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神奇的仿生：蜜蜂飛行模式能否啟發(fā)無(wú)人機(jī)飛控的創(chuàng)新？

2018-11-24 15:29 性質(zhì)：原創(chuàng) 作者：陳浩南 來(lái)源：無(wú)人機(jī)網(wǎng)
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  想必大家都有過(guò)這樣的經(jīng)歷吧：在公交車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)失去平衡，或者開(kāi)車在拐角速度太快時(shí)會(huì)感覺(jué)車輪打滑。其實(shí)，這就是離心力的作用。轉(zhuǎn)彎時(shí)，...

  想必大家都有過(guò)這樣的經(jīng)歷吧：在公交車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)失去平衡，或者開(kāi)車在拐角速度太快時(shí)會(huì)感覺(jué)車輪打滑。其實(shí)，這就是離心力的作用。轉(zhuǎn)彎時(shí)，產(chǎn)生的將物體拉離旋轉(zhuǎn)方向的力就是離心力，轉(zhuǎn)彎速度越快，轉(zhuǎn)彎越急，離心力就越大，物體就越容易失控。

  這就是為什么我們?cè)谵D(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)減速。而這樣的機(jī)制也在少數(shù)動(dòng)物身上有所發(fā)現(xiàn)。接下來(lái)，國(guó)外的教授將會(huì)在實(shí)驗(yàn)室用數(shù)學(xué)分析的方法來(lái)研究蜜蜂轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)制的原理，人類樂(lè)于在仿生中獲得創(chuàng)造的靈感，或許這次能啟發(fā)我們創(chuàng)造出更好的飛控系統(tǒng)。

  蜜蜂能在轉(zhuǎn)彎時(shí)保持恒定的離心力

  昆士蘭大學(xué)昆士蘭腦研究所的博士生Mahadeeswara Mandiyam和Srinivasan教授的研究使用了一個(gè)高速多攝像頭系統(tǒng)來(lái)捕捉在蜂巢外游蕩蜜蜂的視頻片段（實(shí)驗(yàn)時(shí)故意將蜂巢入口遮住），由此成群的蜜蜂就在蜂巢外面形成了一個(gè)“蜜蜂云”

  據(jù)了解，這種半戶外的“蜜蜂云”實(shí)驗(yàn)是同類中的第一個(gè)，相比于以前用于研究蜜蜂避免碰撞（避障）行為的實(shí)驗(yàn)更接近現(xiàn)實(shí)。

  數(shù)學(xué)分析高速視頻以研究單只蜜蜂在“蜜蜂云”中的飛行行為。

  Srinivasan教授和Mandiyam先生為了能夠更好地理解在不受離心力破壞的情況下，蜜蜂為保持所需飛行軌跡的復(fù)雜機(jī)動(dòng)。他們使用矢量微積分計(jì)算蜜蜂的速度，加速度和轉(zhuǎn)彎銳度，以研究蜜蜂在轉(zhuǎn)彎時(shí)如何保持控制。

  科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜜蜂在進(jìn)入轉(zhuǎn)彎時(shí)速度會(huì)降低，而在轉(zhuǎn)過(guò)彎后速度會(huì)增加。同時(shí)通過(guò)對(duì)其他動(dòng)物如果蠅，蝙蝠和馬的轉(zhuǎn)向行為的觀察，這也在數(shù)學(xué)上被證實(shí)了。

  值得注意的是，無(wú)論轉(zhuǎn)彎的銳度或蜜蜂行進(jìn)的速度如何，蜜蜂都能夠在轉(zhuǎn)彎時(shí)保持大致恒定的向心加速度，從而最大限度地減少離心力對(duì)其飛行路徑的影響（向心力將物體拉向轉(zhuǎn)彎中心，而離心力將物體推離中心）。

  蜜蜂通過(guò)減速保持恒定的離心力

  研究人員假設(shè)這種恒定的向心加速是蜜蜂積極努力減少“側(cè)滑”的結(jié)果，或者是為了減少過(guò)度的離心力（如公共汽車轉(zhuǎn)得太快而你摔倒）而失去控制的結(jié)果。

  那么，當(dāng)一只蜜蜂轉(zhuǎn)彎時(shí)，它會(huì)以適當(dāng)?shù)姆绞角擅畹亟档退乃俣?，使它所?jīng)歷的離心力始終保持不變。

  有趣的是，蜜蜂沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的偏好，這可能是動(dòng)物避免碰撞與眾不同的地方。

  研究人員還發(fā)現(xiàn)蜜蜂在轉(zhuǎn)彎和與其他蜜蜂緊密接觸時(shí)都能保持大致相同的加速度，這意味著蜜蜂的轉(zhuǎn)向動(dòng)力是相同的。

  研究人員現(xiàn)在正在探索蜜蜂用于近距離轉(zhuǎn)彎防撞的感官信息。

  蜜蜂的飛行模式啟發(fā)更好的飛控系統(tǒng)

  長(zhǎng)期以來(lái)，Srinivasan教授和他的實(shí)驗(yàn)室都對(duì)蜜蜂飛行模式感興趣。他們希望更好地了解蜜蜂的飛行行為，將其融入具有先進(jìn)飛行控制和導(dǎo)航能力的空中機(jī)器人和地面車輛中。

  Mandiyam先生說(shuō)：“我們的主要目標(biāo)是了解蜜蜂如何避免碰撞，這種機(jī)制可以用于機(jī)器人，也適用于飛機(jī)以及地面車輛。如果車輛需要通過(guò)一個(gè)急轉(zhuǎn)彎，它必須使離心力在一定的可控范圍內(nèi)，否則它可以在所謂的側(cè)滑中翻倒?！?

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