自主机器人滑翔机兼具信天翁和帆船的特性

麻省理工学院的工程师们设计了一种机器人滑翔机，它可以沿着水面滑行，像信天翁一样乘风而行，同时又像帆船一样在海浪上冲浪。

在大风地区，机器人被设计成停留在高空，就像它的鸟类同伴一样。在风平浪静的地方，机器人可以将龙骨浸入水中，像高效帆船一样行驶。

这个机器人系统借鉴了航海和生物学的设计，可以用信天翁三分之一的风力覆盖给定的距离，比普通帆船快10倍。滑翔机也相对较轻，重约6磅。研究人员希望，在不久的将来，这种紧凑、快速的机器人可以组队部署，对大片海洋进行调查。

“对海洋的监测仍然严重不足，”Gabriel Bousquet说，他是麻省理工学院航空航天系的前博士后，在他的研究生论文中领导了机器人的设计。“特别是，了解南大洋及其与气候变化的相互作用是非常重要的。但要到达那里非常困难。我们现在可以以一种有效的方式利用环境中的能量来进行这种长途旅行，而且系统仍然很小。”

速度的物理学

去年，Bousquet、Slotine和Triantafyllou发表了一项关于信天翁飞行动力学的研究，在研究中，他们确定了使不知疲倦的飞行者能够以最小的能量飞行很远的距离的机制。这种鸟马拉松式飞行的关键在于它能够在高速和低速的空气层中进出。

具体来说，研究人员发现，这种鸟能够执行一种被称为“动量转移”的机械过程，在这种过程中，它从更高、更快的空气层中获取动量，然后通过俯冲将动量转移到更低、更慢的空气层，在不需要连续拍打翅膀的情况下推进自己。

有趣的是，Bousquet观察到信天翁飞行的物理原理与帆船旅行的物理原理非常相似。信天翁和帆船都传递动量以保持运动。但在帆船的情况下，这种转移不是发生在空气层之间，而是发生在空气和水之间。

博斯克说:“帆船用帆从风中获得动力，然后用龙骨将其注入水中。”“这就是为帆船提取能量的方式。”

博斯奎还意识到信天翁和帆船的飞行速度取决于与动量转移有关的同一个通用方程。从本质上讲，如果鸟和船能够轻松地停留在高空，或者与两层速度截然不同的介质相互作用，它们都可以飞得更快。

信天翁在前者方面做得很好，因为它的翅膀提供了自然升力，尽管它在风速差异相对较小的空气层之间飞行。与此同时，帆船在后者方面表现出色，它在两种速度截然不同的介质——空气和水之间航行，尽管它的船体产生了很大的摩擦，使它无法获得很大的速度。Bousquet想知道:如果一种交通工具可以在这两个指标上都表现良好，结合信天翁和帆船的高速特性会怎么样?

“我们想，我们如何才能从两个世界中吸取最好的东西?”Bousquet说。

在水面上

该团队为这种混合动力飞行器起草了一份设计方案，最终看起来像一架翼展3米的自动滑翔机，类似于典型的信天翁。他们增加了一个高的三角形帆，以及一个细长的翅膀状龙骨。然后，他们进行了一些数学建模来预测这种设计将如何传播。

根据他们的计算，这种风力驱动的汽车只需要5节的相对平静的风，就能以20节(23英里/小时)的速度在水面上滑行。

“我们发现，在微风中，你可以比传统帆船快3到10倍，而你只需要信天翁一半的风，就能达到20节，”博斯奎特说。“它非常高效，即使没有太多的风，你也可以行驶得很快。”

该团队使用麻省理工学院航空航天学教授马克·德雷拉设计的滑翔机机身，制作了他们设计的原型。他们在滑翔机的底部安装了龙骨，以及各种仪器，如GPS、惯性测量传感器、自动驾驶仪器和超声波，以跟踪滑翔机在水面上的高度。

“我们的目标是展示我们可以非常精确地控制我们在水面上的高度，我们可以让机器人在水面上飞行，然后下降到龙骨可以在水下产生力量的地方，飞机仍然可以飞行，”Bousquet说。

研究人员决定测试这种“关键机动”——在空中飞行和将龙骨浸入水中航行之间的过渡动作。完成这一动作并不一定需要一个帆，所以Bousquet和他的同事决定不包括一个帆，以简化初步实验。

2016年秋天，该团队对其设计进行了测试，将机器人从麻省理工学院帆船馆发射到查尔斯河上。由于这个机器人没有帆，也没有任何启动的机械装置，研究小组把它挂在了一根绑在捕鲸船上的鱼竿上。有了这样的设置，船就会沿着河拖着机器人，直到速度达到每小时20英里左右，然后机器人就会自动“起飞”，自己乘风而行。

一旦它开始自主飞行，Bousquet就用遥控器给机器人一个“下降”的命令，促使它下沉到足够低的地方，把龙骨浸入河中。接下来，他调整了龙骨的方向，并观察到机器人能够像预期的那样离开船。然后，他发出命令，让机器人飞起来，把龙骨抬出水面。

“我们在离地面很近的地方飞行，几乎没有犯错的余地——一切都必须到位，”博斯克说。“所以压力很大，但也很令人兴奋。”

他说，这些实验证明，该团队的概念装置可以成功地由风和水提供动力。最终，他设想这样的车辆车队可以自动有效地监测大片的海洋。

“想象一下，当风很大的时候，你可以像信天翁一样飞行，然后当风不够的时候，龙骨可以让你像帆船一样航行，”博斯克说。“这极大地扩展了你可以去的地区的种类。”

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程机器人的故事．

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