一種仿生機(jī)械鷹技術(shù)用于機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥(niǎo)工作的研究

雷方濤　官衛(wèi)波

【摘 要】本文通過(guò)研究、試驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作了一種仿生機(jī)械鷹，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)形式模擬鷹類(lèi)飛行姿態(tài)，并配備音頻鷹鳴聲和鳥(niǎo)類(lèi)哀鳴聲，設(shè)置于飛行區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)頻繁的區(qū)域，用于機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)類(lèi)恐嚇和驅(qū)趕，效果良好，為機(jī)場(chǎng)改善鳥(niǎo)擊防范措施，降低機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)擊次數(shù)，起到了一定的作用。

【關(guān)鍵詞】仿生機(jī)械鷹；機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥(niǎo)

0 引言

隨著航空業(yè)的不斷發(fā)展，各大機(jī)場(chǎng)航班量井噴式上升，航空運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)也因基數(shù)的增大而凸顯了出來(lái)。其中，航空器鳥(niǎo)擊風(fēng)險(xiǎn)就是其中一個(gè)棘手的問(wèn)題，成為了一個(gè)世界級(jí)難題。大家都知道，一個(gè)飛行的小鳥(niǎo)和高速的航空器和空中相撞，巨大的動(dòng)能對(duì)于航空器來(lái)說(shuō)是致命的損害，輕則損壞航空器零部件，重則可能引起機(jī)毀人忙。

通過(guò)分析鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)規(guī)律，機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)類(lèi)主要分為候鳥(niǎo)和留鳥(niǎo)。鳥(niǎo)種也因機(jī)場(chǎng)地理位置、所屬區(qū)域的不同，分布不一。以咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，飛行區(qū)主要鳥(niǎo)種為家燕、雉雞、灰喜鵲、灰椋鳥(niǎo)、白頭鵯 、紅隼等。鳥(niǎo)擊防范措施也是多管齊下，各顯其手，有煤氣炮、風(fēng)動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)儀的恐嚇，有獵槍的獵殺，農(nóng)藥、驅(qū)鳥(niǎo)劑的驅(qū)逐，還有鳥(niǎo)類(lèi)食源、棲息場(chǎng)所破壞等的生態(tài)驅(qū)鳥(niǎo)，激光驅(qū)鳥(niǎo)等。

通過(guò)分析機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)類(lèi)種群，發(fā)現(xiàn)鷹類(lèi)為大多數(shù)鳥(niǎo)類(lèi)的天敵。但作為機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)，引入鷹類(lèi)種群是不可取的，因?yàn)辁楊?lèi)屬于個(gè)體比較大的鳥(niǎo)群，本身就是一個(gè)很大的鳥(niǎo)擊防范源。所以，人為的制作仿生機(jī)械鷹也就應(yīng)運(yùn)而生。

1 仿生機(jī)械鷹

1.1 模型建立

1.2 原理設(shè)計(jì)

模型主要技術(shù)在于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿生鷹雙翼的上下運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械原理分析，能夠?qū)崿F(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)模式的機(jī)構(gòu)，均簡(jiǎn)單，便捷，一般常用的為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和凸輪—頂桿機(jī)構(gòu)。機(jī)場(chǎng)工作人員可以就地取材進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作。

如下機(jī)械原理示意圖。

1.3 設(shè)計(jì)分析

因圖3方案凸輪加工相對(duì)困難。本文就圖2曲柄連桿機(jī)構(gòu)做以下設(shè)計(jì)分析。

實(shí)際測(cè)量鷹類(lèi)種群個(gè)體大小，飛行體態(tài)。要求鷹翼活動(dòng)范圍為-20°—20°，鷹翼震動(dòng)頻率選擇30—40次/min為最終設(shè)計(jì)結(jié)果。

計(jì)算圖二平面機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n-2p1=9-8=1，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定。

選擇驅(qū)動(dòng)桿即曲柄長(zhǎng)為R=6cm，減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為30r/min。

按照四連桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件，以及仿生鷹模型大小，曲柄和機(jī)架固定點(diǎn)位置即為電機(jī)輸出點(diǎn)，搖桿和機(jī)架固定點(diǎn)即為鷹翼端。經(jīng)過(guò)圖解計(jì)算，選取連桿a=10cm，6=12cm，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（本文已完成了三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析，因篇幅原因，不做展示。）

設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程不做詳細(xì)寫(xiě)明，讀者可以直接引用數(shù)據(jù)和零部件結(jié)構(gòu)即可。

2 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)應(yīng)用

結(jié)合鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)空域，統(tǒng)計(jì)分析機(jī)場(chǎng)航空器鳥(niǎo)擊案例。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：航空器在進(jìn)近著落階段和起飛離場(chǎng)階段，發(fā)生鳥(niǎo)擊不安全時(shí)間的概率比較大。

圖4 機(jī)場(chǎng)仿生機(jī)械鷹安裝實(shí)例

目前仿生機(jī)械鷹因設(shè)計(jì)局限性，還是主要用于固定區(qū)域的鳥(niǎo)類(lèi)驅(qū)趕。設(shè)置固定樁，外接電源，實(shí)現(xiàn)功能。按照《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》MH5001-2013、《中國(guó)民用航空總局191號(hào)令》規(guī)定和要求，推薦機(jī)械鷹一般安裝于敏感區(qū)外圍、跑道端頭且跑道運(yùn)行安全距離外的位置（E類(lèi)為跑道中線(xiàn)75米以外，F(xiàn)類(lèi)為跑道中線(xiàn)105米以外），也方便仿生鷹的后期維護(hù)工作。各機(jī)場(chǎng)也可根據(jù)運(yùn)行實(shí)際情況合理安置，但機(jī)械鷹的安裝和布局不能影響機(jī)場(chǎng)正常的飛行活動(dòng)和引發(fā)其他不安全隱患。

目前，咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)、昆明機(jī)場(chǎng)等多個(gè)機(jī)場(chǎng)不同成度的使用了仿生機(jī)械鷹用來(lái)進(jìn)行驅(qū)鳥(niǎo)工作，利用鳥(niǎo)類(lèi)天敵鷹的飛行姿態(tài)，配合機(jī)場(chǎng)音頻驅(qū)鳥(niǎo)設(shè)備的恐嚇聲和鳥(niǎo)類(lèi)哀鳴聲，對(duì)驅(qū)鳥(niǎo)工作起到了一定的作用。

3 結(jié)論與提升改進(jìn)

此類(lèi)仿生機(jī)械鷹結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，價(jià)格低廉，實(shí)用可靠，是機(jī)場(chǎng)一種新穎的驅(qū)鳥(niǎo)措施。但是對(duì)于機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)類(lèi)而言，長(zhǎng)期在機(jī)場(chǎng)區(qū)域的棲息和生存，很快就會(huì)習(xí)以為然，產(chǎn)生一定會(huì)的免疫力，仿生機(jī)械鷹也就形同虛設(shè)。

鷹本身就是鳥(niǎo)類(lèi)的天敵，只因?yàn)槭侨嗽鞕C(jī)械的仿生模式，就降低了很大的效果。所以，仿生機(jī)械鷹應(yīng)該向著更形象、更先進(jìn)的方面發(fā)展。如繼續(xù)改進(jìn)結(jié)構(gòu)、降低質(zhì)量，并添加遙控裝置進(jìn)行航模設(shè)計(jì)，讓它有控制的飛以來(lái)，直接飛進(jìn)鳥(niǎo)群用恐嚇聲進(jìn)行驅(qū)鳥(niǎo)。既不影響機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)行，也能達(dá)到驅(qū)鳥(niǎo)效果，確實(shí)是一種很好的辦法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理第七版.北京：高等教育出版社，2006.5.

[2]朱龍根主編.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2001.5.

[3]杜白石主編.pro/Engineer三維機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程.西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.endprint