孫晨旭　吳瀟

摘要：自去年起，亞馬遜、UPS和順豐速遞陸續(xù)開(kāi)始投資“無(wú)人機(jī)”計(jì)劃。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)運(yùn)貨在提高效率的同時(shí)也帶來(lái)了安全性等隱患。該文著重考慮無(wú)人機(jī)運(yùn)貨中的安全性問(wèn)題，分析了導(dǎo)致無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)失控后危害的補(bǔ)救方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)失控；仿生原理；補(bǔ)救方法

中圖分類號(hào)：TB17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wú)人機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀

自去年起，亞馬遜、UPS紛紛對(duì)無(wú)人機(jī)送貨系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，2014年9月國(guó)內(nèi)最具創(chuàng)新精神的快遞公司——順豐速遞也內(nèi)測(cè)了無(wú)人機(jī)配送項(xiàng)目，雖然各大公司對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面的探索不盡相同，但無(wú)人機(jī)運(yùn)貨過(guò)程中貨物安全及人身安全確是當(dāng)前的共同難關(guān)。受復(fù)雜的外界環(huán)境和人為因素的影響，無(wú)人機(jī)失控后墜落的問(wèn)題無(wú)疑給快遞公司及相關(guān)人群帶來(lái)巨大壓力，群眾在享受無(wú)人機(jī)送貨便利的同時(shí)也對(duì)其安全性產(chǎn)生擔(dān)憂，同時(shí)，非專業(yè)人士在市區(qū)違規(guī)操控?zé)o人機(jī)導(dǎo)致失控帶來(lái)的危害[6]，這些都為減少無(wú)人機(jī)失控后危害的補(bǔ)救裝置的提出提供了契機(jī)。

新西蘭馬丁公司推出的個(gè)人飛行器一次充滿燃料飛行距離達(dá)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(yàn)，但燃料方面尚有欠缺[5]。戰(zhàn)區(qū)空運(yùn)補(bǔ)給采用的A160旋翼UAS，盡管續(xù)航能力達(dá)到18小時(shí)，其機(jī)載物資量降到了300磅，因此，要想真正滿足戰(zhàn)區(qū)內(nèi)補(bǔ)給的要求，UAS還要提高續(xù)航能力、增加有效載荷量[7]。

無(wú)人機(jī)因?yàn)檩p小，運(yùn)輸、保存非常方便，越野能力強(qiáng)，起降場(chǎng)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(diào)試、起飛。對(duì)于起飛場(chǎng)地?zé)o法尋找到，或者事故常發(fā)地點(diǎn)，可通過(guò)使用彈射起飛、傘降。保證在1小時(shí)內(nèi)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，2-3小時(shí)內(nèi)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析提供應(yīng)急決策支持，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于送貨、農(nóng)業(yè)、偵查、搜救等領(lǐng)域。

1.2 無(wú)人機(jī)失控的原因

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中會(huì)遇到以下兩種意外：

1）由于無(wú)人機(jī)飛行高度低，會(huì)不可避免地來(lái)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(shí)，比如冰雹或小雪會(huì)遮住傳感器，這將會(huì)阻止無(wú)人機(jī)發(fā)揮應(yīng)有的功效。上述兩個(gè)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行偏航甚至失控，失控后，由于事先儲(chǔ)存的能量不夠，需要立即迫降，導(dǎo)致貨物或者地面人員的損傷。

該文正是考慮到復(fù)雜的自然因素和人為因素，從減少無(wú)人機(jī)運(yùn)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(guò)大約6個(gè)月的授粉期后種子成熟，這些種子（如圖1）將從母樹(shù)在空中飄移一段相當(dāng)長(zhǎng)的距離，盡管它們可能被強(qiáng)風(fēng)刮到幾十千米遠(yuǎn)，平均每個(gè)種子在離母樹(shù)30～80m遠(yuǎn)的地方著陸，其原理是尾巴端旋轉(zhuǎn)的線速度大，種子端旋轉(zhuǎn)的線速度小，產(chǎn)生不平衡熱氣流，導(dǎo)致不定向飄移，確保種子的均勻分布。

飛行的松鼠并不像鳥(niǎo)類或蝙蝠那樣具有動(dòng)力飛行的能力，但它們能在樹(shù)林之間滑翔。在這一過(guò)程中，它們能夠獲得升力，它的滑行記錄為90m。這種動(dòng)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(jī)翼，充當(dāng)它著陸前的空氣制動(dòng)器，增加緩沖時(shí)間，與家貓落地過(guò)程類似[1-2]。

3補(bǔ)救方法

3.1 補(bǔ)救裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其原理

我們仿照梧桐花種子和松鼠翼膜的飛行原理設(shè)計(jì)了該補(bǔ)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(gòu)成；電池端和靜電端一體化設(shè)置；迫降端自動(dòng)上下翻轉(zhuǎn)設(shè)置，連接3D平衡滑軌；中心軸連桿水平方向設(shè)置于靠近電池端，距電池端和靜電端總長(zhǎng)的 1/3處，連接飛行器和補(bǔ)救裝置，上端連接飛行器，下端連接3D平衡滑軌。整個(gè)裝置采用仿生結(jié)構(gòu)，電池端模仿植物種子，靜電端模仿種子在空中旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)的 1/3處為軸，借助氣流做不對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)，依此來(lái)緩解失控的狀況，其原理是靜電端旋轉(zhuǎn)的線速度大，電池端旋轉(zhuǎn)的線速度小，產(chǎn)生不平衡熱氣流，導(dǎo)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(chǔ)存電能，給爆閃燈、紅外熱線燈及喇叭供電，用電能推動(dòng)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(kāi)的情況下，形成熱氣球效應(yīng)，來(lái)延長(zhǎng)勢(shì)能向旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，最終達(dá)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(zhǎng)的 1/3處為軸與平衡滑軌一起旋轉(zhuǎn)，槳葉形狀的靜電端在繞1/3處旋轉(zhuǎn)的時(shí)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(yùn)動(dòng)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(kāi)的情況下，形成熱汽球效應(yīng)，同時(shí)靜電發(fā)電單元把產(chǎn)生的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在下降過(guò)程中把勢(shì)能首先轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，再把多余旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存進(jìn)電池，或轉(zhuǎn)化為熱能，形成熱汽球效應(yīng)，為整個(gè)補(bǔ)救裝置提供升力，或轉(zhuǎn)化為光能與聲能，提醒地面人們潛在危險(xiǎn)。

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(zhuǎn)換效率高。當(dāng)飛行器在空中飛行時(shí)，造成該納米材料的彎曲或納米層的來(lái)回微移動(dòng)，繼而接觸起電，摩擦生熱。平均1mm的位移能產(chǎn)生2V電壓，無(wú)人機(jī)在震動(dòng)時(shí)會(huì)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?yàn)闊o(wú)人機(jī)飛行提供電能，由此將動(dòng)能轉(zhuǎn)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(kāi)傘器和/或空氣阻力感應(yīng)器，所述電池端和靜電端以降落傘單元為軸旋轉(zhuǎn)。GPS定高開(kāi)傘器在距離地面一定的高度上，控制降落傘的打開(kāi)，飛行器傾斜時(shí)，迫降端會(huì)繞降落傘軸旋轉(zhuǎn)，起到平衡作用，當(dāng)降落速度超過(guò)安全極限時(shí)，降落傘也可以由空氣阻力感應(yīng)器自動(dòng)打開(kāi)，避免直接墜毀，造成財(cái)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(dòng)，連接所述電池端和靜電端，所述平衡滑軌二左右移動(dòng)。通過(guò)所述平衡滑軌一保持前后方向的平衡，通過(guò)平衡滑軌二保持左右方向的平衡。

3.2 補(bǔ)救裝置的具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)救裝置由中心軸連桿5和飛行器7連接，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行出現(xiàn)異常時(shí)，靜電端2以靠近電池端1，距電池端1和靜電端2總長(zhǎng)的 1/3處為軸，借助氣流做不停的旋轉(zhuǎn)，靜電端2的旋轉(zhuǎn)線速度大于電池1端的旋轉(zhuǎn)線速度，產(chǎn)生不平衡熱氣流，導(dǎo)致不定向飄移，確保該裝置的平穩(wěn)下降。同時(shí)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于靜電端的靜電發(fā)電單元21利用靜電端的微運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的接觸靜電和摩擦熱力，并把產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)進(jìn)電池，或者把電能轉(zhuǎn)化為熱能，和摩擦產(chǎn)生的熱能形成熱氣球效應(yīng)，或者把電能轉(zhuǎn)化為光能與聲能，啟動(dòng)喇叭12和爆閃燈13提醒地面人們潛在危險(xiǎn)。納米接觸靜電材料一層是聚對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)增加它們的表面積和發(fā)電能力，當(dāng)這兩個(gè)面接觸時(shí)，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(dòng)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(yàn)5*5厘米的材料就能足以能為手機(jī)充電。目前，這種納米材料做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率在15%左右，通過(guò)使用更薄的納米材料可以將轉(zhuǎn)換率效率提高至40%。同時(shí)在下降過(guò)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(zhuǎn)，起到前后左右的平衡作用，中心軸連桿設(shè)置有刻度，且可以上下移動(dòng)，確保漂移時(shí)，整個(gè)裝置的重心在中心軸上，飛行器起飛時(shí)，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(guò)程中，連桿上的加速度傳感器52感受到一定的速度時(shí)會(huì)拉出固定連桿的塞子51，使得補(bǔ)救裝置與飛行器自動(dòng)脫落，之后補(bǔ)救裝置在空中穩(wěn)定飄落，確保補(bǔ)救裝置上貨物的安全。

實(shí)施例2

飛行器失控后，補(bǔ)救裝置和飛行器依然相連，補(bǔ)救裝置的靜電端和迫降段在旋轉(zhuǎn)漂移的過(guò)程中，通過(guò)靜電端和迫降端不停地旋轉(zhuǎn)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(kāi)，確保飛行器平穩(wěn)降落。

實(shí)施例3

根據(jù)需要，迫降端安裝氣阻力感應(yīng)器33和/或定高開(kāi)傘器32，當(dāng)降落速度超過(guò)極限時(shí)，由空氣阻力感應(yīng)器33自動(dòng)控制降落傘單元31的打開(kāi)，或者當(dāng)達(dá)到設(shè)定的高度值時(shí)，由定高開(kāi)傘器32控制降落傘單元31的打開(kāi)，只安裝空氣阻力感應(yīng)器或定高開(kāi)傘器中的一個(gè)時(shí)，只要達(dá)到其對(duì)應(yīng)的設(shè)定條件，降落傘單元就可打開(kāi)。當(dāng)空氣阻力感應(yīng)器或定高開(kāi)傘器中同時(shí)存在時(shí)，為避免風(fēng)險(xiǎn)，只要達(dá)到其中一個(gè)的設(shè)定條件時(shí)，降落傘單元就可打開(kāi)，優(yōu)先選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中的部份技術(shù)方案也可以推廣應(yīng)用到其它載人飛行器上，以便在下降過(guò)程中把勢(shì)能首先轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，再把多余旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存進(jìn)電池，或轉(zhuǎn)化為光能，熱能與聲能， 提醒地面人們潛在危險(xiǎn)。

本裝置的有益效果是：1）該補(bǔ)救裝置中運(yùn)用仿生法，用電池端來(lái)模仿種子頭部、靜電端來(lái)模仿翅，在飛行器失控的情況下，旋轉(zhuǎn)翼以靠近電池端，距電池端和靜電端總長(zhǎng)的 1/3處為軸，借助氣流做不對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)緩解失控的狀況，為后續(xù)軟著落貴重物品脫離等工作爭(zhēng)取時(shí)間。2）迫降端在貴重物品脫離降落的過(guò)程中充當(dāng)降落傘的作用，為滑翔提供升力。當(dāng)無(wú)人機(jī)失控時(shí)，機(jī)身會(huì)向側(cè)面傾斜加速下降，超過(guò)安全速度后， 在下降過(guò)程中自動(dòng)帶動(dòng)迫降端降落傘打開(kāi)，以此來(lái)降低飛行失控的危害。3）當(dāng)無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，造成該納米材料的彎曲或納米層的來(lái)回移動(dòng)，繼而摩擦生熱， 接觸起電。足夠?yàn)闊o(wú)人機(jī)飛行提供電能，與熱氣效應(yīng)， 由此將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能與熱能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉濟(jì)濱.大自然[J].會(huì)飛的哺乳動(dòng)物，1993（1）.

[2] 孝文.七種會(huì)“飛”的動(dòng)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.模型飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)[M].肖治垣，馬東立，譯.北京：航空工業(yè)出版社，2007.

[5] 劉霞.科學(xué)探索讓我們的生活更安全便利[N].科技日?qǐng)?bào)，2013-12-03.

[6] 中新網(wǎng).一個(gè)中國(guó)游客在新西蘭違規(guī)操控?zé)o人機(jī)惹麻煩[N].黔中早報(bào)，2015-02-16.

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