空地兩用機(jī)器人發(fā)展的背景與意義

康瑤+劉動(dòng)+謝孟喆+何卓林

摘 要：各種越障機(jī)器人已經(jīng)研究很久，越障機(jī)器人有了長足的發(fā)展，但是，越障機(jī)器人受到輪子直徑或者外伸機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的限制，所能越過的障礙只是一般的地面的凸起物和一些體積比較小的瓦礫等障礙物，障礙物共同點(diǎn)是上下高度落差不大，否則，機(jī)器人就無法實(shí)現(xiàn)越障，機(jī)器人的通行受到限制?？盏貎捎脵C(jī)器人很好的解決了這個(gè)問題，能在大的高度落差情況下實(shí)現(xiàn)越障。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；越障；空地兩用；旋翼

現(xiàn)在主流地面機(jī)器人偵察系統(tǒng)主要可分輪式、履帶式和特殊行走機(jī)構(gòu)三類平臺(tái)，其中輪式結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)成熟、控制簡便、行進(jìn)速度和傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，為地面機(jī)器人最常采用的形式。然輪式機(jī)器人在安防巡邏和軍事偵察等領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角，是執(zhí)行外星球探測(cè)任務(wù)的種種著陸器的主要類型。輪式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于從微型到大型的多種規(guī)格的機(jī)器人，又可分為兩輪、三輪、四輪和多輪等結(jié)構(gòu)，履帶式結(jié)構(gòu)有很好的越障和在復(fù)雜惡劣地面上保持機(jī)動(dòng)性的能力，且具備良好的承載能力，因而成為軍用地面機(jī)器人常采用的形式之一，多用于排爆、巡邏和輔助作戰(zhàn)等重要方面。履帶式結(jié)構(gòu)多見于中小型機(jī)器人，有單節(jié)、雙節(jié)、多節(jié)和多種特殊結(jié)構(gòu)。

此外，地面機(jī)器人還有腿式、輪腿式等特殊結(jié)構(gòu)。腿式機(jī)器人對(duì)各種地形的適應(yīng)性比較強(qiáng)，穩(wěn)定性較高，然而機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法都相當(dāng)復(fù)雜，且仿生腿機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性較自然界的節(jié)肢動(dòng)物有較大差距。但因其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，腿式機(jī)器人仍然是未來機(jī)器人的一個(gè)重要研究方向；輪腿式機(jī)器人多為輪式機(jī)器人的變型，在機(jī)械結(jié)構(gòu)變化不太大的情況下顯著提高了其越障能力，但機(jī)器人穩(wěn)定性比較差，且控制相對(duì)與普通輪式機(jī)器人更復(fù)雜。

無人機(jī)偵察系統(tǒng)包括固定翼、旋翼和涵道等多種形式。其中固定翼無人機(jī)巡航具有速度較快，滯空時(shí)間較長，可用載荷大，是如今優(yōu)先發(fā)展的無人機(jī)系統(tǒng)，如今固定翼無人機(jī)已經(jīng)涵蓋從大型長航時(shí)無人機(jī)到小型拋投式無人機(jī)的多種型號(hào)，無人機(jī)在戰(zhàn)場上得到了充分的應(yīng)用。相比較固定翼無人機(jī)，旋翼式無人機(jī)體積比較小，隱蔽性較強(qiáng)，對(duì)起降條件要求低，便于操作，能夠在不便于固定翼無人機(jī)應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境中取得良好的使用效果，在當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)偵察中具有不可替代的地位。涵道式無人機(jī)也可看做旋翼式無人機(jī)的特別加強(qiáng)版，除了結(jié)構(gòu)緊湊，速度快等優(yōu)點(diǎn)以外還具有噪音低、隱蔽性好，可以在復(fù)雜情況中發(fā)揮靈活機(jī)動(dòng)等突出特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，世界各國的城市化進(jìn)程正在加速推進(jìn)。城市，尤其是大中型城市的軍事經(jīng)濟(jì)地位越來越重要，其已經(jīng)成為當(dāng)前各種軍事活動(dòng)的重要爭奪目標(biāo)，城市作戰(zhàn)已經(jīng)逐漸演變成一種新的軍事行動(dòng)樣式。

城區(qū)中心和室內(nèi)環(huán)境下的作戰(zhàn)樣式，即巷戰(zhàn)，是現(xiàn)代陸軍的重要作戰(zhàn)樣式之一，也是陸軍作戰(zhàn)的難點(diǎn)重點(diǎn)，城區(qū)具有非常復(fù)雜的地理環(huán)境，除了城市所在地域的地形特點(diǎn)外，作為城市作戰(zhàn)的主戰(zhàn)場，城市具有地理環(huán)境復(fù)雜的特征 .除了城市所在地域的地形特點(diǎn)外，城市環(huán)境還具有下列明顯特征：建筑物密集、高大、堅(jiān)固，空間小，只能沿縱橫交錯(cuò)的道路行動(dòng)；地下工程設(shè)施多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立體環(huán)境復(fù)雜；人口密度。城區(qū)環(huán)境的特點(diǎn)使得偵察任務(wù)舉步維艱，且異常危險(xiǎn)，而無人系統(tǒng)由其零傷亡、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和隱蔽性好等特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的偵察方式有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。小型陸空兩棲機(jī)器人，由單人操作，在城區(qū)環(huán)境下工作時(shí)，能以地面移動(dòng)模式長時(shí)間伴隨部隊(duì)，進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行偵察，而在遇到樓梯、高臺(tái)等障礙時(shí)，可以以飛行模式越過障礙繼續(xù)任務(wù)，或者在部隊(duì)急需大范圍快速偵察時(shí)，以飛行模式在短時(shí)間內(nèi)代替無人機(jī)，以滿足大范圍部署、快速偵察的要求，做為介于地面機(jī)器人和無人機(jī)之間的“多面手”，填補(bǔ)現(xiàn)有機(jī)器人體系的不足。

空地兩用機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展一段時(shí)間，比較具有代表性的有以下幾種。

HyTAQ Robot（Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor，陸空兩棲四旋翼機(jī)器人），由伊利諾理工大學(xué)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制，是一種創(chuàng)新的，可以在空中和地面移動(dòng)的機(jī)器人?？罩幸苿?dòng)由四旋翼完成，而通過安裝一個(gè)籠罩，便可以在地面上滾動(dòng)。外層的籠罩除了起到陸行輪子的作用外，還有保護(hù)內(nèi)部旋翼的作用。籠罩的材質(zhì)是聚碳酸酯與碳素纖維的聚合體，其通過一個(gè)主軸與內(nèi)部的四旋翼相連。在地面移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人僅需克服滾動(dòng)阻力，因而較空中飛行時(shí)消耗的能量大大減少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人在地面模式下可以運(yùn)行 27 分鐘，移動(dòng)約 2400 米的距離而在飛行模式下則分別僅為 5 分鐘，航程約 600 米。機(jī)器人尺寸為 24×21.5×21.5mm，搭載一個(gè)微型攝像頭。HyTAQ 機(jī)器人充分利用了現(xiàn)有的四旋翼技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，然而其在地面移動(dòng)時(shí)存在著操作困難，無法精確移動(dòng)的問題，嚴(yán)重影響地面移動(dòng)性能

Hybrid Land-Air Robot此機(jī)器人由明尼蘇達(dá)大學(xué)的機(jī)器人研究所于 2009 年研制，能實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)和空中移動(dòng)，并且可以垂直起降。機(jī)器人本體是該研究所成熟的啞鈴型機(jī)器人，通過巧妙的把一組共軸雙旋翼安裝在機(jī)器人一端，就構(gòu)成了這臺(tái)兩棲機(jī)器人。地面移動(dòng)時(shí)，旋翼軸向的折疊在啞鈴型機(jī)器人中間，需要起飛時(shí)，機(jī)器人升出一個(gè)支架將其支起到豎直，電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)利用離心力先后將上下將兩片旋翼、四個(gè)槳葉甩開，加大旋翼轉(zhuǎn)速即可起飛。2011 年，研究人員進(jìn)一步改進(jìn)了設(shè)計(jì)，將共軸雙旋翼改為主旋翼-尾槳結(jié)構(gòu)，從而簡化了結(jié)構(gòu)，提升了飛行性能。2011 年版的 Hybrid Robot 地面模式下的尺寸為 259×90×205mm，飛行模式下旋翼直徑為 468mm，高 278mm，機(jī)器人全重 433 克，升力-質(zhì)量比為 1.35。論文中沒有提及此機(jī)器人的其他能力，不過由于此項(xiàng)目是由美國軍出資的，可以預(yù)期未來會(huì)有實(shí)用型號(hào)出現(xiàn)。

此外，微小型陸空兩棲機(jī)器人還有多種形式。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院所屬的智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陸兩用勘探機(jī)器人） ，為飛翼-翼腿式結(jié)構(gòu)[26]。Richard J. Bachmann 和 Frank J.Boria 等人研制的“MMALV”（Morphing Micro Air-Land Vehicle，變形微小型陸空機(jī)器人），為飛翼-輪腿式結(jié)構(gòu)。也有學(xué)者在研究撲翼-輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，但尚未成熟。

未來無人機(jī)將更趨向于小型化、安全化、智能化、速度可控化、集群化等特點(diǎn)

參考文獻(xiàn)

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