微型無人機(jī)棲息設(shè)計(jì)技術(shù)綜述

張良陽，李占科，韓海洋

西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

微型無人機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空攝像［1］、電力巡檢［1］、地理測(cè)繪［2］、火情偵察［2］、橋梁檢測(cè)［3］等場(chǎng)景。但因其氣動(dòng)效率低、所攜帶的電池能源有限等，微型無人機(jī)的續(xù)航性能較差?？蒲腥藛T為了解決微型無人機(jī)續(xù)航較短的問題，對(duì)微型無人機(jī)進(jìn)行了基于不同棲息原理的棲息機(jī)構(gòu)和棲息方法研究，并得到一系列研究成果。本文主要對(duì)近年發(fā)展的微型無人機(jī)棲息原理、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和棲息方法進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)分析微型無人機(jī)棲息機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也對(duì)變體無人機(jī)在棲息方面進(jìn)行了研究和綜述，最后闡述了無人機(jī)棲息與抓取和爬壁之間的聯(lián)系。

1 微型無人機(jī)棲息原理

微型無人機(jī)主要靠棲息機(jī)構(gòu)棲息到目標(biāo)物體上，棲息機(jī)構(gòu)的作用原理也不盡相同。文獻(xiàn)［4］將爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)理主要分為4 大類，負(fù)壓吸附、磁吸附、抓扣式吸附和仿生吸附。本文則在此基礎(chǔ)上將微型無人機(jī)的棲息原理進(jìn)一步發(fā)展歸納為7 類，主要為：

1） 機(jī)械抓扣式：通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)使無人機(jī)完成主動(dòng)或被動(dòng)棲息。

2） 仿生機(jī)械抓扣式：以鳥類為原型設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)使無人機(jī)完成棲息。

3） 仿生針刺、微棘式：通過模仿生物剛毛而設(shè)計(jì)的微型針刺、微棘鉤刺到粗糙的表面來?xiàng)ⅰ?/p>

4） 負(fù)壓吸盤式：利用吸盤產(chǎn)生的負(fù)壓使無人機(jī)棲息到目標(biāo)物體上。

5） 螺旋槳式：利用旋翼電機(jī)產(chǎn)生的吸附力使無人機(jī)完成棲息。

6） 粘膠式：利用干膠產(chǎn)生的粘附力使無人機(jī)完成棲息。

7） 電磁式：利用強(qiáng)磁鐵或電磁器件產(chǎn)生的電磁力使無人機(jī)完成棲息。

通過將棲息過程分為棲息前、棲息中、棲息后3 個(gè)部分來分別闡述不同棲息機(jī)構(gòu)的原理。

1. 1 機(jī)械抓扣式、仿生機(jī)械抓扣式棲息過程

棲息前：無人機(jī)首先選擇目標(biāo)棲息物體，然后伺服電機(jī)打開機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)，使抓扣機(jī)構(gòu)保持張開狀態(tài)。

棲息中：無人機(jī)調(diào)整姿態(tài)，使抓扣機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)棲息物體，依靠自身重力完成被動(dòng)棲息或者通過自身動(dòng)力實(shí)現(xiàn)主動(dòng)棲息，抓扣機(jī)構(gòu)閉合的同時(shí)鎖死機(jī)構(gòu)，完成棲息。

棲息后：打開鎖死機(jī)構(gòu)，然后再打開抓扣機(jī)構(gòu)，調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 2 仿生針刺、微棘式棲息過程

棲息前：無人機(jī)首先選擇目標(biāo)棲息物體，然后探測(cè)物體表面。

棲息中：無人機(jī)調(diào)整姿態(tài)，降低水平和垂直速度，進(jìn)行超機(jī)動(dòng)掛壁，使針刺或微棘機(jī)構(gòu)鉤刺到壁面并將機(jī)構(gòu)鎖死，最后完成棲息。

棲息后：打開鎖死機(jī)構(gòu)，使針刺或微棘機(jī)構(gòu)回歸初始位置，調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 3 負(fù)壓吸盤式棲息過程

棲息前：無人機(jī)首先選擇目標(biāo)棲息物體，探測(cè)無人機(jī)到棲息物體表面的距離。

棲息中：無人機(jī)調(diào)整姿態(tài)，使負(fù)壓吸盤對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)棲息物體表面，操縱無人機(jī)撞擊目標(biāo)棲息物體表面，通過撞擊排出吸盤內(nèi)部空氣進(jìn)而形成負(fù)壓，同時(shí)將機(jī)構(gòu)鎖死，完成棲息。

棲息后：先對(duì)鎖死的機(jī)構(gòu)釋放，然后通過伺服電機(jī)打開吸盤一角，使空氣進(jìn)入吸盤解除負(fù)壓，調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 4 螺旋槳式棲息過程

棲息前：無人機(jī)首先選擇目標(biāo)棲息物體，然后對(duì)壁面探測(cè)并分析，為超機(jī)動(dòng)壁面吸附做準(zhǔn)備。

棲息中：無人機(jī)調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)行超機(jī)動(dòng)壁面吸附，通過旋翼產(chǎn)生的吸附力使無人機(jī)完成傾斜或垂直表面上的棲息。

棲息后：通過改變旋翼轉(zhuǎn)速或旋翼電機(jī)傾斜角調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)從傾斜或垂直表面分離，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 5 粘膠、電磁式棲息過程

棲息前：無人機(jī)首先選擇目標(biāo)棲息物體，電磁式機(jī)構(gòu)要對(duì)其充電、充磁。

棲息中：調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，使粘膠或電磁機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)棲息物體，操縱無人機(jī)對(duì)目標(biāo)棲息物表面撞擊，通過撞擊力使粘膠粘附到物體表面完成棲息并鎖死機(jī)構(gòu)，或電磁機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)物體的電磁與靜電力來吸附完成棲息。

棲息后：粘膠式則是打開鎖死機(jī)構(gòu)，消除切向力或伺服電機(jī)拉開粘膠墊與壁面，使無人機(jī)與棲息物體分離，電磁式則進(jìn)行消磁或斷電來使無人機(jī)與棲息物體分離，最后調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

不同棲息原理所對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)首先需要選擇目標(biāo)棲息物體，再對(duì)棲息物的表面探測(cè)，調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)使棲息機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)棲息物體，然后設(shè)定棲息軌跡操縱無人機(jī)靠近目標(biāo)棲息物體，借助棲息機(jī)構(gòu)完成棲息。無人機(jī)棲息過程的主要執(zhí)行者基于不同棲息原理機(jī)構(gòu)，再通過其他技術(shù)方法如棲息軌跡設(shè)計(jì)、氣動(dòng)分析與棲息控制等來輔助無人機(jī)完成整個(gè)棲息動(dòng)作。

2 微型無人機(jī)棲息機(jī)構(gòu)

2. 1 機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)

機(jī)械抓扣式棲息是借助伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)抓扣到被棲息物體，進(jìn)而使無人機(jī)完成棲息。機(jī)械抓扣式棲息飛行平臺(tái)主要是多旋翼無人機(jī)，少數(shù)是固定翼無人機(jī)和直升機(jī)。最早出現(xiàn)的機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)由富蘭克林·歐林工程學(xué)院Culler 等［5］提出，該起落架機(jī)構(gòu)可使四旋翼無人機(jī)棲息在樹枝狀結(jié)構(gòu)上，是一種咬爪機(jī)制，該機(jī)制在著陸時(shí)被觸發(fā)，并給出了飛行和滑索試驗(yàn)結(jié)果，證明了該機(jī)構(gòu)的性能，機(jī)構(gòu)如圖1 所示［5］。南安普敦大學(xué)Erbil 等［6］提出了一種替代現(xiàn)有起落架可重構(gòu)棲息元件設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，主要針對(duì)最大起飛質(zhì)量小于1.5 kg 的垂直起降無人機(jī)。這些參數(shù)用于創(chuàng)建概念及各種不同的抓取策略，設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程采用加權(quán)矩陣方法，精心選擇標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重可使無人機(jī)棲息在燈柱上，機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)如圖2 所示［6］。南洋理工大學(xué)Chi 等［7-8］進(jìn)一步提出了一種四旋翼自主棲息控制策略，并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。以自然界鳥類的棲息過程為基礎(chǔ)，無人機(jī)棲息時(shí)與目標(biāo)結(jié)合、結(jié)合后鎖定目標(biāo)和解除棲息時(shí)從目標(biāo)釋放的步驟推導(dǎo)出自主控制策略，將其集成到抓取機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)如圖3 所示［7-8］，并對(duì)該機(jī)構(gòu)的抓取能力、可靠性及在自主棲息控制中的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該棲息機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生足夠的抓持力，最終有效、可靠地實(shí)現(xiàn)了四旋翼對(duì)目標(biāo)桿的自主棲息，且該控制策略也能使四旋翼自主棲息到目標(biāo)極點(diǎn)。

圖1 富蘭克林·歐林工程學(xué)院機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［5］Fig.1 Mechanical grasping mechanism of Franklin Erlin School of Engineering［5］

圖2 南安普敦大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［6］Fig.2 Mechanical grasping mechanism of University of Southampton［6］

圖3 南洋理工大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［7-8］Fig.3 Mechanical grasping mechanism of Nanyang Technological University［7-8］

中國(guó)石油大學(xué)（華東）Luo 等［9］在充分考慮飛行器結(jié)構(gòu)和棲息原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由飛行和棲息子系統(tǒng)組成的仿生空中機(jī)器人?；趯?shí)時(shí)著陸速度和姿態(tài)，提出了一種新型柔性抓取機(jī)構(gòu)，提供吸附力和吸收沖擊力，機(jī)構(gòu)如圖4 所示［9］，結(jié)果證明了該抓取機(jī)構(gòu)的有效性。泰勒大學(xué)Phang 等［10］出了一種多旋翼無人機(jī)監(jiān)控解決方案，通過棲息在目標(biāo)附近的屋頂邊緣，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控。為解決無人機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)和自主邊緣檢測(cè)方面的挑戰(zhàn)，討論了可能的解決方案，機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)如圖5 所示［10］。奧克蘭大學(xué)Lin 等［11］為提升多旋翼無人機(jī)在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)視能力，設(shè)計(jì)了一種可將無人機(jī)棲息在農(nóng)場(chǎng)柱子上的機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)構(gòu)如圖6 所示［11］。該機(jī)構(gòu)的靜態(tài)試驗(yàn)和飛行測(cè)試表明無人機(jī)一旦懸停，該設(shè)計(jì)可以承受風(fēng)力，并且無人機(jī)棲息控制精度決定其能否棲息成功。

圖4 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［9］Fig.4 Mechanical grasping mechanism of China University of Petroleum（East China）［9］

圖5 泰勒大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［10］Fig.5 Mechanical grasping mechanism of Taylor’s University［10］

圖6 奧克蘭大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［11］Fig.6 Mechanical grasping mechanism of University of Auckland［11］

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室Popek等［12］開發(fā)了一種集成機(jī)器人感知、機(jī)械抓取和基于視覺路徑規(guī)劃的無人機(jī)，可使無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中棲息。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)結(jié)合了被動(dòng)和主動(dòng)抓取，使電源在關(guān)閉的情況下也能保持對(duì)棲息目標(biāo)物體的抓取，機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)如圖7 所示［12］。耶魯大學(xué)Hang 等［13］提出了一個(gè)模塊化驅(qū)動(dòng)的起落架框架，通過棲息將無人機(jī)穩(wěn)定在各種不同的結(jié)構(gòu)上。試驗(yàn)結(jié)果表明，該框架可用于無人機(jī)在一組常見結(jié)構(gòu)的棲息，該設(shè)計(jì)能有效降低功耗、提高姿勢(shì)的穩(wěn)定性，并在高處棲息時(shí)可保持較大的視野范圍，結(jié)構(gòu)如圖8 所示［13］?？屏_拉多州立大學(xué)Zhang 等［14］提出了一種可抓取在圓柱物體上的柔順雙穩(wěn)抓取機(jī)構(gòu)，該抓取機(jī)構(gòu)易于關(guān)閉、調(diào)整、保持穩(wěn)定，在棲息過程中通過沖擊力直接啟動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明該抓取機(jī)構(gòu)能成功實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在圓柱物體上棲息以及抓取物體，結(jié)構(gòu)如圖9 所示［14］。同時(shí)Zhang 等［15］提出了另一種抓取機(jī)構(gòu)—新型雙穩(wěn)態(tài)抓取機(jī)構(gòu)，適用于范圍更廣的棲息物體，對(duì)于高度較小的物體可采用環(huán)繞法來包圍物體實(shí)現(xiàn)棲息，對(duì)于高度較大的物體采用夾持法并利用摩擦力進(jìn)行棲息，機(jī)構(gòu)如圖10 所示［15］。

圖7 約翰·霍普金斯大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［12］Fig.7 Mechanical grasping mechanism of Johns Hopkins University［12］

圖8 耶魯大學(xué)的模塊化起落架機(jī)構(gòu)［13］Fig.8 Modularized landing gears mechanism of Yale University ［13］

圖9 科羅拉多州立大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［14］Fig.9 Mechanical grasping mechanism of Colorado State University［14］

圖10 科羅拉多州立大學(xué)新型新穩(wěn)態(tài)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［15］Fig.10 A new steady state mechanical grasping mechanism of Colorado State University［15］

悉尼大學(xué)Yu 等［16］提出一種具有2 個(gè)自由度的柔性機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)，可模仿鳥類的抓取和棲息，結(jié)構(gòu)如圖11 所示［16］。抓取機(jī)構(gòu)的對(duì)稱構(gòu)形使得在抓取和棲息過程中，重心移動(dòng)較小、對(duì)平臺(tái)角動(dòng)量的擾動(dòng)較小，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)具有棲息和抓取能力。猶他大學(xué)Kitchen 等［17］研究了一種雙鉤固定裝置，該裝置通過2 個(gè)欠驅(qū)動(dòng)鉗口機(jī)械爪抓取并棲息到電力電纜，將電纜與充電線圈對(duì)齊，從電纜的電磁場(chǎng)中獲取能量，結(jié)構(gòu)如圖12 所示［17］。阿卜杜勒·拉赫曼·新月會(huì)科學(xué)技術(shù)研究所Magesh 等［18］提出了一種基于形狀記憶聚合物的伸縮式起落架用于無人機(jī)的棲息，并對(duì)棲息性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明使用拉伸式卡爪可達(dá)到的最小拉力與普通卡爪相差了27.6%。這種新穎設(shè)計(jì)確保了曲率的最大期望變形，與普通夾持器相比差異為35.8%，結(jié)構(gòu)如圖13 所示［18］。

圖11 悉尼大學(xué)的柔性機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)［16］Fig.11 Compliant mechanical grasping mechanism of University of Sydney［16］

圖12 猶他大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［17］Fig.12 Mechanical grasping mechanism of University of Utah［17］

圖13 阿卜杜勒·拉赫曼·新月會(huì)科學(xué)技術(shù)研究所機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)［18］Fig.13 Mechanical grasping mechanism of Abdur Rahman Crescent Institute of Science and Technology［18］

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院智能系統(tǒng)試驗(yàn)室Kova?等［19］提出了一種固定翼無人機(jī)棲息機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可使無人機(jī)棲息在天然和人造材料的墻壁上，并在各種基材上進(jìn)行了110 次連續(xù)棲息，成功率100%，機(jī)構(gòu)如圖14 所示［19］。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院工程學(xué)院Stewart 等［20］提出了一種用于固定翼無人機(jī)被動(dòng)棲息的儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，包含能量回收的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)和用于棲息在水平桿上的爪子。試驗(yàn)驗(yàn)證了爪子在棲息期間重新獲得5%的動(dòng)能，同時(shí)表明該裝置可在較寬的偏航角度范圍內(nèi)成功?？?，并實(shí)現(xiàn)了以7.4 m/s 的速度進(jìn)行棲息，結(jié)構(gòu)如圖15 所示［20］。耶魯大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Backus 等［21］提出了一種可用于直升機(jī)的機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)，研究了設(shè)計(jì)和抓取參數(shù)如肌腱路線/滑輪比率等對(duì)完全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)性能的影響。結(jié)果表明完全驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)棲息應(yīng)用效果更好，增加機(jī)構(gòu)的寬度可改善棲息和抓取性能，結(jié)構(gòu)如圖16 所示［21］。

圖14 洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院智能系統(tǒng)試驗(yàn)室棲息機(jī)構(gòu)［19］Fig.14 Perching mechanism of Laboratory of Intelligent Systems，Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne［19］

圖15 洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院工程學(xué)院機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［20］Fig.15 Mechanical grasping mechanism of School of Engineering， école Polytechnique Fédérale de Lausanne［20］

圖16 耶魯大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［21］Fig.16 Mechanical grasping mechanism of School of Engineering and Applied Science，Yale University［21］

2. 2 仿生機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)

隨著仿生學(xué)的發(fā)展，衍生出了仿生機(jī)械抓扣式棲息。人們通過觀察鳥類的棲息，學(xué)習(xí)鳥類在各種復(fù)雜物體表面上的棲息活動(dòng)，進(jìn)行仿生機(jī)械設(shè)計(jì)。曼徹斯特大學(xué)Nagendran 等［22］首次提出了一種基于生物靈感的腿部著陸系統(tǒng)概念，利用機(jī)械桿件和彈簧阻尼器實(shí)現(xiàn)對(duì)鳥腿的仿生設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)棲息著陸的功能，如圖17 所示［22］。南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空工程學(xué)院的Chi等［23］更系統(tǒng)地從鳥類棲息中獲得靈感，進(jìn)一步提出一種仿生自適應(yīng)棲息機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖18所示［23］，并將無人機(jī)的棲息序列概括為3 個(gè)階段，預(yù)棲、棲息和去棲息，結(jié)果表明該棲息機(jī)構(gòu)適用于大范圍的棲息角度和直徑目標(biāo)。猶他大學(xué)的Doyle 等［24］提出了一種可被動(dòng)棲息的仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖19 所示［24］，整個(gè)機(jī)構(gòu)由欠驅(qū)動(dòng)的抓取腳和折疊的腿組成，借助無人機(jī)的重量轉(zhuǎn)化為肌腱張力進(jìn)而驅(qū)動(dòng)腳來完成無人機(jī)棲息，結(jié)果表明無人機(jī)可被動(dòng)地在多種表面棲息。新墨西哥州立大學(xué)的Xie 等［25］提出了一種由繩索驅(qū)動(dòng)的腿部機(jī)構(gòu)和繩索驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)的腳部組成的仿生機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)，如圖20 所示［25］，并建立了腳趾執(zhí)行力與各指骨接觸力之間的關(guān)系模型，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)對(duì)無人機(jī)仿生棲息技術(shù)具有基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。

圖17 曼徹斯特大學(xué)仿生機(jī)械腿［22］Fig.17 Bird-inspired perching landing gear of University of Manchester［22］

圖18 南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空工程學(xué)院仿生機(jī)械爪 ［23］Fig.18 Bio-inspired adaptive perching mechanism of School of Mechanical and Aerospace Engineering，Nanyang Technological University［23］

圖19 猶他大學(xué)仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［24］Fig.19 Mechanical grasping mechanism of University of Utah［24］

圖20 新墨西哥州立大學(xué)仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［25］Fig.20 Bio-inspired perching mechanism of New Mexico State University［25］

奧林工程學(xué)院Nadan 等［26-27］開發(fā)了一種混合經(jīng)驗(yàn)-計(jì)算模型，并設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)多節(jié)段腳機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)既能使無人機(jī)抓取并棲息在樹枝狀物體上，同時(shí)該模型又能預(yù)測(cè)并量化抓取所施加的力，試驗(yàn)結(jié)果表明無人機(jī)可棲息在一系列目標(biāo)物體上，結(jié)構(gòu)如圖21 所示［26-27］。奧克蘭大學(xué)機(jī)械工程系新靈巧研究小組McLaren 等［28］提出了一種可被動(dòng)關(guān)閉、自適應(yīng)的機(jī)械手，結(jié)構(gòu)如圖22 所示［28］，該機(jī)械手最大抓持力56 N，能高速固定各種形狀的物體，試驗(yàn)表明可以給無人機(jī)提供棲息能力并進(jìn)行自主對(duì)接。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室Bai 等［29］借鑒鳥腳結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了一種適應(yīng)性和承載能力強(qiáng)的變形無人機(jī)棲息機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖23 所示［29］，試驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能可靠地棲息在各種物體上，且無人機(jī)棲息能耗為懸停時(shí)的0.015 倍。斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系Roderick 等［30］提出了一種仿生鳥腿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，能使無人機(jī)動(dòng)態(tài)棲息在復(fù)雜的表面上并抓取不規(guī)則物體，結(jié)構(gòu)如圖24 所示［30］，結(jié)果表明該抓握機(jī)構(gòu)能在不到50 ms 內(nèi)環(huán)繞不規(guī)則的物體并棲息。

圖21 奧林工程學(xué)院仿生機(jī)械腿［26-27］Fig.21 Bird-inspired perching landing gear of Olin College of Engineering［26-27］

圖22 奧克蘭大學(xué)新靈巧研究小組仿生機(jī)械爪［28］Fig.22 Bio-inspired adaptive perching mechanism of New Dexterity Research Group， University of Auckland［28］

圖23 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［29］Fig.23 Bird-inspired mechanical grasping mechanism of State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University［29］

圖24 斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［30］Fig.24 Mechanical grasping mechanism of Department of Mechanical Engineering，Stanford University［30］

2. 3 仿生針刺、微棘式棲息機(jī)構(gòu)

仿生針刺、微棘式棲息是模仿生物的剛毛鉤刺進(jìn)目標(biāo)棲息物粗糙表面，進(jìn)而使無人機(jī)完成棲息。斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系Roderick 等［31］對(duì)在高度不規(guī)則表面上棲息、移動(dòng)和起飛的不同生物方案進(jìn)行研究，提高了對(duì)表面接近和起飛空氣動(dòng)力學(xué)、棲息和附著接觸動(dòng)力學(xué)及表面運(yùn)動(dòng)理論分析。通過對(duì)動(dòng)物俯仰著陸動(dòng)作和表面附著技術(shù)的深入研究，為開發(fā)棲息在多樣化和復(fù)雜表面的無人機(jī)提供設(shè)計(jì)指南。西北工業(yè)大學(xué)無人系統(tǒng)研究院昌敏等［32］概括了垂面棲息微型無人機(jī)的方案特點(diǎn)，并結(jié)合針刺式、微棘式這2 類典型垂面棲息方式闡釋了不同棲息原理的著壁、棲息與復(fù)飛過程，為后續(xù)開展垂面棲息無人機(jī)的研究提供借鑒。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院倪勇等［33］提出適合各種復(fù)雜環(huán)境可撲翼飛行和爬行棲息的兩棲機(jī)器人研究構(gòu)想，為仿生兩棲機(jī)器人的微型化和輕量化指出了發(fā)展方向。

斯 坦 福 大 學(xué)Desbiens 等［34-37］提 出了一種 用于固定翼無人機(jī)的仿生腳，腳上配備一排微型脊椎針刺，通過針刺與墻壁的凹凸進(jìn)行嚙合使無人機(jī)棲息到壁面上，結(jié)構(gòu)如圖25 所示［34-37］，同時(shí)還能通過控制仿生腳上的脊椎針刺收放來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在壁面上的爬行。佛羅里達(dá)州立大學(xué)工程學(xué)院Dickson 等［38］基于固定翼無人機(jī)開發(fā)出一種仿生針刺機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖26 所示［38］，無人機(jī)通過該機(jī)構(gòu)可在壁面棲息與爬行，且為雙足攀爬小型、簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。舍布魯克大學(xué)Mehanovic 等［39-40］設(shè)計(jì)了一款可自動(dòng)棲息并從垂直表面起飛的固定翼無人機(jī)，吸附在粗糙墻壁上的主要是微型針刺機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖27 所示［39-40］，試驗(yàn)結(jié)果表明該無人機(jī)能可靠地在粗糙壁面棲息并起飛。

圖25 斯坦福大學(xué)仿生腳［34-37］Fig.25 Bird-inspired perching landing gear of Stanford University［34-37］

圖26 佛羅里達(dá)州立大學(xué)工程學(xué)院仿生針刺機(jī)構(gòu)［38］Fig.26 Bionic dart perching mechanism of Florida State University College of Engineering［38］

圖27 舍布魯克大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［39-40］Fig.27 Mechanical grasping mechanism of University of Sherbrooke［39-40］

斯坦福大學(xué)仿生學(xué)和靈巧操作試驗(yàn)室Pope等［41-42］設(shè)計(jì)了一款可飛行、在壁面棲息、爬行、再次起飛的四旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖28 所示［41-42］，該無人機(jī)具備從爬行失敗中恢復(fù)及通過應(yīng)用空氣動(dòng)力增加可用立足點(diǎn)密度的能力。倫敦帝國(guó)學(xué)院Zhang 等［43］提出了一種帶有可發(fā)射張力錨機(jī)構(gòu)的多旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖29 所示［43］，張力錨通過錨定在壁面上使無人機(jī)棲息，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性以及在大風(fēng)環(huán)境下的穩(wěn)定能力。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院空中機(jī)器人試驗(yàn)室Nguyen 等［44］提出了一種被動(dòng)自適應(yīng)棲息機(jī)構(gòu)，可使無人機(jī)穩(wěn)定地附著在包括樹枝和管道在內(nèi)的各種表面上，結(jié)構(gòu)如圖30 所示［44］，結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)能提供可靠的牽引力和非常高的負(fù)載能力并能正常釋放。加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)試驗(yàn)室Backus 等［45］設(shè)計(jì)了一款帶有微棘爪的多旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖31 所示［45］，該機(jī)構(gòu)可使無人機(jī)在粗糙的傾斜或垂直表面棲息，且在自重100 g 的情況下可抓取超過10 N 的載荷。

圖28 斯坦福大學(xué)仿生學(xué)和靈巧操作試驗(yàn)室仿生腳［41-42］Fig.28 Bionic feet of Department of Mechanical Engineering，Stanford University ［41-42］

圖29 倫敦帝國(guó)學(xué)院仿生針刺機(jī)構(gòu)［43］Fig.29 Bionic dart perching mechanism of Imperial College London［43］

圖30 倫敦帝國(guó)學(xué)院空中機(jī)器人試驗(yàn)室機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［44］Fig.30 Mechanical grasping mechanism of Aerial Robotics Laboratory，Imperial College London［44］

圖31 加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)試驗(yàn)室機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［45］Fig.31 Mechanical grasping mechanism of Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology［45］

2. 4 負(fù)壓吸盤式棲息機(jī)構(gòu)

負(fù)壓吸盤式棲息利用吸盤和棲息物體之間產(chǎn)生的負(fù)壓吸附力，使無人機(jī)棲息到目標(biāo)物體。南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系Liu 等［46］提出了一種用于飛行和吸附棲息無人機(jī)的阻抗控制方法，試驗(yàn)結(jié)果表明該控制方法搭配設(shè)計(jì)的吸盤結(jié)構(gòu)能使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)與壁面的平穩(wěn)吸附接觸和棲息，結(jié)構(gòu)如圖32 所示［46］。特溫特大學(xué)Wopereis 等［47］設(shè)計(jì)了一種基于被動(dòng)真空杯技術(shù)吸收空中撞擊的機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖33 所示［47］，試驗(yàn)結(jié)果表明無人機(jī)可借助該機(jī)構(gòu)在環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定棲息、解除棲息和可靠起飛。日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所信息科學(xué)學(xué)院Huang 等［48］提出了一種可使無人機(jī)棲息在任務(wù)形狀表面上的機(jī)構(gòu)，如圖34 所示［48］，該機(jī)構(gòu)由2 個(gè)旋轉(zhuǎn)臂和4 個(gè)真空吸盤組成，且其設(shè)計(jì)目標(biāo)是重量輕、模塊化、可擴(kuò)展、自平衡，因此可裝配到多種無人機(jī)上。

圖32 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系負(fù)壓吸盤［46］Fig.32 Vacuum cup of Department of Computer Science and Technology，Nanjing University of Science and Technology［46］

圖33 特溫特大學(xué)負(fù)壓吸盤［47］Fig.33 Vacuum cup of University of Twente［47］

圖34 日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所信息科學(xué)學(xué)院負(fù)壓吸盤［48］Fig.34 Vacuum cup of School of Information Science，Japan Advanced Institute of Science and Technology［48］

上海交通大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院Liu 等［49-50］提出了一種用于空中抓取和棲息的內(nèi)外雙硬度真空杯設(shè)計(jì)［49-50］，結(jié)構(gòu)如圖35 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明內(nèi)外雙硬度真空杯吸盤設(shè)計(jì)要優(yōu)于傳統(tǒng)吸盤，且在抓取和棲息時(shí)所需的接觸壓力顯著降低。東京工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)與控制工程系Tsukagoshi 等［51］提出了一種新的混合式吸盤結(jié)構(gòu)，利用粘性粘膠的粘附力和負(fù)壓吸力來使無人機(jī)棲息，結(jié)構(gòu)如圖36 所示［51］，試驗(yàn)表明帶有該機(jī)構(gòu)的無人機(jī)可棲息到混凝土墻和天花板上并解除棲息復(fù)飛。

圖35 上海交通大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院負(fù)壓吸盤［49-50］Fig.35 Vacuum cup of School of Mechanical and Engineering，Shanghai Jiao Tong University ［49-50］

圖36 東京工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)與控制工程系負(fù)壓吸盤［51］Fig.36 Vacuum cup of Department of Systems and Control Engineering，Tokyo Institute of Technology［51］

2. 5 螺旋槳式棲息機(jī)構(gòu)

螺旋槳式棲息主要是指帶有爬壁輪的多旋翼無人機(jī)棲息，該類無人機(jī)通過旋翼產(chǎn)生的吸附力來吸附到各種壁面上，再通過其搭配的爬壁輪進(jìn) 行壁面爬 行。Mathmood 等［52］綜 述了螺旋 槳式爬壁機(jī)器人暨爬壁無人機(jī)的相關(guān)原理、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，指出爬壁無人機(jī)受壁面性質(zhì)影響較小，可在許多類型的垂直平面吸附棲息爬行，如光滑、粗糙和鐵磁性或非光滑表面。北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人研究所Ding 等［53-54］介紹了一種能爬墻和用臂操作的無人機(jī)，無人機(jī)通過2 個(gè)腿輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輪爬壁和腿爬壁2 種模式，結(jié)構(gòu)如圖37 所示［53-54］。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院Shin 等［55］提出了一種可用于建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的爬壁無人機(jī)，通過無人機(jī)在壁面爬行來對(duì)建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該無人機(jī)可在壁面爬行及空中飛行，結(jié)構(gòu)如圖38 所示［55］。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院土木與環(huán)境工程系Myeong 等［56-57］設(shè)計(jì)了一種帶有棲息機(jī)構(gòu)的爬壁無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖39所示［56-57］，該無人機(jī)可通過姿態(tài)變化和棲息機(jī)構(gòu)在目標(biāo)物體上棲息、爬行。

圖37 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人研究所爬壁無人機(jī)［53-54］Fig.37 Wall-climbing robot of School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University ［53-54］

圖38 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院Shin 等爬壁無人機(jī)［55］Fig.38 Wall-climbing robot of Shin， et al. of Korea Advanced Institute of Science and Technology（KAIST）［55］

圖39 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院土木與環(huán)境工程系爬壁無人機(jī)［56-57］Fig.39 Wall-climbing robot of Department of Civil and Environmental Engineering，KAIST［56-57］

日本富士通有限公司Yamada 等［58］介紹了一種可用于橋梁檢測(cè)的爬壁無人機(jī)，該無人機(jī)帶有1 個(gè)圓柱形籠子和2 個(gè)圍繞籠子自由旋轉(zhuǎn)的無輻條輪子，結(jié)構(gòu)如圖40 所示［58］，該無人機(jī)可檢查人難以進(jìn)入橋梁表面的地方。日本國(guó)立理工學(xué)院Iwamoto 等［59］設(shè)計(jì)了一種可用來檢測(cè)隧道的爬壁無人機(jī)，該無人機(jī)配備了一套橡膠履帶可使無人機(jī)在壁面爬行，結(jié)構(gòu)如圖41 所示［59］。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Jung 等［60］提出了一種可用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉檢測(cè)的爬壁無人機(jī)，無人機(jī)借助4 個(gè)輪子可在槳葉表面粘貼吸附和爬行，結(jié)構(gòu)如圖42［60］所示。

圖40 日本富士通有限公司爬壁無人機(jī)［58］Fig.40 Wall-climbing robot of Fujitsu Limited［58］

圖41 日本國(guó)立理工學(xué)院爬壁無人機(jī)［59］Fig.41 Wall-climbing robot of National Institute of Technology，Ariake College［59］

圖42 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Jung 等爬壁無人機(jī)［60］Fig.42 Wall-climbing robot of Jung， et al. of Korea Advanced Institute of Science and Technology［60］

早稻田大學(xué)理工系Tanaka 等［61］提出了一種帶有輪式結(jié)構(gòu)的爬壁無人機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)期運(yùn)行，結(jié)構(gòu)如圖43 所示［61］，試驗(yàn)結(jié)果表明該無人機(jī)可在復(fù)雜環(huán)境中平穩(wěn)爬行和飛行。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院土木與環(huán)境工程系Myeong 等［62］提出了一種帶有旋轉(zhuǎn)臂的新型爬壁無人機(jī)，旋轉(zhuǎn)臂的角度可根據(jù)墻體傾斜角進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，結(jié)構(gòu)如圖44 所示［62］，試驗(yàn)表明該無人機(jī)可在不同形狀的墻壁上爬行。岡山大學(xué)自然科學(xué)技術(shù)研究生院Watanabe 等［63］研發(fā)了一種既能進(jìn)行錘擊試驗(yàn)又能目視檢測(cè)的爬壁無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖45 所示［63］，試驗(yàn)證明該無人機(jī)可完成相應(yīng)的爬行并檢測(cè)。

圖43 早稻田大學(xué)理工系爬壁無人機(jī)［61］Fig.43 Wall-climbing robot of Department of Science and Engineering，Waseda University［61］

圖44 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院土木與環(huán)境工程系新型爬壁無人機(jī)［62］Fig.44 New wall-climbing robot of Department of Civil and Environmental Engineering，KAIST［62］

圖45 岡山大學(xué)自然科學(xué)技術(shù)研究生院爬壁無人機(jī)［63］Fig.45 Wall-climbing robot of Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama University［63］

呂勒奧理工大學(xué)Andrikopoulos 等［64］設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)涵道式吸附機(jī)構(gòu)并為分析與靶面負(fù)壓和推力產(chǎn)生有關(guān)的粘著性質(zhì)提供了新見解，結(jié)構(gòu)如圖46 所示［64］，該機(jī)構(gòu)可裝配到無人機(jī)或者機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)吸附爬壁功能。日本愛媛大學(xué)理工科研究生院Yasunaga 等［65］設(shè)計(jì)了一款新型多旋翼無人機(jī)，機(jī)身上安裝了防護(hù)框架和兩個(gè)主動(dòng)輪，結(jié)構(gòu)如圖47［65］所示，試驗(yàn)證明該無人機(jī)可在空中飛行、吸附，并在天花板上爬行。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院城市機(jī)器人試驗(yàn)室Myeong 等［66］設(shè)計(jì)了一種可改變旋翼傾轉(zhuǎn)角度的四旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖48 所示［66］，借助團(tuán)隊(duì)提出的通過低速改變姿態(tài)在垂直表面上棲息機(jī)理和控制算法，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)在垂直壁面軟棲息。

圖46 呂勒奧理工大學(xué)爬壁無人機(jī)［64］Fig.46 Wall-climbing robot of Lulea University of Technology［64］

圖47 日本愛媛大學(xué)理工科研究生院爬壁無人機(jī)［65］Fig.47 Wall-climbing robot of Graduate School of Science and Engineering，Ehime University［65］

圖48 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院城市機(jī)器人試驗(yàn)室爬壁無人機(jī)［66］Fig.48 Wall-climbing robot of Urban Robotics Laboratory， KAIST［66］

東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)重點(diǎn)試驗(yàn)室Jiang等［67］研究了一種可實(shí)時(shí)進(jìn)行裂紋監(jiān)測(cè)的爬壁無人機(jī)，該無人機(jī)搭配6 個(gè)爬壁輪和2 個(gè)豎直方向的旋翼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垂直壁面和天花板的爬行，結(jié)構(gòu)如圖49 所示［67］。伊拉克巴格達(dá)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系Mahmood 等［68］提出了一種雙旋翼爬壁無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖50 所示［68］，表明該無人機(jī)可在不同類型表面棲息和爬行。內(nèi)蓋夫本古里安大學(xué)機(jī)械工程系David 等［69］設(shè)計(jì)了一種混合飛行與爬行的無人機(jī)，搭配的4 個(gè)爬壁驅(qū)動(dòng)輪在旋翼對(duì)壁面產(chǎn)生壓力的同時(shí)進(jìn)行爬行，結(jié)構(gòu)如圖51 所示［69］，試驗(yàn)證明該無人機(jī)可在傾斜或垂直表明爬行。

圖49 東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)重點(diǎn)試驗(yàn)室爬壁無人機(jī)［67］Fig.49 Wall-climbing robot of Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics，Southeast University［67］

圖50 伊拉克巴格達(dá)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系爬壁無人機(jī)［68］Fig.50 Wall-climbing robot of Department of Mechanical Engineering，University of Technology，Baghdad［68］

圖51 內(nèi)蓋夫本古里安大學(xué)機(jī)械工程系爬壁無人機(jī)［69］Fig.51 Wall-climbing robot of Department of Mechanical Engineering at the Ben Gurion University of the Negev［69］

日本岡山大學(xué)自然科學(xué)技術(shù)研究生院Komura 等［70］設(shè)計(jì)了一種可傾斜的雙軸四旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖52 所示［70］，通過改變旋翼與壁面的傾斜角使無人機(jī)吸附到壁面上實(shí)現(xiàn)爬行。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院電氣工程學(xué)院Lee 等［71-72］設(shè)計(jì)了一種帶有傾斜機(jī)構(gòu)的三軸六旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖53所示［71-72］，該無人機(jī)可在懸停時(shí)在空中變形，將水平飛行改為垂直飛行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在壁面棲息和爬行。紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院Mao 等［73］設(shè)計(jì)了一種可以在傾斜表面上自主棲息的四旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖54 所示［73］，試驗(yàn)表明該無人機(jī)可以在傾斜表面進(jìn)行激進(jìn)的棲息。

圖52 日本岡山大學(xué)自然科學(xué)技術(shù)研究生院爬壁無人機(jī)［70］Fig.52 Wall-climbing robot of Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama University［70］

圖53 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院電氣工程學(xué)院爬壁無人機(jī)［71-72］Fig.53 Wall-climbing robot of School of Electrical Engineering， KAIST［71-72］

圖54 紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院爬壁無人機(jī)［73］Fig.54 Wall-climbing robot of Tandon School of Engineering，New York University［73］

2. 6 粘膠、電磁式棲息機(jī)構(gòu)

粘膠、電磁式棲息是借助粘膠墊的粘附力或者電磁鐵產(chǎn)生的電磁力吸附到目標(biāo)物體上，使無人機(jī)完成棲息。美國(guó)空軍學(xué)院工程力學(xué)系A(chǔ)nderson 等［74］設(shè)計(jì)了一種帶粘貼墊的固定翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖55［74］所示，無人機(jī)可通過粘貼墊吸附到目標(biāo)物體上使無人機(jī)完成棲息，延長(zhǎng)了續(xù)航時(shí)間可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院智能系統(tǒng)試驗(yàn)室Daler 等［75］提出了一種共軸雙旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖56 所示［75］，該無人機(jī)包含1 個(gè)帶有纖維基干膠粘劑的粘貼墊和被動(dòng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，試驗(yàn)證明該無人機(jī)可成功棲息。斯坦福大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)Pope 等［76-77］設(shè)計(jì)了一種帶有干膠墊的多旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖57 所示［76-77］，可通過干膠墊的粘附力在垂直壁面或傾斜表面上棲息。

圖55 美國(guó)空軍學(xué)院工程力學(xué)系粘膠式無人機(jī)［74］Fig.55 Sticky-Pad plane of Deptment of Engineering Mechanics，United States Air Force Academy［74］

圖56 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院智能系統(tǒng)試驗(yàn)室粘膠式無人機(jī)［75］Fig.56 Sticky-pad plane of Laboratory of Intelligent Systems，Swiss Federal Polytechnic in Lausanne［75］

圖57 斯坦福大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)粘膠式無人機(jī)［76-77］Fig.57 Sticky-pad plane of Mechanical Engineering School， Stanford University［76-77］

伊利諾伊理工學(xué)院機(jī)械、材料與航空航天工程系Kalantari 等［78］介紹了一種帶有新型干膠夾持器的四旋翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖58 所示［78］，無人機(jī)通過夾持器上的干膠粘貼在壁面上，試驗(yàn)表明無人機(jī)的棲息機(jī)動(dòng)成功率可達(dá)93%以上。山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院Guo 等［79］設(shè)計(jì)了一種帶有仿生干膠的爬壁偵擦無人機(jī)，干膠抓持器如圖59 所示［79］，試驗(yàn)表明該無人機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙混凝土墻壁吸附棲息。

圖58 伊利諾伊理工學(xué)院機(jī)械、材料與航空航天工程系粘膠式無人機(jī)［78］Fig.58 Sticky-pad plane of Mechanical，Materials，and Aerospace Engineering Department，Illinois Institute of Technology［78］

圖59 山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院粘膠式無人機(jī)［79］Fig.59 Sticky-pad plane of College of Electronic Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology［79］

廣東工業(yè)大學(xué)蔣俊高［80］提出了一種基于四旋翼無人機(jī)的仿生壁面自動(dòng)起降系統(tǒng)，無人機(jī)結(jié)構(gòu)如圖60 所示［80］，其通過腳部的微型強(qiáng)磁吸附到壁面進(jìn)行棲息，試驗(yàn)結(jié)果表明無人機(jī)可在垂直壁面和傾斜表面實(shí)現(xiàn)棲息和起飛。斯坦福大學(xué)電氣工程系Park 等［81］提出了一種用于電膠粘合的特定應(yīng)用電子電力解決方案，通過產(chǎn)生的靜電力來吸附棲息，結(jié)論表明四旋翼無人機(jī)的無繩索電粘劑棲息試驗(yàn)結(jié)果是首次得到驗(yàn)證并在文獻(xiàn)中進(jìn)行發(fā)表，結(jié)構(gòu)如圖61 所示［81］。哈佛大學(xué)Graule等［82］介紹了一種可切換的電粘合劑，該粘合劑幾乎可以在任何材料上實(shí)現(xiàn)受控的棲息與分離，同時(shí)所需的功率比維持飛行低大約3 個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié)構(gòu)如圖62 所示［82］。

圖60 廣東工業(yè)大學(xué)磁吸式無人機(jī)［80］Fig.60 Magnetic MAV of Guangdong University of Technology［80］

圖61 斯坦福大學(xué)電氣工程系靜電力吸附無人機(jī)［81］Fig.61 Electroadhesive perching MAV of Department of Electrical Engineering，Stanford University［81］

圖62 哈佛大學(xué)電磁吸附仿生無人機(jī)［82］Fig.62 Bionic electrostatic adhesion MAV of Harvard University［82］

2. 7 棲息機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

通過上述對(duì)不同棲息機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行分類研究分析，總結(jié)出以下特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)：

1） 機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的飛行平臺(tái)多為多旋翼無人機(jī)，設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)成熟工程應(yīng)用較多?；诙嘈頍o人機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)可移植到直升機(jī)平臺(tái)，進(jìn)行互換。機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)和形狀記憶材料應(yīng)用將是機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)研究的新方向，通過引入新材料和模塊化設(shè)計(jì)使無人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、功能更齊全?；诠潭ㄒ頍o人機(jī)的機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)愈發(fā)考慮能量的回收再利用，在固定翼無人機(jī)棲息時(shí)利用機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)將能量?jī)?chǔ)存，并在解除棲息和復(fù)飛時(shí)使用。

2） 仿生機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的飛行平臺(tái)多為多旋翼無人機(jī)，未來的研究可將飛行平臺(tái)轉(zhuǎn)為撲翼機(jī)或固定翼無人機(jī)。將仿生機(jī)械爪移植到撲翼機(jī)上實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的棲息著陸及目標(biāo)物的抓取，實(shí)現(xiàn)更徹底的仿生無人機(jī)設(shè)計(jì)。同時(shí)也可將仿生材料引入到仿生機(jī)械抓扣的設(shè)計(jì)中，如人工肌肉等，實(shí)現(xiàn)對(duì)鳥類更深入的模仿設(shè)計(jì)。

3） 機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)和仿生機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)都可改變?yōu)樽トC(jī)構(gòu)，搭配多旋翼無人機(jī)或者直升機(jī)在目標(biāo)物體上定點(diǎn)懸停進(jìn)行抓取，通過對(duì)目標(biāo)物體的抓取來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)棲息或運(yùn)輸載荷。

4） 基于螺旋槳式棲息無人機(jī)多為多旋翼無人機(jī)，通過其自帶的爬壁輪機(jī)構(gòu)可在傾斜或者垂直壁面上爬行。該類型棲息最大的特點(diǎn)是無人機(jī)可在棲息物體表面爬行，進(jìn)而完成一定的任務(wù)。爬壁無人機(jī)棲息更多的是一種動(dòng)態(tài)棲息，旋翼電機(jī)不停車，在壁面棲息的能耗相對(duì)懸停時(shí)稍低。因此可通過加裝其他棲息機(jī)構(gòu)，如負(fù)壓吸盤等機(jī)構(gòu)等，借助吸盤對(duì)棲息物體產(chǎn)生的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)在壁面上的停車進(jìn)而提高續(xù)航時(shí)間。未來基于螺旋槳式棲息的多旋翼無人機(jī)可向變體無人機(jī)方向發(fā)展，通過改變機(jī)體結(jié)構(gòu)或者旋翼電機(jī)的傾轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)更好的棲息與壁面爬行。

5） 基于電磁吸附的棲息機(jī)構(gòu)可應(yīng)用到更微型的仿生無人機(jī)上，如基于飛行昆蟲或小型鳥類所設(shè)計(jì)的仿生無人機(jī)或撲翼機(jī)。通過攜帶電磁吸附機(jī)構(gòu)可使用比懸停所需功率小3 個(gè)量級(jí)的棲息功率來完成棲息操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。

6） 不同作用原理的棲息機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將越來越多元化，相互之間可進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。將針刺或者微棘的機(jī)構(gòu)整合到機(jī)械或仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)，在抓取的同時(shí)利用針刺或者微棘來增大摩擦力來實(shí)現(xiàn)更好的棲息或抓取載荷?？蓪⒄衬z墊結(jié)合到機(jī)械或者仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)，在棲息或抓取的同時(shí)增加粘膠墊的粘附力。也可將電磁式棲息機(jī)構(gòu)整合到基于螺旋槳式棲息的無人機(jī)，增大對(duì)金屬壁面的吸附力。不同種類的棲息機(jī)構(gòu)界限越來越不明顯，相反，應(yīng)對(duì)不同棲息場(chǎng)景的組合設(shè)計(jì)會(huì)越來越多。

3 變體無人機(jī)棲息方案

美國(guó)空軍研究試驗(yàn)室Reich 等［83］描述了一種用于棲息微型無人機(jī)的機(jī)械化機(jī)翼概念，結(jié)構(gòu)如圖63 所示［83］，機(jī)翼能夠在2 個(gè)跨距關(guān)節(jié)上旋轉(zhuǎn)，以模擬鳥類在棲息中的翅膀運(yùn)動(dòng)，研究表明該機(jī)翼可使無人機(jī)以近乎為0 的垂直和水平速度棲息在樹枝等目標(biāo)物上。哈佛大學(xué)Manchester 等［84］提出了一種具有可變前掠翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖64［84］所示，通過前掠翼角變化來提升無人機(jī)在大迎角棲息機(jī)動(dòng)時(shí)的操作性能。布里斯托爾大學(xué)航空航天工程系Greatwood 等［85］提出了一種可變后掠翼無人機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖65 所示［85］，飛行試驗(yàn)表明可變后掠翼設(shè)計(jì)能使無人機(jī)在棲息時(shí)的俯仰機(jī)動(dòng)達(dá)到30°的前掃掠，棲息的最后時(shí)刻空速可降至3 m/s 以下，遠(yuǎn)低于9 m/s 的失速速度。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院袁亮［86］研制了一種可改變主翼位置的變體無人機(jī)，并對(duì)其棲息機(jī)動(dòng)進(jìn)行建模和軌跡優(yōu)化，結(jié)果表明變體部件能夠顯著提高姿態(tài)操縱效率進(jìn)而改善棲息機(jī)動(dòng)性能，結(jié)構(gòu)如圖66 所示［86］。

圖63 美國(guó)空軍研究試驗(yàn)室變體機(jī)翼［83］Fig.63 Variable wing of America Air Force Research Laboratory ［83］

圖64 哈佛大學(xué)變體機(jī)構(gòu)［84］Fig.64 Variable mechanism of Harvard University［84］

圖65 布里斯托爾大學(xué)航空航天工程系變體無人機(jī)［85］Fig.65 Morphing UAV of Department of Aerospace Engineering，University of Bristol［85］

圖66 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院變體無人機(jī)［86］Fig.66 Morphing UAV of College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics &Astronautics［86］

康奈爾大學(xué)Garcia 等［87-88］討論了變體無人機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的綜合模型，特別考慮了非線性影響，為高度非線性無人機(jī)控制奠定了基礎(chǔ)，結(jié)果表明利用失速后飛行的能力和無人機(jī)重新配置，在沒有高推力的情況下垂直棲息著陸是可能的。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院何真等［89］對(duì)變體無人機(jī)棲息機(jī)動(dòng)縱向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了建模、仿真和分析，建立了變體無人機(jī)棲息機(jī)動(dòng)的縱向多體動(dòng)力學(xué)模型，通過理論計(jì)算和分析驗(yàn)證了變體結(jié)構(gòu)能提高無人機(jī)棲息機(jī)動(dòng)性能。同時(shí)何真等［90］采用軌跡線性化和張量積變換方法轉(zhuǎn)換得到T-S模糊模型，對(duì)非變體和變體下的棲落機(jī)動(dòng)控制過程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明帶有變體結(jié)構(gòu)的無人機(jī)能提高棲落機(jī)動(dòng)中升降舵抗飽和能力，具有更強(qiáng)的操縱性能。

4 微型無人機(jī)棲息方法

4. 1 多旋翼無人機(jī)

4.1.1 棲息位置選擇

新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系Wang 等［91］提出一種用于多旋翼無人機(jī)離線棲息位置選擇的方法，來選擇感興趣的棲息地，選擇方法分為預(yù)選和精選，并在選擇過程中同時(shí)考慮幾何和任務(wù)約束，包括相機(jī)范圍、屋頂面積、坡度和視線等，最終生成一組排名靠前的棲息位置。

4.1.2 棲息仿生軌跡與方法

上海大學(xué)機(jī)電一體化與自動(dòng)化學(xué)院Zhang等［92-93］提出了一種基于時(shí)間接觸理論的仿生軌跡生成方法，研究了直線軌跡、俯仰角耦合棲息和俯仰/偏航角耦合棲息3 種策略，結(jié)果表明飛行軌跡滿足無人機(jī)在物體上棲息的要求。南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院Chi［94］將棲息過程概括為棲息前、棲息中和棲息后3 個(gè)階段，并提出棲息方法學(xué)，借助自行設(shè)計(jì)的抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明棲息機(jī)構(gòu)能對(duì)棲息目標(biāo)物可靠、自動(dòng)的棲息抓取，驗(yàn)證了無人機(jī)棲息控制算法的正確性。

4.1.3 棲息算法設(shè)計(jì)

中國(guó)石油大學(xué)（華東）Luo 等［9］提出了一種用于復(fù)制高度自適應(yīng)鳥類棲息行為的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，借助姿態(tài)控制器和自定位系統(tǒng)調(diào)節(jié)棲息機(jī)動(dòng)，結(jié)果表明該方法是有效的。印度科學(xué)院航空航天工程系Maitra 等［95］介紹了可用于無人機(jī)自主棲息的仿生算法，描述了基于視覺的數(shù)據(jù)采集無人機(jī)導(dǎo)航方法，單目相機(jī)的視覺數(shù)據(jù)可用于無人機(jī)棲息的姿態(tài)控制和平面動(dòng)力學(xué)建模分析。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院電氣工程學(xué)院Lee 等［72］提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法來進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用中的傾斜式旋翼無人機(jī)棲息機(jī)動(dòng)控制，通過試驗(yàn)證明提出的方法克服了多旋翼傾斜復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問題，具有較強(qiáng)的魯棒性。德國(guó)航空航天中心Tomi? 等［96］提 出 了 一種 四 旋 翼無 人 機(jī) 機(jī)動(dòng) 學(xué) 習(xí)和在線推廣方法，應(yīng)用最優(yōu)控制求解器來求解棲息機(jī)動(dòng)問題，仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在平面點(diǎn)到點(diǎn)和棲息機(jī)動(dòng)中的有效性。

4.1.4 棲息視覺導(dǎo)航

加州大學(xué)電氣工程系Ghadiok 等［97］提出了利用機(jī)載單目攝像機(jī)視覺同步定位和映射算法解決無人機(jī)在室內(nèi)室外棲息機(jī)動(dòng)導(dǎo)航的問題，試驗(yàn)表明該無人機(jī)存在干擾的情況下自主導(dǎo)航并在傾斜表面自主棲息。科羅拉多州立大學(xué)機(jī)械工程系Zhang 等［98］提出一種視覺算法來估計(jì)棲息物體的表面斜率，搭配距離傳感器和單目攝像機(jī)可同時(shí)估計(jì)X 和Y 方向的表面斜率，試驗(yàn)結(jié)果表明該算法比以往算法更優(yōu)。紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院Mao 等［73］提出使用視覺和慣性傳感器解決無人機(jī)在傾斜表面上自主棲息的估計(jì)、規(guī)劃和控制問題，通過機(jī)載傳感器計(jì)算導(dǎo)航棲息到目標(biāo)位置，最終試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

4.1.5 棲息控制策略

南洋理工大學(xué)Chi 等［7］提出了一種四旋翼自主棲息的控制策略，通過學(xué)習(xí)鳥類棲息過程推導(dǎo)出自主棲息所需的函數(shù)，并在控制策略設(shè)計(jì)中完全考慮了這些函數(shù)，最后試驗(yàn)表明該控制策略搭配自主設(shè)計(jì)的抓取機(jī)構(gòu)能使無人機(jī)自主棲息到目標(biāo)點(diǎn)。曼徹斯特大學(xué)Nagendran 等［22］將自適應(yīng)鐘形剛度控制器和速度匹配方案相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全成功的棲息著陸機(jī)動(dòng)，并指出該機(jī)動(dòng)所需的精度和高速運(yùn)行受到可用的執(zhí)行器性能和硬件控制帶寬的限制。斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系Roderick 等［30］發(fā)現(xiàn)閉環(huán)平衡控制在最大化棲息所需參數(shù)的范圍起著重要作用，為確定足以成功棲息的硬件設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、行為和棲息參數(shù)的范圍做出指導(dǎo)。南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系Liu等［46］發(fā)現(xiàn)當(dāng)無人機(jī)在飛行和附著之間切換時(shí)很難控制接觸力，且無人機(jī)會(huì)因與環(huán)境的異常接觸而損壞，基于此提出了一種用于仿生飛行和附著機(jī)器人的阻抗控制方法，以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的平穩(wěn)接觸，并應(yīng)用所提的阻抗控制方法調(diào)節(jié)與環(huán)境的接觸力。

北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人研究所Ding 等［53-54］介紹了一種穩(wěn)定控制策略，使無人機(jī)在爬壁模式下保持姿態(tài)穩(wěn)定，并采用遞歸方法對(duì)無人機(jī)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模，試驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院城市機(jī)器人試驗(yàn)室Myeong 等［66］提出了一種通過低速改變姿態(tài)在垂直表面棲息的機(jī)理和控制算法，借助此控制方法可以解決無人機(jī)在棲息時(shí)因快速姿勢(shì)變換和著陸速度而帶來的沖擊問題，降低棲息風(fēng)險(xiǎn)提高成功率。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院電氣工程學(xué)院Lee 等［71］發(fā)現(xiàn)由于旋翼電機(jī)偏置、伺服電機(jī)減速和傾斜角受單向限制，這些情況可能會(huì)導(dǎo)致常規(guī)控制方法出現(xiàn)嚴(yán)重問題，針對(duì)這一問題，提出了一種控制方法—準(zhǔn)解耦控制，該方法克服了伺服電機(jī)的慢動(dòng)態(tài)特性和角度約束的局限性，取得了良好的控制效果。斯坦福大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)Pope 等［77］提出了控制和規(guī)劃算法，使一個(gè)帶有向下抓取器的欠驅(qū)動(dòng)的四旋翼?xiàng)⒃趦A斜的表面，同時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)和傳感的約束，試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的控制方法可以使無人機(jī)成功地棲息在各種傾斜和垂直的玻璃表面上。

廣東工業(yè)大學(xué)蔣俊高［80］提出了一種基于四軸無人機(jī)的仿生壁面自動(dòng)起降系統(tǒng)，通過對(duì)壁面降落過程進(jìn)行分析，深入研究起降控制策略和碰撞勢(shì)能轉(zhuǎn)換問題，設(shè)計(jì)了起降機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的降落控制策略及算法，同時(shí)對(duì)降落發(fā)生碰撞和彈離壁面的過程分別建模進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，最后仿真驗(yàn)證了該模型的可靠性和正確性。南京理工大學(xué)葉希［99］對(duì)四旋翼無人機(jī)在近面環(huán)境下的控制技術(shù)進(jìn)行研究，并提出了一種結(jié)合阻抗和非線性PID 控制策略，試驗(yàn)結(jié)果證明該策略能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在飛行吸附中對(duì)位置和力良好的控制。西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院孫楊等［100］提出用“軌跡規(guī)劃+跟蹤控制”的方法實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)垂面棲息過程，并用幾何跟蹤控制方法對(duì)其改進(jìn)，仿真結(jié)果表明改進(jìn)跟蹤控制方法能很好實(shí)現(xiàn)垂面棲息。

4. 2 固定翼無人機(jī)

4.2.1 棲息氣動(dòng)特性與動(dòng)力學(xué)建模

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院航空航天工程系Tahk等［101-102］提出了固定翼無人機(jī)高位著陸棲息的概念，建立了無人機(jī)在氣動(dòng)力和推力力矩作用下的平面剛體運(yùn)動(dòng)模型，通過將仿真結(jié)果與最優(yōu)軌跡進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該概念的實(shí)用性。布里斯托大學(xué)Greatwood 等［103］使用非線性約束優(yōu)化器和深度網(wǎng)絡(luò)生成并評(píng)估在地面上執(zhí)行棲息著陸的軌跡，結(jié)果表明生成的軌跡可降低空速使無人機(jī)安全著陸棲息。佛羅里達(dá)理工學(xué)院Go 等［104］提出了一種三維駐留概念，通過弧形軌跡引入無人機(jī)的快速減速，從而改善了二維駐留性能，結(jié)果表示可在更短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)著陸棲息。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院何真等［105］對(duì)固定翼無人機(jī)棲落機(jī)動(dòng)的縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了氣動(dòng)特性建模與軌跡優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明以不同初始速度進(jìn)行棲落都可以棲息到同一位置。

4.2.2 棲息機(jī)動(dòng)控制

電子科技大學(xué)鄒文露［106］研究了無人機(jī)穩(wěn)定棲息在垂直墻面的過程實(shí)現(xiàn)無人機(jī)短距離飛行后的穩(wěn)定棲息，通過李雅普諾夫函數(shù)方法分析固定翼無人機(jī)棲息時(shí)的吸引域，有效估計(jì)平面與垂直表面接觸時(shí)的機(jī)械穩(wěn)定性。佛羅里達(dá)理工學(xué)院Go 等［107］提出了一種在動(dòng)態(tài)失速影響下進(jìn)行側(cè)滑駐留機(jī)動(dòng)的滑?？刂撇呗裕ㄟ^滑?？刂撇呗詠斫鉀Q動(dòng)態(tài)失速延遲的非線性、非定常區(qū)域動(dòng)態(tài)跟蹤問題，最后在不同的場(chǎng)景下驗(yàn)證了該策略的可行性。約翰斯·霍普金斯大學(xué)Moore 等［108］開發(fā)了一種基于非線性模型預(yù)測(cè)控制和LQR-Trees的非線性反饋控制，通過試驗(yàn)成功率達(dá)95%，即使在失速后也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的棲息。

喬治華盛頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系Crandall 等［109］提出了一種利用無人機(jī)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心來檢測(cè)棲落的方法，提出了基于積分加速度計(jì)獲得無人機(jī)上不同點(diǎn)速度和利用這些點(diǎn)加速度大小來估計(jì)該點(diǎn)到瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心的距離2 種方法，通過這2 種方法來檢測(cè)棲息機(jī)動(dòng)何時(shí)發(fā)生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院何真等［110］研究了固定翼無人機(jī)棲落機(jī)動(dòng)軌跡跟蹤控制設(shè)計(jì)與吸收域優(yōu)化計(jì)算方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了棲落機(jī)動(dòng)軌跡跟蹤控制律的有效性，以及可以獲得更大的吸引域。同時(shí)針對(duì)固定翼無人機(jī)棲落機(jī)動(dòng)過程的縱向運(yùn)動(dòng)研究了一種在線計(jì)算量小的棲落機(jī)動(dòng)魯棒預(yù)測(cè)控制方法，仿真結(jié)果表明該控制方法具有良好的控制效果［111］。

4. 3 棲息方法特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

通過上述對(duì)多旋翼和固定翼無人機(jī)棲息方法進(jìn)行分類研究分析，總結(jié)出以下特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。

1） 多旋翼無人機(jī)棲息方法分類更加細(xì)致，技術(shù)方法相對(duì)更加成熟，圍繞整個(gè)棲息過程可將棲息方法分為棲息位置選擇、棲息軌跡設(shè)計(jì)、棲息算法設(shè)計(jì)、棲息視覺導(dǎo)航及棲息控制策略5 個(gè)方面。未來研究中也可將棲息位置選擇、棲息算法設(shè)計(jì)和棲息視覺導(dǎo)航等引入到固定翼無人機(jī)的棲息方法研究中，通過對(duì)無人機(jī)棲息方法更加細(xì)致、全面的分類研究，有助于提升無人機(jī)棲息的可靠性與成功率。

2） 未來可對(duì)棲息位置的選擇進(jìn)行更深入研究，棲息位置的優(yōu)劣會(huì)直接影響無人機(jī)棲息的成功與否；其次，無人機(jī)對(duì)目標(biāo)棲息物體的表面探測(cè)決定了棲息軌跡的設(shè)計(jì)及棲息機(jī)構(gòu)能否抓扣或吸附到棲息物體上，之后的研究中要增強(qiáng)無人機(jī)對(duì)棲息物體表面的探測(cè)能力，比如利用單雙目視覺傳感器、超聲波傳感器、距離傳感器等對(duì)棲息物體表面斜率和大小以及距離進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

3） 無人機(jī)超機(jī)動(dòng)控制與棲息機(jī)構(gòu)和電機(jī)傾斜角度耦合控制是無人機(jī)棲息中的難點(diǎn)，尤其是在傾斜表面或垂直壁面、天花板等進(jìn)行棲息時(shí)會(huì)對(duì)無人機(jī)控制提出更高的要求，未來研究中可在棲息控制中引入機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法，通過對(duì)現(xiàn)有的控制策略進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)棲息更好的控制。

5 結(jié)束語

1） 本文著重研究分析了基于不同棲息原理的棲息機(jī)構(gòu)，并分析了其特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)闡述了無人機(jī)抓取與無人機(jī)機(jī)械抓扣棲息和仿生機(jī)械抓扣棲息的聯(lián)系。將爬壁無人機(jī)概括為基于螺旋槳式棲息的類別，屬于無人機(jī)棲息的研究領(lǐng)域。

2） 研究分析了變體無人機(jī)在棲息領(lǐng)域的應(yīng)用，變體無人機(jī)主要為固定翼無人機(jī)，通過改變無人機(jī)的機(jī)翼前掠角或后掠角的角度來降低無人機(jī)棲息前的空速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的棲息或?qū)C(jī)翼分為多段，并單獨(dú)通過角度控制實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的棲息。未來也可以進(jìn)行多旋翼無人機(jī)變體機(jī)構(gòu)的研究，通過旋翼電機(jī)角度變化來完成棲息或爬壁。

3） 基于不同飛行平臺(tái)將無人機(jī)分為多旋翼和固定翼兩大類來進(jìn)行棲息方法的研究。內(nèi)容主要為無人機(jī)的棲息位置選擇、基于時(shí)間接觸理論的仿生軌跡設(shè)計(jì)、視覺棲息導(dǎo)航、無人機(jī)的氣動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)建模以及相應(yīng)的棲落機(jī)動(dòng)控制等。通過對(duì)無人機(jī)棲息方法的研究歸納分析，可為后續(xù)從事該方面的研究人員提供參考和借鑒。