昌 敏，孫 楊，白俊強，

（1.西北工業(yè)大學無人系統(tǒng)技術研究院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學航空學院，西安 710072）

1 引 言

微型無人機（Micro Aerial Vehicle，MAV）具有飛行速度快、體型小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點，在民用和軍事方面應用廣泛。在民用方面，微型無人機可以執(zhí)行航空攝像、環(huán)境數(shù)據(jù)采集等任務。在軍事方面，微型無人機廣泛裝備于城市反恐特種作戰(zhàn)的班、排及單兵作戰(zhàn)層級，提供即時戰(zhàn)場情報，戰(zhàn)術級分隊的決策輔助，密閉空間的偵察與搜救，為班排級特種戰(zhàn)斗開辟“鳥瞰視角”等。表1為幾款典型的小型或微型無人機的性能參數(shù)，其中Raven［1］是美軍現(xiàn)役手擲小型無人機型號，Black Widow［2］為美國航境公司研制的翼展15cm的固定翼微型飛行器，DelFly Ⅱ［3］為荷蘭代爾夫特大學MAV 實驗室的仿果蠅撲翼飛行器，Black Hornet［4］為FLIR公司的微型直升機，Spark［5］為中國大疆公司的可折疊微型多軸無人機貨架商品。

表1 不同微小型無人機系統(tǒng)對比Table1 Comparison of different MAVs

由表1可以看出：小型固定翼飛行器利用高效氣動布局、更多的能源攜帶量以及低翼載荷，可實現(xiàn)小時級的滯空飛行。但是，由于微型無人機質量輕，尺寸小，飛行時間為數(shù)分鐘或者十幾分鐘，任務時間很短。受鳥類長時間飛行后的棲息現(xiàn)象啟發(fā)，微型無人機如果具備棲息?？磕芰Γ热鐥⒂谧匀唤绲膽已?、樹干或者城市地區(qū)中的建筑物墻壁等垂面，將大大延長其任務時間。微型飛行器從棲息態(tài)轉至飛行態(tài)需要垂面具備一定的高度，提供勢能以提高脫離復飛成功率。具備垂面棲息能力的微型無人機具有更為廣泛的應用前景，如風力發(fā)電機故障檢測［6］，電力巡線與橋梁檢測［7-8］，城市移動安防監(jiān)控，近程信號中繼，復雜環(huán)境的搶險救災［9］等。

棲息無人機是微型無人機與傳統(tǒng)爬行機器人的有機結合，隨著傳感器、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，像鳥類一樣既能飛行又能棲息的多模態(tài)循環(huán)切換成為可能。美國麻省理工學院的Cory與Moore等［7-8，10-14］對輸電線纜（powerline）棲息開展系統(tǒng)研究。美國斯坦福大學仿生與靈巧操作實驗室（BDML）的Morgan［15］等開展了垂面棲息與垂面爬行的旋翼無人機SCAMP（Stanford Climbing and Aerial Maneuvering Platform）研究。BDML的Alexis［16-17］等開展了垂面棲息與垂面爬行的固定翼無人機研究。加拿大謝布克大學的Dino［18］提出了基于微棘機構的動力輔助垂面棲息微型無人機解決方案。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的Mirko等［19］采用針刺（dart）插入垂面實現(xiàn)無人機垂面棲息。

2 典型工作流程與系統(tǒng)組成

2.1 典型流程

無人機垂面棲息的典型流程分為4個階段，如圖1所示。

圖1 棲息過程示意圖Fig.1 Artistic representation of perching

（1）壁面探測

棲息無人機在飛向垂面過程中，測距傳感器測出無人機與垂面之間的距離。

（2）拉起

當壁面探測距離達到某一設定值，棲息機動指令開始執(zhí)行。無人機升降舵上偏，拉起機動使無人機俯仰角不斷增大，然后借助阻力增大來實現(xiàn)減速，在這個過程中需要嚴格控制俯仰角的范圍，使得俯仰角速度趨近于零。無人機以較低的飛行速度、接近90o的俯仰角以及較低的俯仰角速度接近垂面，實現(xiàn)成功棲息。對于前期飛行速度較快，無人機俯仰角速度過大的情況，在后一階段，可能需要操作舵面下偏以實現(xiàn)抑制上仰趨勢。

（3） 超機動掛壁

從無人機貼上墻壁開始便展開一系列機構聯(lián)動，實現(xiàn)棲息組件與垂面的緊連接。不同棲息組件的掛壁過程的機構動力學原理不同，差異較大。

（4） 復飛

棲息結束時，可再次進入飛行模態(tài)。棲息組件釋放收回，無人機即可脫離垂面。利用重力勢能，無人機下降加速，當飛機在達到合適的速度之后，舵面能夠提供足夠的操縱力矩，控制無人機恢復正常飛行。棲息無人機的工作全流程如圖2所示。

圖2 典型無人機棲息流程圖Fig.2 Flow chart of perching

2.2 系統(tǒng)組成

垂面棲息無人機的系統(tǒng)組成主要包括超機動飛行平臺以及棲息組件兩大部分，具體構成如圖3所示。

垂面棲息微型無人機的方案眾多，例如，粘性墊、吸盤抽吸、微棘、針刺、仿生足、磁力、電荷吸引等，接下來將著重介紹微棘式、仿生足式與針刺式三種棲息組件的棲息無人機飛行原理。

圖3 棲息無人機系統(tǒng)組成Fig.3 System components of perching UAV

3 微棘式棲息

3.1 棲息裝置

微棘式棲息裝置布置在柔性支架的末端，并作用在垂面的粗糙顆粒上，粗糙顆粒對微棘的作用力用于平衡沖擊過程中動態(tài)載荷以及最終穩(wěn)定后的重力和力矩。微棘具體結構如圖4所示。

圖4 微棘簡化模型［9］Fig.4 Illstration of microspine［9］

微棘的簡化模型如圖5所示，圖中3、4 為切向彈簧阻尼系統(tǒng)，用以減緩切向速度所帶來的沖擊載荷，5為法向彈簧阻尼系統(tǒng)，用以減緩法向速度所帶來的沖擊載荷。

圖5 微棘式棲息無人機模型［9］Fig.5 Artistic representation of microspine［9］

微棘在貼壁過程中，受到較大的作用力或當法向力與切向力的比值超過一定值時，都會導致棲息失敗。通常對微棘式棲息裝置的研究都將其簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)，實驗與計算結果［9］表明，同一剛度、阻尼特性條件下，微棘受到的作用力與自身位移正相關，因此位移越大，越容易導致失敗，所以必須限制微棘的最大許用行程。當最大許用行程減小時，系統(tǒng)阻尼比也需要增大，因為位移縮短，其時間也會縮短，耗散同樣的能量，位移變小，就需要提高阻尼來增加做功的行程。但是阻尼增大，會導致初始作用力增大，對結構強度提出更高的要求，使得結構更重。如果采用庫倫摩擦阻尼來取代粘性阻尼，摩擦阻尼平衡位置不確定，并且很難設定其摩擦力水平。將兩種阻尼機制結合到一起，可以獲得一個較好的結果。

3.2 棲息原理

棲息能否成功，直接取決于微棘的受力情況，因此首先對微棘的動力學特性進行分析。微棘工作過程中受到的切向力與法向力構成的區(qū)域即為限制平面，如圖6所示。法向力為負值，表明受到的作用力使無人機遠離垂面。切向力為正值，無人機受到沿重力方向的作用力。

微棘的作用力包括法向力fn和切向力fs，fn＞0表示墻面與微棘是相互擠壓的，fs＞0表明微棘有下滑的趨勢。靜止時，正壓力為負值，因為重心在墻面之外；無人機有遠離的趨勢，切向力為正值。微棘式棲息組件在掛壁棲息過程中的邊界約束如表2所示。

圖6 微棘棲息的限制平面［9］Fig.6 Limit surface of microspine［9］

表2 微棘作用力約束Table2 Constraints on spine forces

對限制平面以及約束表進行分析，可以得出脫離表面主要是三種原因：

（1）從顆粒表面滑落，因為受力方向不當，導致法向力與切向力比值超過限制曲線的邊界。

（2）沖擊力過大，使得原本適合棲息的顆粒被破壞。

（3）微棘的作用力超過了最大值，彈性變形觸發(fā)了過載保護，導致微棘收回。

限制平面由兩條邊界曲線和沖擊載荷約束的邊界所圍成，所包圍區(qū)域視為安全區(qū)域。但是安全區(qū)域內(nèi)的某些情況下，依然會引起偶然性的棲息失敗。之所以會出現(xiàn)偶然的失敗，是由微棘與墻面接觸的概率特性所決定的。雖然理論上能保證棲息成功，但在實際中會受很多因素影響，例如，粗糙顆粒在表面的分布是隨機的，其所能承受的載荷角也是隨機的，取決于其形狀和當?shù)啬Σ翖l件。因此，可以采用多余度設計理念，既可以承受較大的動態(tài)過載，又可以保證成功率。工作過程中，多組微棘會同時在表面滑動，尋找合適接觸點，因此，所有微棘全部沒有接觸到合適的粗糙顆粒并獲得反作用力的情況是低概率事件。即使初始接觸失敗，只要保證無人機與墻面仍然緊貼，無人機下滑之后會再次接觸，實現(xiàn)棲息。

不同垂面表面特征的限制曲面有所不同，但是其規(guī)律大致相同，不同之處在于哪種失效機制占主導，比如普通瀝青墻面，對于法向力和切向力比值比較敏感。而混凝土表面，受限于每個微棘允許的最大作用力和撓曲變形，主要取決于過載保護特性。

微棘式棲息能否成功，直接取決于微棘在沖擊過程中所受到的動態(tài)載荷能否滿足前述約束平面。而相同情況（飛行速度和角度以及系統(tǒng)質量、慣量等）下，微棘的動態(tài)載荷則取決于懸架系統(tǒng)的彈性和阻尼特性。因此，基于前述對微棘的定性分析，還要分析懸架系統(tǒng)的動力學特性。加裝微棘的棲息組件如圖7所示，其簡化模型如圖8所示。將兩側的棲息組件合并為一個機構，機身簡化為剛體，并忽略其上的氣動力作用，因為此時的速度已經(jīng)很低。相比機身的質量，懸架系統(tǒng)本身質量很小，因此建模時忽略其影響。

因為涉及多個運動機構，所以引入4個右手法則的參照系，墻面參照系為垂直和平行于表面的單位矢量Wx、Wy，沿機身軸線和垂直機身軸線的機身參照系ax、ay，平行和垂直于根部短桿的矢量fx、fy以及平行和垂直于貼面的矢量tx、ty。因為需要考慮柔性支撐桿的彎曲剛度，所以簡化是為方便起見，并沒有將其用梁來代替，而是用繞有轉動剛度和阻尼的節(jié)點的桿來代替，如此簡化的柔性支撐桿分為兩部分，一部分與根部短桿連接視為剛體，另一部分視為可以轉動的桿，轉動點賦予轉動剛度和阻尼。

懸架系統(tǒng)包括3 個銜接部位：根部連接節(jié)（hip）、轉折點（knee）和末端結點（ankle）。兩個支撐桿：根部短桿（femur）和柔性支撐桿（tibia）。根部關節(jié)和末端結點處都布置有泡沫，提供剛度和阻尼，通過在根部放置泡沫，限制根部僅可有小范圍運動，來防止機身相對垂面有較大的位移，從而保護電機免受可能出現(xiàn)的撞擊。連接轉折點與末端結點的柔性支撐桿由于其長度較長，自由端受力時有較大彎曲，因此必須考慮其彎曲剛度，而連接根部結點與轉折點的根部短桿則可認為是剛體。

圖7 微棘式棲息組件［9］Fig.7 Compliant leg suspension of microspine ［9］

圖8 微棘式棲息組件的動力學建模［9］Fig.8 Dynamics model of suspension［9］

在超機動掛壁過程中，如果將無人機剩余能量直接傳遞到微棘上，將會很容易導致棲息失敗，一是直接作用力更大，觸發(fā)過載保護，二是切向速度引起較大的切向力，超出限制平面的邊界約束。因此，棲息組件的作用就是吸收沖擊時的能量，利用自身的彈性與阻尼特性，簡化機身對微棘的沖擊，同時減小向機身傳遞的反作用力，使微棘所受的作用力滿足限制曲面，確保棲息成功。通過設計棲息組件的幾何結構與參數(shù)，使其能夠滿足較大范圍的著陸速度與俯仰角。其適應性越強，對機載傳感器和飛行控制的要求就越低，著陸過程就越簡單和魯棒。

3.3 復飛

復飛過程如圖9所示，其過程包括起飛時刻的狀態(tài)信息獲取、無人機與垂面分離以及復飛后的姿態(tài)控制。

圖9 復飛實驗［17］Fig.9 Multiple exposure photograph of the takeoff sequence［17］

（1）微棘收放

微棘機構如圖10 所示，通電后，記憶合金線收縮，搖臂繞其旋轉點旋轉，牽動微棘旋轉，使得微棘脫離墻面。通電大約0.15s內(nèi)，記憶合金線可以收縮0.6cm。

圖10 微棘收放機構［17］Fig.10 Spine detachment［17］

（2）姿態(tài)測量

姿態(tài)信息的獲取至關重要，它是接下來的控制的輸入。但是，無人機在起飛時刻前后的姿態(tài)會受到多種因素干擾，如陣風干擾、時間延遲等。起飛前，借助加速度計獲得初始俯仰角，對陀螺儀角速度信息進行積分，獲得實時的姿態(tài)信息。

（3）復飛控制

測量初始信息，設定陀螺儀偏移量，利用副翼偏轉應對力矩問題，推重比保持略小于1，減小無人機與垂面的作用力，易于微棘收回。準備完成之后，0.15s內(nèi)記憶合金收縮，電機增大推重比，輔助分離，流程如圖11所示。

圖11 起飛流程圖［17］Fig.11 Flow chart of takeoff［17］

當無人機獲得足夠大的速度，舵面獲得足夠的操縱力矩時，就可以偏轉舵面，實現(xiàn)180°滾轉，回到正常飛行狀態(tài)。高推重比的飛機雖然效率上低一些，但是可以在緊湊的空間里實現(xiàn)起飛控制，也有助于著陸失敗恢復，一旦著陸失敗，可以立即轉入起飛模式，飛離墻面。通常來說，飛行器著陸時會立即抓住表面，一旦失敗，其速度和加速度的變化會產(chǎn)生變化，因此不難探測，所以可以在較小的下降速度時，立即收縮微棘，并增大推重比，進入飛行狀態(tài).

4 仿生足式棲息

微棘懸掛適用于具有一定粗糙度的表面，但針對一些光滑曲面，如玻璃等，仿生足更具有優(yōu)勢。仿生足的棲息裝置工作過程中僅僅依靠范德華力，接觸與分離時耗能少，適用于多種墻面，能夠反復使用。

4.1 棲息裝置

仿生足的棲息裝置可以用于無人機的棲息，如圖12、13 所示。也可用于捕捉太空碎片，可以利用自身的附著能力來捕捉太陽能帆板、燃料箱等，如圖14、15 所示。無人機沖擊垂面的A過程中，裝置內(nèi)部間距下降，將沖擊能量轉化為彈簧的勢能，并將系統(tǒng)鎖定在B狀態(tài)，從而提供持久切向力，以維持平衡重力的法向作用力分量。

圖12 旋翼仿生足式棲息裝置Fig.12 Quadrotor Micro Air Vehicle hanging from a glass surface using the directional adhesive Collapsing Truss Grasper

圖13 桿束收縮型仿生足簡化模型［22］Fig.13 Collapsing iruss crasper.

圖14 中心連接型仿生足式棲息裝置［22］Fig.14 MAV pivot linkage grasper［22］

圖15 中心連接型仿生足簡化模型［22］Fig.15 Simplified model of gecko-inspired biomimetic adhensive［22］

4.2 棲息原理

仿生足式無人機棲息大致過程如圖16 所示。為保證較小的沖擊力，盡量使機體與物面平齊。初始附著可能經(jīng)過幾次反彈來耗散能量。穩(wěn)定附著后施加切向力的同時產(chǎn)生垂直物面的相互作用力，無人機緊貼物面，將能量儲存在彈簧中。如果附著時仍有一定的角速度，還會經(jīng)歷抵抗扭轉的過程。

圖16 仿壁虎足爪棲息過程［22］Fig.16 Illstration of functional principles ［22］

（1）對齊垂面

無人機在飛向垂面時，可能與垂面存在一定的夾角。因此，無人機首先借助自身兩側外伸支架在與垂面作用時產(chǎn)生的力矩實現(xiàn)自身旋轉并對齊垂面。

（2）反彈緩沖

沖擊時的能量將會在初次接觸或者后續(xù)的再次彈起中被耗散，吸收能量的能力取決于設備的大小以及吸收能量時產(chǎn)生的作用力，后者是其自身的限制。此外，碰撞過程中，不能損壞設備，反彈過程中，不能超過附著裝置的行程。

（3）施加切向力

簡單的正向作用力并不能使其附著，除非有切向力作用在正確方向。因此為了能夠實現(xiàn)沒有外部切向力輸入情況下的附著，必須依靠系統(tǒng)本身產(chǎn)生相應的作用力。

通過一定的機械結構，可以將沖擊時產(chǎn)生的作用力轉化為切向力，但是大小要適中，否則也會導致失敗。多余能量可以被耗散掉或者存儲起來，換句話來說，力的作用可以來自一種主動機構，在加載之前，所有的觸腳都必須與表面接觸，因此，主動機構必須有精確傳感來保證時間節(jié)點準確。

（4）系統(tǒng)鎖定

一旦內(nèi)部機構產(chǎn)生了切向力，并且沖擊過程為系統(tǒng)注入了足夠的能量，系統(tǒng)就必須進入鎖定狀態(tài)，以保持切向力，這個過程通過提高棘輪和閉鎖來實現(xiàn)。

（5）抵抗扭轉

抓附過程中，由于不能準確的垂直飛向表面，并且自身可能有一定的旋轉，或者兩個觸腳未能同時著陸，都會引起著陸后主體部分的旋轉。系統(tǒng)本身應當還能承受一定的扭轉，并且能夠以最佳方式分散作用力，防止任意觸腳在這個過程中達到其自身受力上限引起脫落。如此，才能讓各個子系統(tǒng)的組合達到互相提升的目的。

4.3 復飛

當棲息結束時，并不需要施加額外的力使無人機與垂面分離。只需要打開鎖定機構，切向力消失，法向的與垂面之間的相互作用力也隨之消失。原本儲存的能量將會推動無人機與表面分離。

圖17 復飛過程Fig.17 Illustration of resuming flight

5 針刺式棲息

5.1 棲息裝置

洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）提出如圖18 所示三種結構來實現(xiàn)針刺棲息［19］。

圖18 針刺方案［19］Fig.18 Illustration of dart perching［19］

方案A利用對稱排列在前段的兩組針來棲息，這樣的結果沒有可動的緩沖部分，簡單輕便，缺點就是適應性低，僅在針刺恰好對準表面時，才能很好的刺入，發(fā)揮作用。同樣，方案A沒有緩沖部分，所以整體沖擊作用力比較大。假設MAV自身質量為20g，以4m/s的速度飛行，針嵌入表面深度為1mm，那么平均作用力大約為160N，對于無人機結構強度而言是無法承受的。方案B的裝置當其接觸表面時，針刺機構可以向表面伸出，針刺沿表面滑動，隨后刺入表面，這種方法可以很好的適應表面形狀。方案C集成了一個扭轉彈簧和兩個臂，無人機接觸墻面，彈簧就會釋放能量，兩個攜帶針刺手臂快速向前，將針插入表面。三種方案的對比如表3所示。

表3 三種方案定量對比表Table3 Quantitative comparison of three principles

方案C相比前兩個是更為有效的，其針刺的作用力可以通過改變彈力和手臂的重量來調整。減速距離可以通過改變手臂長度來調整，以此來減小沖擊過程對結構的反作用力。其缺點在于，需要引入一個扭轉彈簧，使得結構上相對復雜一些。方案C針刺裝置的細節(jié)如圖19所示。

5.2 棲息原理

圖19 針刺機械結構示意圖［19］Fig.19 Device of dart perching［19］

圖20 針刺棲息過程［19］Fig.20 Illstration of dart perching［19］

針刺棲息過程如圖20 所示：圖（a）觸發(fā)機構接觸表面，其向后移動；圖（b）原本緊貼的兩塊磁鐵分離，牽引線釋放，彈簧驅動手臂向前移動；圖（c）針刺進入表面，借助于垂面間的相互作用力，將系統(tǒng)能量轉化為克服刺入垂面的反作用力的功；圖（d）無人機在平衡支架的輔助下，進入平衡狀態(tài)。

兩塊用于控制位置的磁鐵可以產(chǎn)生推力，但其不是減速的主要原因。為了研究其影響，我們將計算MAV 所受到的作用力，無人機動能為10mJ，假設針刺減速距離為2mm，那么整個過程的作用力約為5N，其大小是復位彈簧作用力的28倍左右，對于質量較大的無人機而言，這個比例將會更大，因此我們可以認為，針刺的阻力是無人機減速的主要因素。

5.3 復飛

棲息結束時，微型電機驅動牽引線收回，將針刺與表面分離。但其自身產(chǎn)生的作用力較小，所以電機啟動后還需借助變速箱提高拉力，才可將微棘從垂面中收回。收回線的過程后期，與牽引線連接的磁鐵不斷下移，在另一塊磁鐵的吸附作用下進入凹槽并緊貼，推到觸發(fā)機構復位，電機產(chǎn)生的拉力將微棘拖出，無人機脫離墻面。

6 結 論

本文介紹垂面棲息無人機的優(yōu)點及其應用，梳理了垂面棲息的研究進展，介紹了垂面棲息的典型流程：探測、拉起、超機動掛壁、復飛，列舉了3種主要的棲息方式：微棘式、仿生足式、針刺式。結合棲息裝置來闡述相應的棲息原理以及如何實現(xiàn)復飛，得出結論如下：

（1）在某些情況下，地面可能布滿雜物，不適合降落，也不適合起飛。超機動飛行以及微棘等棲息裝置使得垂面棲息成為可能，避免了水平地面降落與起飛。而且棲息過程以及表面爬行機動相比持續(xù)飛行，消耗能量少，從而大大延長任務時間。

（2）典型的棲息超機動過程：向上偏轉升降舵，舵面有效迎角為負值，產(chǎn)生抬頭力矩。無人機俯仰角不斷增大，角速度呈上升趨勢。超過某個臨界俯仰角，升降舵有效迎角為正值，產(chǎn)生低頭力矩。無人機俯仰角不斷增大，但角速度呈減小趨勢。無人機利用過程中大攻角下的壓差阻力和粘性阻力來實現(xiàn)自身的快速減速。

（3）微棘式棲息適用于具有一定粗糙度的垂面，該方式魯棒性強，通過詳細的設計可以承受較大范圍的著陸情況。仿生足式棲息工作過程僅僅依靠范德華力，相比微棘對玻璃等光滑表面有著更好的附著能力。針刺棲息則避免了棲息超機動過程，減少了對飛行控制的需求，但是無法刺入鋼鐵等硬度較大的材質。

（4）研究表明，很多棲息的失敗來源于距離探測錯誤，導致無人機過早或過晚進入棲息模式。使用更加先進的傳感器代替目前使用的超聲波傳感器，將有利于棲息成功。

（5）目前使用的棲息裝置大多數(shù)為被動的，未來可以使用主動的棲息裝置，使無人機在垂面可以進行爬行，以便調整自己的位置和方向。