基于仿生原理的失控无人机补救装置的设计

孙晨旭　吴潇

摘要：自去年起，亚马逊、UPS和顺丰速递陆续开始投资“无人机”计划。但是，随着科学技术的不断发展，无人机运货在提高效率的同时也带来了安全性等隐患。该文着重考虑无人机运货中的安全性问题，分析了导致无人机飞行失控的原因，介绍了仿生原理，从而提出一种采用仿生原理减少无人机失控后危害的补救方法。

关键词：无人机失控；仿生原理；补救方法

中图分类号：TB17 文献标识码：A 文章编号：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 无人机发展的现状

自去年起，亚马逊、UPS纷纷对无人机送货系统进行测试，2014年9月国内最具创新精神的快递公司——顺丰速递也内测了无人机配送项目，虽然各大公司对无人机应用方面的探索不尽相同，但无人机运货过程中货物安全及人身安全确是当前的共同难关。受复杂的外界环境和人为因素的影响，无人机失控后坠落的问题无疑给快递公司及相关人群带来巨大压力，群众在享受无人机送货便利的同时也对其安全性产生担忧，同时，非专业人士在市区违规操控无人机导致失控带来的危害[6]，这些都为减少无人机失控后危害的补救装置的提出提供了契机。

新西兰马丁公司推出的个人飞行器一次充满燃料飞行距离达到30公里，可用于医疗救援、消防等方面，虽然已完成飞行背包的真人试验，但燃料方面尚有欠缺[5]。战区空运补给采用的A160旋翼UAS，尽管续航能力达到18小时，其机载物资量降到了300磅，因此，要想真正满足战区内补给的要求，UAS还要提高续航能力、增加有效载荷量[7]。

无人机因为轻小，运输、保存非常方便，越野能力强，起降场地要求低（100-150m平整马路、平地甚至草地），能够在15-30分钟内完成组装、调试、起飞。对于起飞场地无法寻找到，或者事故常发地点，可通过使用弹射起飞、伞降。保证在1小时内获取相关数据，2-3小时内经过数据分析提供应急决策支持，已经广泛应用于送货、农业、侦查、搜救等领域。

1.2 无人机失控的原因

无人机在飞行过程中会遇到以下两种意外：

1）由于无人机飞行高度低，会不可避免地来自打靶者和偷窃者的乱射或者其他意外伤害；

2）天气恶劣时，比如冰雹或小雪会遮住传感器，这将会阻止无人机发挥应有的功效。上述两个问题都会导致无人机飞行偏航甚至失控，失控后，由于事先储存的能量不够，需要立即迫降，导致货物或者地面人员的损伤。

该文正是考虑到复杂的自然因素和人为因素，从减少无人机运货失控后的危害方面和减少人和物的损失做出努力。

2 雌雄同株的梧桐花种子和松鼠翼膜的飞行原理

雌雄同株的梧桐花经过大约6个月的授粉期后种子成熟，这些种子（如图1）将从母树在空中飘移一段相当长的距离，尽管它们可能被强风刮到几十千米远，平均每个种子在离母树30～80m远的地方着陆，其原理是尾巴端旋转的线速度大，种子端旋转的线速度小，产生不平衡热气流，导致不定向飘移，确保种子的均匀分布。

飞行的松鼠并不像鸟类或蝙蝠那样具有动力飞行的能力，但它们能在树林之间滑翔。在这一过程中，它们能够获得升力，它的滑行记录为90m。这种动物在空中的飞行方向和速度随它的双臂和腿的位置的改变而改变，主要受小手腕骨软骨的控制，即改变了翼膜（翼膜是一种毛茸茸的像降落伞一样从手腕延伸到踝的膜）的拉紧度。它带毛的尾巴具有稳定飞行的作用，尾巴兼任机翼，充当它着陆前的空气制动器，增加缓冲时间，与家猫落地过程类似[1-2]。

3补救方法

3.1 补救装置结构设计及其原理

我们仿照梧桐花种子和松鼠翼膜的飞行原理设计了该补救装置（如图3），它是由电池端、静电端、迫降端、3D平衡滑轨及中心轴连杆构成；电池端和静电端一体化设置；迫降端自动上下翻转设置，连接3D平衡滑轨；中心轴连杆水平方向设置于靠近电池端，距电池端和静电端总长的 1/3处，连接飞行器和补救装置，上端连接飞行器，下端连接3D平衡滑轨。整个装置采用仿生结构，电池端模仿植物种子，静电端模仿种子在空中旋转的漂移状态，静电端以靠近电池端且距电池端和静电端总长的 1/3处为轴，借助气流做不对称的旋转，依此来缓解失控的状况，其原理是静电端旋转的线速度大，电池端旋转的线速度小，产生不平衡热气流，导致不定向飘移，确保该装置的平稳下降[4]。

3.1.1 电池端

电池端包括电池箱单元、爆闪灯、红外热线灯及喇叭，电池箱单元分别连接爆闪灯、红外热线灯及喇叭。电池箱单元用于储存电能，给爆闪灯、红外热线灯及喇叭供电，用电能推动暴闪灯与红外线热气灯，红外热线灯产生的热为装置提供升力，在降落伞打不开的情况下，形成热气球效应，来延长势能向旋转动能的转化过程，最终达到安全着落的目的。

3.1.2静电端

静电端的形状为桨叶形，以靠近电池端，距电池端和静电端总长的 1/3处为轴与平衡滑轨一起旋转，桨叶形状的静电端在绕1/3处旋转的时候，可以平衡飞行器的不定漂移，保持飞行器的平稳。

静电端可以包括静电发电单元，用微运动产生的接触静电和摩擦热力，此法显著增加了电量的收集，而且便于利用多余湍流，在红外线热气灯打不开的情况下，形成热汽球效应，同时静电发电单元把产生的电量储存起来，在下降过程中把势能首先转化为旋转动能，再把多余旋转动能转化为电能储存进电池，或转化为热能，形成热汽球效应，为整个补救装置提供升力，或转化为光能与声能，提醒地面人们潜在危险。

静电端表面采用纳米接触静电材料，纳米接触静电材料静电转换效率高。当飞行器在空中飞行时，造成该纳米材料的弯曲或纳米层的来回微移动，继而接触起电，摩擦生热。平均1mm的位移能产生2V电压，无人机在震动时会使该材料产生0.1-1mm的微位移，产生的电压在0.2V-2V之间，足够为无人机飞行提供电能，由此将动能转化为电能。

纳米材料由聚甲基丙烯酸甲酯、铝、铜、聚四氟乙烯、铅线组成[3]。

3.1.3 迫降端

迫降端包括降落伞单元、GPS定高开伞器和/或空气阻力感应器，所述电池端和静电端以降落伞单元为轴旋转。GPS定高开伞器在距离地面一定的高度上，控制降落伞的打开，飞行器倾斜时，迫降端会绕降落伞轴旋转，起到平衡作用，当降落速度超过安全极限时，降落伞也可以由空气阻力感应器自动打开，避免直接坠毁，造成财物的损失。

3.1.4 3D平衡滑轨

3D平衡滑轨包括平衡滑轨一和平衡滑轨二，所述平衡滑轨一前后移动，连接所述电池端和静电端，所述平衡滑轨二左右移动。通过所述平衡滑轨一保持前后方向的平衡，通过平衡滑轨二保持左右方向的平衡。

3.2 补救装置的具体实施方式

下面结合附图来对本发明进行详细说明。

实施例1

如图3所示的一种采用仿生原理减少飞行器失控后危害的补救装置示意图，包括电池端1、静电端2、迫降端3、3D平衡滑轨4、中心轴连杆5及连接装置6。

采用仿生原理减少飞行器失控后危害的补救装置连接飞行器，和飞行器的连接示意图如图1所示，该补救装置由中心轴连杆5和飞行器7连接，当无人机飞行出现异常时，静电端2以靠近电池端1，距电池端1和静电端2总长的 1/3处为轴，借助气流做不停的旋转，静电端2的旋转线速度大于电池1端的旋转线速度，产生不平衡热气流，导致不定向飘移，确保该装置的平稳下降。同时在旋转过程中由于静电端的静电发电单元21利用静电端的微运动产生的接触静电和摩擦热力，并把产生的电能存储进电池，或者把电能转化为热能，和摩擦产生的热能形成热气球效应，或者把电能转化为光能与声能，启动喇叭12和爆闪灯13提醒地面人们潜在危险。纳米接触静电材料一层是聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料，另一层是金属，在这两层上印了一层纳米级结构来增加它们的表面积和发电能力，当这两个面接触时，电荷就产生了，随之形成了电流[3]。这种接触电的纳米材料仅在移动的情况下就能发电，一片指甲大小的接触电纳米材料就能产生8毫瓦的电力，经试验5*5厘米的材料就能足以能为手机充电。目前，这种纳米材料做机械运动的转换效率在15%左右，通过使用更薄的纳米材料可以将转换率效率提高至40%。同时在下降过程中，电池端1、静电端2、迫降端3沿降落伞单元31为轴旋转，起到前后左右的平衡作用，中心轴连杆设置有刻度，且可以上下移动，确保漂移时，整个装置的重心在中心轴上，飞行器起飞时，装置被固定在中心轴连杆5上的某一固定刻度上，连杆上装有加速度传感器52，飞行器在失控的过程中，连杆上的加速度传感器52感受到一定的速度时会拉出固定连杆的塞子51，使得补救装置与飞行器自动脱落，之后补救装置在空中稳定飘落，确保补救装置上货物的安全。

实施例2

飞行器失控后，补救装置和飞行器依然相连，补救装置的静电端和迫降段在旋转漂移的过程中，通过静电端和迫降端不停地旋转漂移，延缓飞行器的下降速度，并保持飞行器的平衡，且迫降端的降落伞单元31打开，确保飞行器平稳降落。

实施例3

根据需要，迫降端安装气阻力感应器33和/或定高开伞器32，当降落速度超过极限时，由空气阻力感应器33自动控制降落伞单元31的打开，或者当达到设定的高度值时，由定高开伞器32控制降落伞单元31的打开，只安装空气阻力感应器或定高开伞器中的一个时，只要达到其对应的设定条件，降落伞单元就可打开。当空气阻力感应器或定高开伞器中同时存在时，为避免风险，只要达到其中一个的设定条件时，降落伞单元就可打开，优先选择。

4 结束语

本文中的部份技术方案也可以推广应用到其它载人飞行器上，以便在下降过程中把势能首先转化为旋转动能，再把多余旋转动能转化为电能储存进电池，或转化为光能，热能与声能， 提醒地面人们潜在危险。

本装置的有益效果是：1）该补救装置中运用仿生法，用电池端来模仿种子头部、静电端来模仿翅，在飞行器失控的情况下，旋转翼以靠近电池端，距电池端和静电端总长的 1/3处为轴，借助气流做不对称的旋转，以此来缓解失控的状况，为后续软着落贵重物品脱离等工作争取时间。2）迫降端在贵重物品脱离降落的过程中充当降落伞的作用，为滑翔提供升力。当无人机失控时，机身会向侧面倾斜加速下降，超过安全速度后， 在下降过程中自动带动迫降端降落伞打开，以此来降低飞行失控的危害。3）当无人机在空中飞行时，造成该纳米材料的弯曲或纳米层的来回移动，继而摩擦生热， 接触起电。足够为无人机飞行提供电能，与热气效应， 由此将动能转化为电能与热能。

参考文献：

[1] 刘济滨.大自然[J].会飞的哺乳动物，1993（1）.

[2] 孝文.七种会“飞”的动物[J].今日科苑，2009（17）：41.

[3] Zhu J，Chen Y，Liu P.et al.Linear-grating triboelectric generator based on sliding electrification[J].Nano Lett，2013（13）：847-853.

[4] 西蒙斯.模型飞机空气动力学[M].肖治垣，马东立，译.北京：航空工业出版社，2007.

[5] 刘霞.科学探索让我们的生活更安全便利[N].科技日报，2013-12-03.

[6] 中新网.一个中国游客在新西兰违规操控无人机惹麻烦[N].黔中早报，2015-02-16.

[7]乔尔.D.杰克逊.空中补给无人化[J].空天力量杂志，2012，6（1）：56-64.