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2017-08-22

像鸟类一样在垂直墙壁上栖息?现在固定翼无人机也能做到了

对于四旋翼无人机来说,在垂直墙壁上停靠栖息,并不是一件新鲜事。四旋翼无人机在悬停与滑翔性能上的优越性,使得其能在与地面垂直的墙壁上轻易实现停靠栖息。

但对于固定翼无人机来说,要实现靠墙栖息技术就不那么简单了。因为无人机要想顺利抓住墙壁,需要无人机能能在靠近墙壁的那一刹那实现悬停,且运动速度接近于零,否则容易因为撞击力度过大而被反弹,导致着陆失败。

固定翼无人机不像多旋翼无人机那样可以轻易地悬停在半空,一旦速度降为零,机翼底部的气流停止,固定翼无人机就也就失去了稳定的升力。只有非常小心的利用好这个「速度降为零」的机会,使得无人机刚好能够抓住墙壁,稳定的停靠在垂直墙壁上,才能成功实现栖息。

而来自 Sherbrooke 大学的机械工程博士 Alexis Lussier Desbiens 认为:要实现固定翼无人机垂直栖息并不是一定要熄火或是保持低速飞行,关键在于能否控制好无人机,使其能像鸟一样利用翅膀产生的推力来降低飞行速度,并实现软着陆。

依据这个想法 ,Sherbrooke 大学团队开发了一款多模式自动无人驾驶机(S-MAD),依据上述类似的着陆技术以及飞机底部一些微型的棘式机构,使得固定翼无人机能可靠地栖息在垂直墙壁上,并能再次起飞。

这里面有几个技术要点:

第一,提供升力,在无人机靠近墙壁时,固定翼无人机前方螺旋桨开始工作,变成一架临时直升机;推进器不再向前产生动力,转而向上产生升力(升力大约为重力的 1.5 倍);当无人机机身与地表方向形成一定的夹角时,机翼与空气摩擦产生的阻力能帮助减速,并逐渐靠近墙壁(使用激光测距仪监测无人机与墙壁间的距离)。

第二,要最大限度地扩大「合适的着陆区」,或是能保证无人机的速度足够稳定,可以在传感器及底部抓取机构的帮助下安全着陆。

第三,需要一个牢靠的「栖息系统」,例如要有足够弹性的底部抓取机构,使得无人机在接触墙壁那一刻能够稳稳抓住墙壁而不至于跌落。

在室内环境下的测试中 ,S-MAD 在 20 次实验中均成功实现垂直着陆,未来还将会在墙壁的接触部位添加更多传感器,甚至实现无人机在垂直墙壁上进行攀爬移动。

在一次媒体访问中,Alexis Lussier Desbiens 博士透露了更多的技术细节:

提问 | S-MAD 在栖息机器人中的表现十分突出,其原理是什么呢?这种栖息功能的意义是什么?

尽管现在有不少四轴飞行器能够停靠在在各种非水平的平面上,但我们也希望固定翼无人机也能做到这一点,因为在长途飞行中,固定翼无人机的飞行效率要比四旋翼无人机高得多。

目前,我们知道的其他具有栖息功能的固定翼无人机仅有两款,但这些无人机系统只能在很小的区域实现。可停靠区域过小的不足之处在于:随着测试距离的扩大,无人机飞行速度的增加,产生撞击而失败的可能性也越大。

从空气动力学的角度来看,当无人机高速接近目标点时,需要扩大阻力的作用以消耗动量,将速度降低到合理的范围,这也是为什么鸟儿在触地之前会向目标方向大力扇动翅膀,以实现迅速降速的的原因。

提问 | 目前这套无人机系统的栖息技术稳定性怎么样?有什么样的故障恢复技术?

在实验室里的表现很不错,我们已经实现了 20 多次在不同飞行速率下的连续停靠栖息。通过仿真,我们进行了多样化的参数设计,并实现了无人机系统的高鲁棒性。我们在天气不错的情况下也已经完成了十几次室外飞行,今后会持续进行室外测试,以尽量减少环境中的限制因素。

目前我们也在进行各样的失败原因分析,例如进场速度不合适、墙面太光滑等,并分别在触墙前、触墙、及触墙后这三个阶段进行故障监测。理论上说在所有情形下,起飞策略都应该允许我们在不同的阶段中止机动、增加升力、并能从墙上再次起飞,找到不同的停靠点。

提问 | 如果采用了不同的抓取硬件方案,停靠栖息的方式将会如何变化?

我们喜欢用细长的棘式腿结构,因为它们结构简单又很轻便。然而,他们有相当严格的受力限制,以保证机身能被成功粘附在垂直墙壁上。而在光滑墙壁上,我们可以使用定向干式粘合剂(灵感来自壁虎)。

依靠干式粘合剂粘附在墙壁上的机械壁虎

斯坦福大学机械工程研究实验室(MERL)的研究员在过去几年里,基于微型棘式结构和干式粘合剂开发出了许多抓取机构。由于夹抓力大,这些机构具有很大的应用空间。他们能保证无人机不容易因撞击而反弹,并且适用于无人机像壁虎一样在墙上栖息,此前这些工具已有应用在四旋翼无人机上,并取得了不错的试验效果。

也有一些其他类型的吸附技术,如利用磁力、电力产生吸附力。不管采用哪种,我们最终的目标都是要实现在光滑墙壁上实现低速可控的停靠,这就需要我们将多种解决方案整合在一起。

提问 | 请谈一谈目前正在研究的无人机攀登爬墙功能

这是我们现阶段正在研究的课题。如何能通过多种运动模式结合来实现这个功能呢?我们举个最简单的例子。

最简单的运动模式就是一边有头部螺旋桨在转动的过程中提供升力,一边允许腿部机构能在墙壁上滑行。当目的地比较远的时候,我们甚至会让无人机先飞起来,在离目标点比较近的地方再次停靠然后向目标点滑行。

飞行比攀爬肯定是一个更有效的运动方式,与纯粹的攀爬相比,螺旋桨带来的升力能帮助无人机快速移动。然而如何在不同运动模式之间流畅地切换是一个棘手的问题。这之中需要考虑到成本、速度、敏捷性等问题;除此之外还得考虑一些难以量化的因素,如齿轮效率、飞行及攀爬过程中机械一些机械组件的选用、运动模式间的切换时间,以及螺旋桨尺寸、电池尺寸等等问题。

提问 | 像这样的设备可以有怎样的实际应用?

像鸟儿一样的栖息能力能使得小型无人机具有执行长期任务的能力,例如能在几天甚至几周内连续运行而并不需要人工干预。无人机能在指定的站点停靠充电,冲满电后自动起飞前往下一个站点。这种能力赋予无人机更多的可能性,能用在长期监视、检查建筑结构、甚至是重构传感网络。

注:本文翻译自 IEEE Spectrum 报道,项目来自加拿大 Sherbrooke 大学由 Alexis Lussier Desbiens 教授主导的实验室,研究员包括 Dino Mehanovic,John Bass,Thomas Courteau 和 David Rancourt ,项目研究成果已在 2017 年斯坦福大学仿生机器人大会上发表,并获得了最佳论文奖。

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