Самый легкий летательный аппарат за всю историю полетов

После шести лет работы команда инженеров из Гарварда создала летательный аппарат, похожий на насекомое и питающийся солнечной энергией. Вес этого летательного аппарата составил всего 260 мг
2860
В избранное

После шести лет работы команда инженеров из Гарварда создала летательный аппарат, похожий на насекомое и питающийся солнечной энергией. Вес этого летательного аппарата составил всего 260 мг.

Это яркий пример того, как научная фантастика стала научным фактом: самый маленький и самый легкий в мире летательный аппарат, похожий на насекомое, успешно прошел испытания и совершил короткий, но устойчивый самостоятельный полет (рис. 1). Этот аппарат был разработан группой ученых в Лаборатории микророботов Гарвардского университета и получил называние «Robobee» (дословно, «Робот-пчела»). Он весит 259 миллиграммов (включая встроенные солнечные элементы и электронику) и потребляет около 120 милливатт энергии. Размах крыльев составляет около 3,5 см, а общая длина около 6 см. (Обратите внимание, что «насекомоподобными» обычно называют аппараты, имеющие массу менее 500 мг и размах крыльев менее 5 см.)

Миниатюрный летательный аппарат Robobee 

Рис. 1. Миниатюрный летательный аппарат Robobee 

Аппарат Robobee летает с помощью подвижных крыльев. Солнечные элементы, обеспечивающие питание, расположены над крыльями, а электроника размещается в нижней части ниже аппарата. На рисунке Robobee удерживается пинцетом.

Robobee стал результатом шестилетней работы по доработке предыдущей модели летательного аппарата, который в отличие от Robobee, использовал внешний источник питания, подключаемый с помощью проводов. Таким образом, в отличие от предшественника, Robobee стал автономным летательным аппаратом. «В фильмах часто можно видеть ситуации, в которых для того, чтобы починить неработающий аппарат, достаточно ударить его пару раз, и он вдруг начинает функционировать как нужно. В настоящей науке все не так просто», – заметила участник команды и аспирант Элизабет Фаррелл Хелблинг (доктор философии '19).

Наиболее очевидным изменением, реализованным в Robobee, стало увеличение числа крыльев с двух до четырех, что позволило повысить эффективности на 30%. Менее заметным, но тем не менее важным изменением, стала модернизация привода и коррекция передаточного числа, что привело к росту подъемной силы на 38% (рис. 2). Чтобы избежать взаимного влияния солнечных панелей и крыльев, между ними был сделан зазор около 3 см.

На схеме Robobee показано расположение его основных функциональных блоков и отмечены ключевые изменения

Рис. 2. На схеме Robobee показано расположение его основных функциональных блоков и отмечены ключевые изменения

Эти и другие изменения позволили впервые осуществить свободный полет с автономным питанием. Захватывающее и даже слегка гипнотическое 90-секундное видео демонстрирует грациозные взмахи крыльев. Обратите внимание, что показанная на видео нить, привязанная к аппарату, является только пассивным ремнем безопасности Kevlar, который нужен для того, чтобы свести к минимуму потенциальные повреждения Robobee при падении.

Профессор Роберт Вуд из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS), который по совместительству также является преподавателем Гарвардского института Вайсса и ведущим исследователем в проекте Robobee, отметил: «Это результат долгой десятилетий кропотливой работы по созданию автономного летательного аппарата, нечто вроде Catch-22. Столь долгая работа была следствием того, что достичь компромисса между массой и мощностью при таких масштабах становится чрезвычайно сложно, так как в таких условиях полет по своей сути неэффективен».

Четыре крыла, приводимые в действие двумя усиленными алюминием пьезоэлектрическими актуаторами, позволяют поднимать вес до 370 мг. Пиковое отношение подъемной силы к весу 4,1:1 оказалось даже выше, чем отношение подъемной силы к мышечной массе у биологических аналогов. Крылья создавались с помощью лазерной обработки с использованием специально инструмента, который был разработан для производства малой робототехники.

Фотоэлемент с шестью ячейками (а)

Рис. 3. Фотоэлемент с шестью ячейками (а)

График демонстрирует мощность, получаемую от этой солнечной батареи на различных удалениях от источника света (точность измерения составляет приблизительно ± 5 мВт). Мощность при ярком солнечном освещении составляет приблизительно 46 мВт.

В Robobee используется шесть солнечных элементов. Это самые маленькие фотоэлементы из имеющихся в продаже, которые весят по 10 мг каждый и выдают мощность 0,76 мВт/мг при ярком солнце (рис. 3). Однако даже яркого солнечного света недостаточно для полета Robobee. Для устойчивого полета требуется втрое большая сила света, поэтому тестирование проводилось в помещении с галогенными лампами. Для питания пьезоэлектрических актуаторов низковольтный выходной сигнал солнечной батареи должен быть преобразован в высоковольтные импульсы 200 В/ 170 Гц (рис. 4,a,b,c,d).

Три формы сигнала возбуждения, приводящие к одинаковой кинематике колебания

Рис. 4.а. Три формы сигнала возбуждения, приводящие к одинаковой кинематике колебания

Двунаправленный обратноходовой преобразователь

Рис. 4.b. Двунаправленный обратноходовой преобразователь

VIN - входное напряжение,
CIN - входной конденсатор,
QL - ключ нижнего плеча,
DL - диод нижнего плеча,
LP - первичная обмотка трансформатора,
LS - вторичная обмотка трансформатора QH – ключ верхнего плеча,
DH - диод верхнего плеча,
VO - выходное напряжение.

Полная принципиальная схема

Рис. 4.с. Полная принципиальная схема

На рис. 4.с представлена полная принципиальная схема включающая, два двунаправленных обратноходовых преобразователя, которые питают пару пьезоэлектрических актуаторов, один АЦП в микроконтроллер MCU, который контролирует выходные напряжения A(VA) или B(VB) (измеряются с помощью резистивных делителей и соответствующих масштабированных напряжений VdivA или VdivB). Таблица LUT сравнивает результат измерения с требуемым напряжением Vdes и генерирует соответствующие импульсы управления ключами QH, A, QL, A, QH, B и QL, B, в то время как дополнительный переключатель QS подтягивает линию B к земле, когда линия A питает элементы CA и CB. На рис. 4.d представлена фотография печатной платы.

Электроника и привод

Рис. 4 d. Электроника и привод

Для автономного полета соотношение мощности и веса, очевидно, является критическим параметром. В таблице 1 приведен перечень используемых компонентов с указанием веса.

Таблица 1. Перечень используемых компонентов и вес каждого из них

Компонент Позиционное обозначение Наименование Производитель Масса, мг
Трансформаторы La, Lb LPS3015 Coilcraft 32
Нижний ключ QLA, QLB EPC2036 EPC 2,6
Верхний ключ QHA, QHB MSD42SWT1G ON Semiconductor 11,4
Ключ на вторичной стороне QS EPC2012 EPC 2,8
Входной конденсатор CIN 22 мкФ C0402(x4) Samsung Electromechanics 24
Диоды DLA, DLB, DHA, DHB, DHSA, DHSB BAS521LP Diodes Incorporated 5,4
Резисторы R1A, R1B, R2A, R2B 5МОм R0402, 25кОм R0201 Ohmite, Samsung Electromechanics 1,2 ; 0,5
Микроконтроллеры MCU ATTiny20 Atmel 3
Печатная плата, припой, шелкография       8
Всего: 91

Статья "Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle", опубликованная в журнале Nature (открытая версия опубликована здесь), содержит подробные сведения, диаграммы, графики, анализ характеристик и существующих компромиссов, полезные ссылки и еще 10 дополнительных видеороликов. Проект RoboBee наглядно показал, что благодаря компромиссу можно найти идеальное соотношение между весом, мощностью, управлением, устойчивостью и даже стоимостью, а это в свою очередь гарантирует успешную реализацию столь уникального проекта.

Источник: www.electronicdesign.com

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DRV2667RGPT
DRV2667RGPT
Texas Instruments
Арт.: 1187573 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 502 шт. от 1 шт. от 736,93
Выбрать
условия
поставки
IC MOTOR DRIVER 3V-5.5V 20QFN
DRV2667RGPT от 1 шт. от 736,93
502 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DRV2667EVM-CT
DRV2667EVM-CT
Texas Instruments
Арт.: 1196345 ИНФО AN RD
Доступно: 37 шт. от 1 шт. от 9948,47
Выбрать
условия
поставки
EVM for Piezo Haptic Driver with Boost; Digital Front End; and Internal Waveform Memory
DRV2667EVM-CT от 1 шт. от 9948,47
37 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC9004
EPC9004
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1868850 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Отладочная плата полумоста на основе eGaN FET транзисторов EPC2012
EPC9004
-
Поиск
предложений
EPC2036
EPC2036
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200747 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 2728 шт. 143,68
Выбрать
условия
поставки
100 В транзистор EPC2036 с сопротивлением открытого канала 65 мОм. 
EPC2036 143,68
2728 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EPC2012C
EPC2012C
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200754 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 830 шт. от 1 шт. от 445,95
Выбрать
условия
поставки
TRANS GAN 200V 5A BUMPED DIE
EPC2012C от 1 шт. от 445,95
830 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()