在湍流条件下或高楼林立的城市中,由于阵风的影响使得飞行更加困难,如何让无人机更安全、更稳定,这使得包裹递送、食品配送和环境监测等应用更加可行,且更频繁。
在RMIT的工业风洞设施中进行的研究——这是澳大利亚同类设施中规模最大的之一——首次精确测量了红隼在盘旋飞行过程中头部的稳定性,发现其在捕猎行为中头部移动幅度小于5毫米。
“‘通常,飞机通过襟翼运动来稳定飞行,以实现飞行过程中的稳定性,’”RMIT的首席研究员Abdulghani Mohamed博士表示。
“‘我们多年来的研究结果表明,猛禽更多地依赖于表面积的变化,这一点至关重要,因为它也可能是固定翼飞机实现稳定飞行的一种更有效的方式。’”
红隼和其他猛禽在捕猎过程中能够保持头部和身体极其稳定。这种特殊的飞行行为被称为风悬停,它允许鸟类在合适的风力条件下“悬挂”在原地,而无需拍打翅膀。通过微调翅膀和尾巴的形状,它们可以达到惊人的稳定性。
得益于相机和运动捕捉技术的进步,研究团队能够以高分辨率观察到由Leigh Valley Hawk and Owl Sanctuary训练的两只红隼。
这些鸟类被安装了反光标记,研究团队首次详细追踪了它们在非拍打飞行过程中的精确动作和飞行控制技术。
"先前的研究涉及鸟类在风洞中的湍流和阵风中随意飞行;在我们的研究中,我们追踪了一种独特的风悬停飞行行为,即鸟类在积极保持极度稳定性的同时,使我们能够研究不拍打翅膀的纯控制响应,”Mohamed博士说。
通过绘制这些动作,研究人员获得了可用于实现固定翼飞机更稳定飞行的见解。
"我们在红隼中观察到的风悬停行为是鸟类世界中与固定翼飞机最接近的表现,”Mohamed博士补充道。
"我们围绕机翼表面积变化的研究结果可以应用于无人机变形机翼的设计中,增强其稳定性,使其在恶劣天气下更加安全。"
布里斯托大学生物启发空气动力学副教授兼联合作者Shane Windsor博士表示,当前固定翼无人驾驶飞行器(UAV)的实用性因其无法在阵风条件下运行而大大降低。
"在英国,UAV被用于向偏远岛屿递送邮件,但由于经常出现的阵风条件,它们的运行时间受到限制。
"目前的商业固定翼飞机必须设计成一种固定的几何形状,并优化以在一种飞行条件下运行。
"变形机翼的优势在于它们可以在整个飞行过程中不断优化以适应各种条件,使飞机更具机动性和效率。"
研究团队现在计划进一步研究在阵风和湍流条件下鸟类的行为,以期在稳定飞行方面获得更多学习成果,从而使无人机能够更安全、更频繁地运行。
虽然研究最初聚焦于较小的飞行器,但研究团队希望简化收集到的数据,以便将其适应于更大规模的飞机。