摘要：微型飛行機器人的結構設計通常模仿生物昆蟲，因為昆蟲是小型高效飛行的能手。這種撲翼微型飛行器 (FMAVs) 接近真實昆蟲的大小，一些蜜蜂大小的機器人表演令人印象深刻，它們可以起飛、懸停，甚至可以去游泳。然而，制造一個帶有扇動翅膀的小機器人，...

微型飛行機器人的結構設計通常模仿生物昆蟲，因為昆蟲是小型高效飛行的能手。這種撲翼微型飛行器 (FMAVs) 接近真實昆蟲的大小，一些蜜蜂大小的機器人表演令人印象深刻，它們可以起飛、懸停，甚至可以去游泳。然而，制造一個帶有扇動翅膀的小機器人，讓它能夠在空間內(nèi)自由運動并保持可控性，是一件棘手的事情，因為這需要極其復雜的機械傳輸和軟件設計。

（來源：UC Berkeley）

不難理解為什么仿生方法很受大家歡迎，因為昆蟲們有幾億年時間來解決他們在飛行時遇到的所有問題，而我們發(fā)現(xiàn)的基于螺旋槳的飛行系統(tǒng)并不能很好地縮減飛行器的尺寸。然而，還有另一種動物們還沒有想到的飛行方式，也就是電力推動，不像翅膀或螺旋槳，它不需要移動部件，只需要電力。

電流體動力（EHD）推進器，有時稱為離子推進器，利用高強度電場產(chǎn)生電離空氣等離子體。離子（主要是帶正電的氮分子）被吸引到帶負電的柵極，在這個過程中，它們撞擊中性空氣分子并給它們提供動量，這就是 EHD 推力的來源。

（來源：UC Berkeley）

這不是一個特別新的概念，這個現(xiàn)象在幾百年前就被人們發(fā)現(xiàn)了。曾經(jīng)有一段時間，人們認為它可能應用于有人駕駛的飛機上，但這需要一個超級大的發(fā)射器和集電極網(wǎng)格才能把一個人送上天空。

2003 年，一只名叫 Orville 的老鼠乘坐一架不可思議的大型 EHD 飛機實現(xiàn)了成功飛行，但據(jù)我們所知，這是迄今為止最大型的 EHD 動力飛機。將 EHD 技術應用于大飛行器上似乎遇到了瓶頸，轉變其應用方向，也許會使這項技術變得更加實用。

（來源：UC Berkeley）

這是目前正在加州大學伯克利分校研發(fā)的離子飛行器。它很小，僅有 2 厘米×2 厘米，重 30mg，加上 37mg 的慣性測量裝置。在小尺寸的情況下，沒有運動部件有一項優(yōu)點，因為你不必擔心將機械設備（如變速器）按比例縮小至何等規(guī)模，離子傳感器能夠在 0.35 mA 的電流下以 2,000 伏的輸入電壓對飛行器（包括 IMU 有效載荷在內(nèi)）進行起飛和懸停控制。

不可思議，對嗎？沒有活動部件，完全無聲，卻能實現(xiàn)飛行！大尺寸的 EHD 推進器可能是不切實際的，但實際上縮小尺寸會使 EHD 推進器發(fā)揮更好的作用，因為靜電力具有縮放不變性。這意味著較小的推進器具有更高的推重比，以及較低的電壓要求。在小尺寸下，離子傳感器相比于相同大小的撲翼微型飛行器具有一個優(yōu)勢，你可以設計一個以四旋翼飛行器為起點的控制器，因為離子傳感器使用四個類似配置的推進器。由于它沒有旋轉的螺旋槳，它不能利用角動量的變化來實現(xiàn)偏航，但事實證明“只要你有一點擺動的空間，快速，重復的俯仰，然后滾動”，可以導致偏航運動。

與我們所見過的其他微型飛行器一樣，現(xiàn)在最大的問題是我們是否可以實現(xiàn)有效載荷的自主運行控制。目前，離子傳感器攜帶的負載比它能承受的還要重，但此外它還需要 7 根外部電線來供電、數(shù)據(jù)傳輸和接地。加州大學伯克利分校的研究人員非常明確地表示，他們認為自主控制是可以實現(xiàn)的。

盡管最初的受控飛行演示肯定是在室內(nèi)實驗室環(huán)境下進行的，但我們設想未來的離子飛行器將是一個能夠在室外飛行的全自動機器人。要想實現(xiàn)全自動需要在許多相互依賴的領域上取得進展，包括：系統(tǒng)開發(fā)，以便納入更多的機載計算、控制和傳感電子；進一步對 EHD 執(zhí)行機構進行工程改進，在較低的工作電壓下提供更高的推力密度和效率；并進一步開發(fā)仿真環(huán)境和小型飛行規(guī)模的飛行測試設置，以開始開發(fā)更強大的具有高級功能的控制器。

研究人員認為，對于配備 IMU、控制 ASIC、驅動電路和光流傳感器的離子飛行器來說，100 毫克的有效載荷是合理的。光流傳感器可以僅在動力的情況下控制自主飛行。對小型電源的需求并不僅限于離子飛行器，它需要“結合高能量密度研究級電池”，這可能還不存在。此外，對執(zhí)行器性能上的改進也是很必要的。好消息是還有很多改進的空間，研究人員似乎樂觀地認為他們將能夠從 EHD 推進器的設計中激發(fā)更多的能量。

（來源：UC Berkeley）