大黄蜂在非定常风中通过结合主动与被动模式最小化控制挑战
生物物理
2016-03-03 v2
摘要
飞行昆虫遇到的自然风环境是非定常且高度复杂的，带来了显著的飞行控制与稳定性挑战。非定常气流的范围可从物体尾流中脱落的离散涡旋的有结构链到完全发展的混沌湍流。理解昆虫在自然环境安全导航所采用的飞行控制策略至关重要。我们结合自由飞行大黄蜂实验与高保真数值模拟及低阶建模，以识别在非定常风中调节昆虫飞行的显著力学机制。我们训练大黄蜂在风洞中稳态风和在圆柱尾流形成的冯·卡门涡街(23Hz)中逆风飞向人工花。与稳态风相比，大黄蜂在非定常涡街中表现出显著更高的运动。相关分析揭示，在较低频率（小于10 Hz）下，无论在稳态还是非定常风中，大黄蜂通过身体横滚（典型选摆运动）调节横向运动。在非定常风较高频率下，身体横滚与横向加速度呈负相关。类似条件下的大黄蜂数值模拟分离了飞行轨迹的被动与主动分量。自由飞行与数值大黄蜂的比较揭示了一种新机制，使大黄蜂能在低频进行主动机动和修正的同时被动承受高频扰动。在不同时间尺度结合被动与主动模式维持稳定性的能力，为飞行动物和机器应对复杂气流带来的控制挑战提供了可行手段。
引用
@article{arxiv.1603.00221,
title = {Bumblebees minimize control challenges by combining active and passive modes in unsteady winds},
author = {Sridhar Ravi and Dmitry Kolomenskiy and Thomas Engels and Kai Schneider and Chun Wang and Joern Sesterhenn and Hao Liu},
journal= {arXiv preprint arXiv:1603.00221},
year = {2016}
}