像鳥類壹樣在垂直墻壁上棲息?現在固定翼無人機也能做到了
編譯:談喆;編輯:小琳;來源:深圳灣原創

對於四旋翼無人機來說,在垂直墻壁上停靠棲息,並不是壹件新鮮事。四旋翼無人機在懸停與滑翔性能上的優越性,使其能在與地面垂直的墻壁上輕易實現停靠棲息。
但對於固定翼無人機來說,要實現靠墻棲息技術就沒有那麽簡單了。因為無人機要想順利抓住墻壁,需要在靠近墻壁的那壹剎那實現懸停,且要求運動速度接近於零,否則容易因為撞擊力度過大而被反彈,導致著陸失敗。
固定翼無人機不像多旋翼無人機那樣可以輕易地懸停在半空,壹旦速度降為零,機翼底部的氣流停止,固定翼無人機也就失去了穩定的升力。只有非常小心地利用好這個「速度為零」的機會,讓無人機剛好抓住墻壁,才能成功實現棲息。
而來自 Sherbrooke 大學的機械工程博士 Alexis Lussier Desbiens 認為:要實現固定翼無人機垂直棲息並不是壹定要熄火或是保持低速飛行,關鍵在於能否控制好無人機,使其能像鳥兒壹樣利用翅膀產生的推力來降低飛行速度,實現軟著陸。
按照這個想法,Sherbrooke 大學團隊開發了壹款多模式自動無人駕駛機(S-MAD),依據上述類似的著陸技術以及飛機底部壹些微型的棘式機構,使得固定翼無人機能可靠地棲息在垂直墻壁上,並能再次起飛。

這裏面有幾個技術要點:
第壹,提供升力,在無人機靠近墻壁時,固定翼無人機前方螺旋槳開始工作,變成壹架臨時直升機;推進器不再向前產生動力,轉而向上產生升力(升力大約為重力的 1.5 倍);當無人機機身與地表方向形成壹定的夾角時,機翼與空氣摩擦產生的阻力能幫助減速,並逐漸靠近墻壁(使用激光測距儀監測無人機與墻壁間的距離)。
第二,要最大限度地擴大「合適的著陸區」,或是能保證無人機的速度足夠穩定,在傳感器及底部抓取機構的幫助下安全著陸。
第三,需要壹個牢靠的「棲息系統」,例如要有足夠彈性的底部抓取機構,使得無人機在接觸墻壁那壹刻能夠穩穩抓住墻壁而不至於跌落。
在室內環境下的測試中 ,S-MAD 在 20 次實驗中均成功實現垂直著陸,未來還將會在墻壁的接觸部位添加更多傳感器,甚至實現在垂直墻壁上進行攀爬移動。
在壹次媒體訪問中,Alexis Lussier Desbiens 博士透露了更多的技術細節:
提問 | S-MAD 在棲息機器人中的表現十分突出,其原理是什麽呢?這種棲息功能的意義是什麽?
盡管現在有不少四軸飛行器能夠停靠在在各種非水平的平面上,但我們也希望固定翼無人機也能做到這壹點,因為在長途飛行中,固定翼無人機的飛行效率要比四旋翼無人機高得多。
目前,我們知道的其他具有棲息功能的固定翼無人機僅有兩款,但這些無人機系統只能在很小的區域內實現。可停靠區域過小的不足之處在於:隨著測試距離的擴大,無人機飛行速度的增加,產生撞擊而失敗的可能性也越大。
從空氣動力學的角度來看,當無人機高速接近目標點時,需要擴大阻力的作用以消耗動量,將速度降低到合理的範圍,這也是為什麽鳥兒在觸地之前會向目標方向大力扇動翅膀,以實現迅速降速的的原因。
提問 | 目前這套無人機系統的棲息技術穩定性怎麽樣?有什麽樣的故障恢復技術?
在實驗室裏的表現很不錯,我們已經實現了 20 多次在不同飛行速率下的連續停靠棲息。通過仿真,我們進行了多樣化的參數設計,並實現了無人機系統的高魯棒性。我們在天氣不錯的情況下也已經完成了十幾次室外飛行,今後會持續進行室外測試,以盡量減少環境中的限制因素。
目前我們也在進行各樣的失敗原因分析,例如進場速度不合適、墻面太光滑等,並分別在觸墻前、觸墻、及觸墻後這三個階段進行故障監測。理論上說在所有情形下,起飛策略都應該允許我們在不同的階段中止機動、增加升力、並能從墻上再次起飛,找到不同的停靠點。
提問 | 如果采用不同的抓取硬件方案,停靠棲息的方式會發生什麽樣的變化?
我們喜歡用細長的棘式腿結構,因為它們結構簡單又很輕便。然而,他們有相當嚴格的受力限制,以保證機身能被成功粘附在垂直墻壁上。而在光滑墻壁上,我們可以使用定向幹式粘合劑(靈感來自壁虎)。

斯坦福大學機械工程研究實驗室(MERL)的研究員在過去幾年裏,基於微型棘式結構和幹式粘合劑開發出了許多抓取機構。由於夾抓力大,這些機構具有很大的應用空間。他們能保證無人機不容易因撞擊而反彈,並且適用於無人機像壁虎壹樣在墻上棲息,此前這些工具已有應用在四旋翼無人機上,並取得了不錯的試驗效果。
也有壹些其他類型的吸附技術,如利用磁力、電力產生吸附力。不管采用哪種,我們最終的目標都是要實現在光滑墻壁上實現低速可控的停靠,這就需要我們將多種解決方案整合在壹起。
提問 | 請談壹談目前正在研究的無人機攀登爬墻功能
這是我們現階段正在研究的課題。如何能通過多種運動模式相結合來實現這個功能呢?我們舉個最簡單的例子。
最簡單的運動模式就是壹邊有頭部螺旋槳在轉動的過程中提供升力,壹邊允許腿部機構能在墻壁上滑行。當目的地比較遠的時候,我們甚至會讓無人機先飛起來,在離目標點比較近的地方再次停靠然後向目標點滑行。
飛行比攀爬肯定是壹個更有效的運動方式,與純粹的攀爬相比,螺旋槳帶來的升力能幫助無人機快速移動。然而如何在不同運動模式之間流暢地切換是壹個棘手的問題。這之中需要考慮到成本、速度、敏捷性等問題;除此之外還得考慮壹些難以量化的因素,如齒輪效率、飛行及攀爬過程中機械壹些機械組件的選用、運動模式間的切換時間,以及螺旋槳尺寸、電池尺寸等等問題。
問 | 像這樣的設備可以有怎樣的實際應用?
像鳥兒壹樣的棲息能力能使得小型無人機具有執行長期任務的能力,例如能在幾天甚至幾周內連續運行而並不需要人工幹預。無人機能在指定的站點停靠充電,沖滿電後自動起飛前往下壹個站點。這種能力賦予無人機更多的可能性,能用在長期監視、檢查建築結構、甚至是重構傳感網絡。■
註:本文翻譯自 IEEE Spectrum 報道,項目來自加拿大 Sherbrooke 大學由 Alexis Lussier Desbiens 教授主導的實驗室,研究員包括 Dino Mehanovic,John Bass,Thomas Courteau 和 David Rancourt ,項目研究成果已在 2017 年斯坦福大學仿生機器人大會上發表,並獲得了最佳論文獎。
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