Biomimetic

Το Perching Project του Πανεπιστημίου του Stanford έχει σαν σκοπό τον σχεδιασμό ενός τηλεκατευθυνόμενο εναέριου ρομποτικού οχήματος που θα είναι σε θέση να πλοηγείται σαν αεροπλάνο και να προσγειώνεται σε μία κάθετη επιφάνεια. Το ρομπότ χρησιμοποιώντας ένα αποστασιόμετρο καθορίζει πόσο μακριά από έναν τοίχο βρίσκεται και καθώς τον πλησιάζει αλλάζει αυτόματα την κλίση του, ώστε το σώμα του να πάρει θέση παράλληλη με το επίπεδο του τοίχου. Στην συνέχεια με κατάλληλα διαμορφωμένα πόδια (αντί για ρόδες) έχει την δυνατότητα να γαντζώνεται στις επιφάνειες με ασφάλεια και να παραμένει εκεί. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του ρομπότ αυτού είναι και η δυνατότητα που έχει να απογειώνεται από την κάθετη θέση που βρίσκεται σε έναν τοίχο. Το ρομπότ αυτό αντιγράφει πλήρως τους μηχανισμούς που χρησιμοποιούν τα έντομα για την προσγείωση τους στους τοίχους και μπορεί να βρει αμέτρητες εφαρμογές σε περιοχές διάσωσης όπου δεν υπάρχουν οι κλασικοί χώροι και προσγείωσης και απογείωσης.

Το ρομπότ-νυχτερίδα, είναι ένα ρομπότ που έχει αναπτυχθεί από ερευνητές στο πανεπιστήμιο της North Carolina και αποτελεί ένα ιδιαίτερα μικρό και ελαφρύ κατασκεύασμα. Οι περισσότερες εφαρμογές του επικεντρώνονται στον τομέα της επιτήρησης, όπως για παράδειγμα στην αναζήτηση θυμάτων ή επιζώντων μετά από μία σύγκρουση, κατολίσθηση, σεισμό κτλ. Το σύνολο του σκελετού του ρομπότ ζυγίζει μόνο μόλις 6 γραμμάρια και αποτελεί έναν πραγματικό σχέδιο μίας νυχτερίδας με χόνδρους, τένοντες, και οστά που μπορεί να εκτελέσει μια ποικιλία χειρισμών. Για να επιτευχθεί αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν διάφορα έξυπνα υλικά όπως αυτά από Shape Memory Alloy, που είναι αρκετά ελαστικά και έχουν την δυνατότητα να αλλάζουν το μέγεθος τους όταν εφαρμόζεται σε αυτά ένα ρεύμα και έχουν το μέγεθος μίας ανθρώπινης τρίχας.

The Perching Project Robot

    Robot-Bat 

Tο SmartBird είναι ένα υπέρ ελαφρύ μοντέλο πτήσης με εξαιρετικές αεροδυναμικές ιδιότητες και εξαιρετική ευκινησία. To SmartBird έχει σχεδιαστεί από τους μηχανικούς της FESTO και βασίζεται σε έρευνα που στοχεύει την αυτόνομη πτήση πουλιών, ένα από τα παλαιότερα όνειρα της ανθρωπότητας. Το ρομπότ, είναι βασισμένο από το πουλί ασημό-γλάρο, βασίζει την πτήση του στα φτερά που μπορεί να τα κινεί πάνω και κάτω, καθώς επίσης και να τα περιστρέψει σε μικρές γωνίες. Το μοντέλο καταναλώνει πολύ μικρή ενέργεια λόγο της πολύ ελαφριάς κατασκευής και των υλικών που χρησιμοποιούνται.

  FESTO- Smart Bird 

Τo ROBO-BEE  είναι η πρώτη επιτυχημένη προσπάθεια για την κατασκευή ενός μικροσκοπικού αυτόνομου εναέριου ρομπότ, το οποίο αναπτύχθηκε από το εργαστήριο μικρό-ρομποτικής του Harvard. Το ρομπότ αυτό έχει την δυνατότητα να αιωρείται να προσγειώνεται σε τοίχους και ταβάνια και να εκτελεί εντυπωσιακές μανούβρες. Ο μηχανισμός πλοήγησης είναι παρόμοιος με αυτόν μίας μέλισσας, όσον αφορά την κίνηση των φτερών του. Ο σχεδιασμός των φτερών του αποδεικνύει ότι μπορεί να προξενήσει την απαραίτητη ώθηση για να σηκώσει το βάρος του, το κόστος κατασκευής είναι πολύ μικρό, ενώ ένας στόλος από παρόμοια ρομποτικά οχήματα, μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα πλήθος εφαρμογών εύρεσης και διάσωσης.

 ROBO-BEE 

Το Morphing Micro Air and Landing ρομποτικό όχημα είναι ένα υβριδικό εναέριο / επίγειο όχημα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια αυτόνομη και απομακρυσμένη πλατφόρμα αισθητήρων. Ο σκοπός αυτού του οχήματος είναι να χρησιμεύσει ως μια συσκευή που μπορεί να πετάξει σε επικίνδυνα / εχθρικά περιβάλλοντα, με σκοπό την διερεύνηση, την συλλογή και την αποστολή πληροφοριών σε ένα κέντρο ελέγχου. Το ρομπότ αυτό συνδυάζει την Whegs ™ επίγεια τεχνολογία μετακίνησης αναπτυχθεί και έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο Βιολογικής Εμπνευσμένης Ρομποτικής του Πανεπιστημίου Case Western Reserve. Αυτά τα ρομποτικά οχήματα, έχουν μία άτρακτο που κατασκευάζεται από ίνες άνθρακα με ευέλικτες πτέρυγες και ύφασμα στις επιφάνειες ελέγχου. Η ευελιξία στα φτερά ύφασμα του επιτρέπει να έχει μία σημαντική αεροδυναμική ευστάθεια στο οχήματος κατά τη διάρκεια της πτήσης, καθώς και απέναντι σε έντονες ριπές ανέμου.

 Morphing Micro Air and Land Vehicle 

Το μηχανοτρονικό ιπτάμενο έντομο, έχει αναπτυχθεί στο Πανεπιστήμιο του Berkeley και είναι σχεδιασμένο με βάση βιομιμητικές αρχές, με σκοπό να αντιγράψει τα εξαιρετικά χαρακτηρίστηκα της πτήσης των μυγών. Η υψηλή του απόδοση, βασίζεται στις μεγάλες δυνάμεις που μπορεί να εξασκήσει (όπως ακριβώς και στην περίπτωση στις μύγες), καθώς επίσης και σε ένα πολύπλοκο σύστημα ελέγχου, βασισμένο σε οπτική ανάδραση, αδρανειακούς αισθητήρες και πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές.

Micromechanical Flying Insect 

Το ιπτάμενο ρομπότ DelFly-ΙΙ ζυγίζει μόνο 3 γραμμάρια και έχει διαστάσεις 10 cm από άκρη της φτερούγας σε άκρη της φτερούγας. Το ρομπότ αυτό, είναι πολύ χρήσιμο για την πρόοδο της επιστήμης, μιας και ολοκληρώνει αρχές από τον τομέα της μηχανικής, της αεροδυναμικής, της ηλεκτρονικής και του ελέγχου. Η λειτουργία του βασίζεται σε αρχές της τεχνητής όρασης και της τεχνητής νοημοσύνης.

DELFLY-II 

Το Ornithopter, είναι ένα ιπτάμενο ρομποτικό όχημα, που μιμείται την πτήση των πουλιών και έχει κατασκευαστεί από ρομποτιστές στο Πανεπιστήμιο του Cornell, στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το ιπτάμενο αυτό ρομπότ, έχει κατασκευαστεί με τεχνικές 3D εκτύπωσης, Το πιο μεγάλο τεχνολογικό επίτευγμα ήταν η κατασκευή των φτερών, μιας και αυτά θα έπρεπε να είναι πολύ ευέλικτά, ελαφριά αλλά και ισχυρά ώστε να μπορούν να αντέξουν τον γρήγορο κυματισμό και τις τυχόν παραμορφώσεις.

ORNITHOPTER

Rotorcraft

Τα Rotorcraft UAVs αποτελούν έναν από τους πλέον σημαντικούς τύπου μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Η ικανότητα τους να εκτελούν στάσιμη αιώρηση και κάθετη απογείωση/προσγείωση τα καθιστά μια ιδανική πλατφόρμα για ένα μεγάλο σύνολο αποστολών και ιδιαίτερα για αποστολές αναγνώρισης και κατόπτευσης. Τα Rotorcraft UAVs αποτελούν από τα πλέον πολύπλοκα συστήματα. Συγκεκριμένα όλα τα rotorcraft UAVs ανήκουν στην κατηγορία των Underactuated συστημάτων και για αυτό εκ φύσεως δεν είναι ευσταθή. Ως εκ τούτου η ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου αυτών των συστημάτων με τρόπο ακριβή και σθεναρό στις διαταραχές του περιβάλλοντος αποτελεί μια ιδιαίτερη πρόκληση σε συνδυασμό με τη μελέτη των πιθανόν διαφορετικών περιπτώσεων rotorcraft UAVs και τα διαφορετικά αεροδυναμικά χαρακτηριστικά που αυτά παρουσιάζουν.

Rotorcraft UAVs

Ως προς τους διαφορετικές περιπτώσεις rotorcraft UAVs ξεχωρίζουμε τα παρακάτω:

1. Helicopter UAVs   , δηλαδή συστήματα που παρομοιάζουν τα κλασσικά ελικόπτερα. Η κίνηση αυτών των συστημάτων βασίζεται στον ιδιαίτερα πολύπλοκο μηχανισμό του Swash-Plate που ελέγχει την Pitch γωνία κάθε έλικας καθώς και στο ουραίο στροφείο τα οποίο προστίθεται για λόγους ευστάθειας και καλύτερης οδήγησης του συνολικού συστήματος. Ένα από τα πολύ γνωστά συστήματα συμβατικών UAV ελικοπτέρων αποτελεί το RMAX της Yamaha το οποίο και έχει βρει πλατιά εφαρμογή.
2. Quadrotor UAVs, μια κατηγορία rotorcrafts που εκτελούν όλες τις κινήσεις τους στα πλαίσια του διαφορετικού αριθμού στροφών μεταξύ τεσσάρων συμμετρικά τοποθετημένων κινητήρων. Αποτελούν τον τύπο εκείνο συστημάτων που έχουν βρει την πιο εκρηκτική εφαρμογή τόσο σε ερευνητικό όσο και σε επίπεδο εφαρμογών τα τελευταία χρόνια λόγω της μηχανικής τους απλότητας σε συνδυασμό με τα ιδιαίτερα αεροδυναμικά και δυναμικά τους χαρακτηριστικά.

Helicopter UAV

Το πλέον γνωστό ελικόπτερο τύπου quadrotor είναι το Hummingbird της Ascending Technologies. Το UAV αυτό παρουσιάζει εξαιρετικά αποδοτικά χαρακτηριστικά ελέγχου ενώ παράλληλα δίνεται η δυνατότητα στο σύστημα να προστεθούν νέα modules αισθητήρων και να προγραμματιστούν νέες ρουτίνες σε επεξεργαστές υψηλών δυνατοτήτων. Για τους παραπάνω βασικούς λόγους, κορυφαία πανεπιστήμια όπως το ETH Zurich , το University of Pennsylvania και το University of Minessota χρησιμοποιούν αυτό τον τύπο quadrotors και έχουν αποδεδειγμένα καταγάγει εκπληκτικά αποτελέσματα. Ενδεικτική αναφορά στα αποτελέσματα της έρευνας που διεξάγεται στο ETHZ μπορεί να αναδείξει τις επιτυχίες αυτής της πλατφόρμας. Ως επιδείξεις της απόδοσης των ελεγκτών τα εργαστήρια του Πανεπιστημίου παρουσιάζουν Quadrotors που διέρχονται ανάμεσα σε παράθυρα και εκτελούν ελιγμούς στον αέρα.

Quadrotor της εταιρίας Ascending Technologies στους χώρους των εργαστηρίων του ETH Zurich. Εδώ παίζει τα Χριστουγεννιάτικα κάλαντα!

Quadrotors της εταιρίας Ascending Technologies στους χώρους των εργαστηρίων του ETH Zurich καθώς εκτελούν συνεργατική πτήση

Quadrotors της εταιρίες Ascending Technologies στους χώρους των εργαστηρίων του University of Pennsylvania καθώς εκτελούν απότομους ελιγμούς ακριβείας

1. Coaxial UAVs, μια κατηγορία rotorcrafts που παρομοιάζει ιδιαίτερα τον κλασσικό τύπο ελικοπτέρου αλλά με τη διαφορά ότι χρησιμοποιεί ομοαξονικούς αντίρροπα στρεφόμενους ρότορες για την ανάπτυξη ιδιαίτερα σημαντικών χαρακτηριστικών ευστάθειας και αντοχής σε διαταραχές. Μια από τις πλέον χαρακτηριστικές περιπτώσεις Coaxial συστημάτων αποτελεί το COAX της εταιρίας Skybotix. Το σύστημα αυτό είναι ιδιαίτερα μικρό αλλά αποτελεί ένα πλήρως αυτόνομο σύστημα με ικανότητα πλήρους πλοήγησης εντός εσωτερικών χώρων παρά την αδυναμία λήψης GPS δεδομένων θέσης. Τις δυνατότητες αυτές τις αντλεί από ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον σύστημα συνδυασμού αδρανειακών μετρήσεων και οπτικής αναγνώρισης της θέσης μέσω αλγορίθμων Οπτικής Ροής.

Το COAX-3 της εταιρίας Skybotix, Spin-Off του Autonomoys Systems Lab – ETH Zurich

Fixed wing

Τα Fixed-Wing UAVs αποτελούν τον πλέον κλασσικό τύπο μη επανδρωμένων αεροσκαφών, τον τύπο δηλαδή των αεροπλάνων σταθερών πτερυγίων. Τα UAVs αυτά πλοηγούνται ακριβώς όπως τα επανδρωμένα αεροπλάνα, ενίοτε και με βάση κάποιες απλοποιήσεις κυρίως ως προς το σύστημα των πτερυγίων ελέγχου τις pitch γωνίες του αεροσκάφους. Υπάρχουν αμέτρητες σχεδιάσεις, με την κάθε μία να ικανοποιεί μια διαφορετική αντίληψη που μπορεί να δίνει βάρος στην απλότητα, την ευστάθεια ή στα ιδιαίτερα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά για την εκτέλεση ελιγμών ή για μεγάλη διάρκεια πτήσης.

Το Predator αποτελεί το σκάφος εκείνο που έχει βρει την πιο πλατιά εφαρμογή σε δύσκολες και απαιτητικές εφαρμογές καθώς ξεκίνησε ως ένα UAV για την πολεμική αεροπορία των ΗΠΑ (USAF). Σήμερα, το Predator έχει βρει εφαρμογή σε ένα πλατύ σύνολο πολιτικών εφαρμογών κυρίως ως προς την σταθερή επιθεώρηση και αναγνώριση στόχων σε μεγάλες περιοχές και όπου η διάρκεια πτήσης και το υψηλό ωφέλιμο φορτίο αποτελεί καθοριστικό παράγοντα.

Predator UAV

Το Skywalker κινείται στον αντίποδα της λογικής του Predator όντας ένα ιδιαίτερα μικρό, ελαφρύ, χαμηλού κόστος σύστημα. Αποτελεί ιδανική πλατφόρμα για μια πρωταρχική έρευνα σε Fixed-Wing UAVs καθότι παρουσιάζει ιδιαίτερα ομαλά πτητικά χαρακτηριστικά και σχετικά ικανό ωφέλιμο φορτίο.

Skywalker UAV

Blimp

Τα Blimp UAVs αποτελούν τον πιο απλό σε επίπεδο δυναμικού ελέγχου τύπο μη επανδρωμένου αεροσκάφους. Ως ερευνητική και τεχνολογική πρόκληση το σύνολο σχεδόν των προβλημάτων τους έχουν επιλυθεί. Παρά την απλότητα τους τα συστήματα αυτά έχουν ιδιαίτερη χρησιμότητα σε εφαρμογές επιθεώρησης μεγάλων περιοχών και ως κόμβοι επικοινωνίας μεταξύ άλλων UAVs ή του σταθμού εδάφους. Η πιο χαρακτηριστική περίπτωση τέτοιου συστήματος είναι η αυτό που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια του COMETS ICT Project, το οποίο και απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα.

Blimp UAV

VSTOL

Τα συστήματα αυτά αποτελούν μια νέα προσέγγιση στο χώρο των μη επανδρωμένων συστημάτων. Αντλούν την καταγωγή τους από πολύ συγκεκριμένες σχεδιάσεις που ξεκίνησαν στον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο προφανώς για επανδρωμένα συστήματα ενώ το αεροσκάφος που τα έκανε ιδιαίτερα γνωστά είναι το Boeing V-22 Osprey. Τα συστήματα αυτά μπορούν και πετάνε τόσο σε διάταξη πτήσης ελικοπτέρου όσο και σε διάταξη πτήσης αεροπλάνου σταθερών πτερυγίων στα πλαίσια ενός ιδιαίτερου σερβομηχανισμού που περιστρέφει τους ρότορες. Κατά αυτή την έννοια εκμεταλλεύονται τον φάκελο πτήσης τόσο των ελικοπτέρων όσο και των αεροπλάνων (Cognitive Flight Envelope) παρουσιάζοντας μέρος των βασικών πλεονεκτημάτων και των δύο αυτών κατηγοριών. Μπορούν δηλαδή τόσο να πετάνε ως αεροπλάνα και να παρουσιάζουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ταχύτητας και μεγάλης διάρκειας πτήσης όσο και ως ελικόπτερα εκτελώντας στάσιμη αιώρηση, απότομους ελιγμούς και φυσικά κάθετη απογείωση και προσγείωση.

Υποκατηγορία αυτών των συστημάτων αποτελούν τα Tilt-Rotors με δύο κινητήρες και τα Tilting Quadrotors. Τα τελευταία βρίσκονται σε καθαρά ερευνητικό επίπεδο και σε προσπάθεια πρώτων δοκιμών ενώ ως προς τα Tilt-Rotors έχουν εμφανιστεί ορισμένα κυρίως μεγάλου μεγέθους και πολύ υψηλού κόστους όπως το Bell TR918 που παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα.

Tilt Rotor BELL TR918