Natural flyers use soft wings to seamlessly enable a wide range of flight behaviours, including agile manoeuvres, squeezing through narrow passageways, and withstanding collisions. In contrast, conventional quadrotor designs rely on rigid frames that support agile flight but inherently limit collision resilience and squeezability, thereby constraining flight capabilities in cluttered environments. Inspired by the anisotropic stiffness and distributed mass-energy structures observed in biological organisms, we introduce FlexiQuad, a soft-frame quadrotor design approach that limits this trade-off. We demonstrate a 405-gram FlexiQuad prototype, three orders of magnitude more compliant than conventional quadrotors, yet capable of acrobatic manoeuvres with peak speeds above 80 km/h and linear and angular accelerations exceeding 3 g and 300 rad/s$^2$, respectively. Analysis demonstrates it can replicate accelerations of rigid counterparts up to a thrust-to-weight ratio of 8. Simultaneously, FlexiQuad exhibits fourfold higher collision resilience, surviving frontal impacts at 5 m/s without damage and reducing destabilising forces in glancing collisions by a factor of 39. Its frame can fully compress, enabling flight through gaps as narrow as 70% of its nominal width. Our analysis identifies an optimal structural softness range, from 0.006 to 0.77 N/mm, comparable to that of natural flyers' wings, whereby agility, squeezability, and collision resilience are jointly achieved for FlexiQuad models from 20 to 3000 grams. FlexiQuad expands hovering drone capabilities in complex environments, enabling robust physical interactions without compromising flight performance.


翻译:自然界中的飞行生物利用柔性翅膀无缝实现多种飞行行为,包括敏捷机动、穿越狭窄通道以及承受碰撞。相比之下,传统四旋翼飞行器设计依赖刚性框架,虽支持敏捷飞行,但本质上限制了碰撞恢复能力与可压缩性,从而制约了其在杂乱环境中的飞行能力。受生物体各向异性刚度与分布式质量-能量结构的启发,我们提出了FlexiQuad——一种软体框架四旋翼设计方法,以突破这一性能权衡。我们展示了一款重405克的FlexiQuad原型机,其柔顺度比传统四旋翼高三个数量级,但仍能完成峰值速度超过80公里/小时的特技机动,其线性和角加速度分别超过3 g和300 rad/s$^2$。分析表明,在推力重量比高达8的范围内,它能复现刚性机型的加速度。同时,FlexiQuad展现出四倍于传统设计的碰撞恢复能力,能以5米/秒的速度承受正面撞击而无损,并将掠射碰撞中的失稳力降低至1/39。其框架可完全压缩,实现穿越宽度仅为名义宽度70%的狭缝。我们的分析确定了一个最优结构柔度范围(0.006至0.77 N/mm),与自然飞行生物的翅膀柔度相当,使得20至3000克量级的FlexiQuad模型能同时实现敏捷性、可压缩性与碰撞恢复能力。FlexiQuad拓展了悬停无人机在复杂环境中的能力,在保持飞行性能的同时实现了鲁棒的物理交互。

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