робототехнике предполагают, что диэлектрические эластомеры могут обеспечить большие деформации, необходимые для активного управления камбером в масштабах насекомых.
Замкнутый аэродинамический контроль с машинным обучением — Будущие MAV, вероятно, будут включать в себя бортовое зондирование силы с помощью микротензодатчиков или датчиков давления, встроенных в поверхность крыла. Агент обучения с подкреплением, работающий на специальном сопроцессоре, может затем регулировать кинематику взмаха в реальном времени, чтобы минимизировать сопротивление при сохранении командного подъема. Этот подход был проверен в моделировании и на нескольких прототипах скамейки запасных частей, но вычислительные и силовые ограничения подграммового полета остаются серьезными. По мере сокращения ускорителей нейронных сетей малой мощности аэродинамическая оптимизация замкнутого цикла станет возможной.
Полное трехмерное понимание пробуждения — Большинство современных моделей по-прежнему полагаются на квазиустойчивые или двумерные приближения полос. Истинные трехмерные эффекты — размах потока вдоль LEV, разворот кончика вихря и помеха тела крыла — еще не полностью захвачены в аналитических или уменьшенных моделях. Улучшение этих моделей позволит дизайнерам более точно прогнозировать штрафы за сопротивление и проектировать формы крыла, которые канального потока уменьшают индуцированное сопротивление. Например, разворотное гофрирование, как видно на крыльях стрекоз, может перенаправить поток на задержку вихревого сбрасывания и более низкое сопротивление давления. Численные исследования в Имперский колледж Лондона теперь начинают отображать трехмерное сцепление подъема-драга в качестве функции соотношения сторон и развертки формы плана.
По мере того, как плотность энергии батареи улучшается, а легкая электроника уменьшается, акцент в конструкции MAV с маховым крылом сместится от простого полета в воздухе к достижению практических, долгосрочных операций. В этом контексте каждый милливатт, сэкономленный благодаря лучшему взаимодействию лифт-драг, становится фактором, способствующим миссии. Сходящиеся поля биомеханики полета насекомых, мягкой робототехники и управления, основанного на обучении, обещают расширить границы того, чего могут достичь эти машины, вдохновленные био.
Заключение
Связь между роботами с крыльями и микровоздушными транспортными средствами является внутренней связью, управляемой неустойчивой аэродинамикой при низких числах Рейнольдса. Лифт генерируется с помощью таких механизмов, как передний вихрь, хлопок и хлопок и захват будки, но каждый механизм несет налог на сопротивление, который масштабируется нелинейно с теми же кинематическими параметрами - частотой, амплитудой и временем вращения. Инженеры не могут повысить подъем, не платя более крутой счет за перетаскивание, но компромиссом можно управлять с помощью пассивной гибкости крыла, кинематической оптимизации, биомиметических форм плана и управления замкнутым контуром. Сообщество продемонстрировало соотношение L / D 3-5 на практических платформах, и граница неуклонно движется вверх. По мере того, как вычислительные инструменты, методы изготовления и алгоритмы управления созревают, перспектива универсальных, долговечных маховых MAV для наблюдения, мониторинга окружающей среды и разведки приближается к реальности. Нежный танец между лифтом и перетаскиванием остается кардинальным инженерным вызовом - тот, который природа усовершенствовала