昌 敏，孫 楊，白俊強(qiáng)，

（1.西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)研究院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710072）

1 引 言

微型無(wú)人機(jī)（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(diǎn)，在民用和軍事方面應(yīng)用廣泛。在民用方面，微型無(wú)人機(jī)可以執(zhí)行航空攝像、環(huán)境數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。在軍事方面，微型無(wú)人機(jī)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(jí)，提供即時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)，戰(zhàn)術(shù)級(jí)分隊(duì)的決策輔助，密閉空間的偵察與搜救，為班排級(jí)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(wú)人機(jī)的性能參數(shù)，其中Raven［1］是美軍現(xiàn)役手?jǐn)S小型無(wú)人機(jī)型號(hào)，Black Widow［2］為美國(guó)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(xué)MAV 實(shí)驗(yàn)室的仿果蠅撲翼飛行器，Black Hornet［4］為FLIR公司的微型直升機(jī)，Spark［5］為中國(guó)大疆公司的可折疊微型多軸無(wú)人機(jī)貨架商品。

表1 不同微小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)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(dòng)布局、更多的能源攜帶量以及低翼載荷，可實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)的滯空飛行。但是，由于微型無(wú)人機(jī)質(zhì)量輕，尺寸小，飛行時(shí)間為數(shù)分鐘或者十幾分鐘，任務(wù)時(shí)間很短。受鳥類長(zhǎng)時(shí)間飛行后的棲息現(xiàn)象啟發(fā)，微型無(wú)人機(jī)如果具備棲息?？磕芰?，比如棲息于自然界的懸崖、樹干或者城市地區(qū)中的建筑物墻壁等垂面，將大大延長(zhǎng)其任務(wù)時(shí)間。微型飛行器從棲息態(tài)轉(zhuǎn)至飛行態(tài)需要垂面具備一定的高度，提供勢(shì)能以提高脫離復(fù)飛成功率。具備垂面棲息能力的微型無(wú)人機(jī)具有更為廣泛的應(yīng)用前景，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障檢測(cè)［6］，電力巡線與橋梁檢測(cè)［7-8］，城市移動(dòng)安防監(jiān)控，近程信號(hào)中繼，復(fù)雜環(huán)境的搶險(xiǎn)救災(zāi)［9］等。

棲息無(wú)人機(jī)是微型無(wú)人機(jī)與傳統(tǒng)爬行機(jī)器人的有機(jī)結(jié)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(guó)麻省理工學(xué)院的Cory與Moore等［7-8，10-14］對(duì)輸電線纜（powerline）棲息開展系統(tǒng)研究。美國(guó)斯坦福大學(xué)仿生與靈巧操作實(shí)驗(yàn)室（BDML）的Morgan［15］等開展了垂面棲息與垂面爬行的旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)研究。加拿大謝布克大學(xué)的Dino［18］提出了基于微棘機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輔助垂面棲息微型無(wú)人機(jī)解決方案。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Mirko等［19］采用針刺（dart）插入垂面實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)垂面棲息。

2 典型工作流程與系統(tǒng)組成

2.1 典型流程

無(wú)人機(jī)垂面棲息的典型流程分為4個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 棲息過(guò)程示意圖Fig.1 Artistic representation of perching

（1）壁面探測(cè)

棲息無(wú)人機(jī)在飛向垂面過(guò)程中，測(cè)距傳感器測(cè)出無(wú)人機(jī)與垂面之間的距離。

（2）拉起

當(dāng)壁面探測(cè)距離達(dá)到某一設(shè)定值，棲息機(jī)動(dòng)指令開始執(zhí)行。無(wú)人機(jī)升降舵上偏，拉起機(jī)動(dòng)使無(wú)人機(jī)俯仰角不斷增大，然后借助阻力增大來(lái)實(shí)現(xiàn)減速，在這個(gè)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制俯仰角的范圍，使得俯仰角速度趨近于零。無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)成功棲息。對(duì)于前期飛行速度較快，無(wú)人機(jī)俯仰角速度過(guò)大的情況，在后一階段，可能需要操作舵面下偏以實(shí)現(xiàn)抑制上仰趨勢(shì)。

（3） 超機(jī)動(dòng)掛壁

從無(wú)人機(jī)貼上墻壁開始便展開一系列機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)棲息組件與垂面的緊連接。不同棲息組件的掛壁過(guò)程的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理不同，差異較大。

（4） 復(fù)飛

棲息結(jié)束時(shí)，可再次進(jìn)入飛行模態(tài)。棲息組件釋放收回，無(wú)人機(jī)即可脫離垂面。利用重力勢(shì)能，無(wú)人機(jī)下降加速，當(dāng)飛機(jī)在達(dá)到合適的速度之后，舵面能夠提供足夠的操縱力矩，控制無(wú)人機(jī)恢復(fù)正常飛行。棲息無(wú)人機(jī)的工作全流程如圖2所示。

圖2 典型無(wú)人機(jī)棲息流程圖Fig.2 Flow chart of perching

2.2 系統(tǒng)組成

垂面棲息無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)組成主要包括超機(jī)動(dòng)飛行平臺(tái)以及棲息組件兩大部分，具體構(gòu)成如圖3所示。

垂面棲息微型無(wú)人機(jī)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(lái)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(wú)人機(jī)飛行原理。

圖3 棲息無(wú)人機(jī)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(duì)微棘的作用力用于平衡沖擊過(guò)程中動(dòng)態(tài)載荷以及最終穩(wěn)定后的重力和力矩。微棘具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 微棘簡(jiǎn)化模型［9］Fig.4 Illstration of microspine［9］

微棘的簡(jiǎn)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(lái)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(lái)的沖擊載荷。

圖5 微棘式棲息無(wú)人機(jī)模型［9］Fig.5 Artistic representation of microspine［9］

微棘在貼壁過(guò)程中，受到較大的作用力或當(dāng)法向力與切向力的比值超過(guò)一定值時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致棲息失敗。通常對(duì)微棘式棲息裝置的研究都將其簡(jiǎn)化為彈簧阻尼系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)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(guān)，因此位移越大，越容易導(dǎo)致失敗，所以必須限制微棘的最大許用行程。當(dāng)最大許用行程減小時(shí)，系統(tǒng)阻尼比也需要增大，因?yàn)槲灰瓶s短，其時(shí)間也會(huì)縮短，耗散同樣的能量，位移變小，就需要提高阻尼來(lái)增加做功的行程。但是阻尼增大，會(huì)導(dǎo)致初始作用力增大，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高的要求，使得結(jié)構(gòu)更重。如果采用庫(kù)倫摩擦阻尼來(lái)取代粘性阻尼，摩擦阻尼平衡位置不確定，并且很難設(shè)定其摩擦力水平。將兩種阻尼機(jī)制結(jié)合到一起，可以獲得一個(gè)較好的結(jié)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(duì)微棘的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。微棘工作過(guò)程中受到的切向力與法向力構(gòu)成的區(qū)域即為限制平面，如圖6所示。法向力為負(fù)值，表明受到的作用力使無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)離垂面。切向力為正值，無(wú)人機(jī)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(shì)。靜止時(shí)，正壓力為負(fù)值，因?yàn)橹匦脑趬γ嬷猓粺o(wú)人機(jī)有遠(yuǎn)離的趨勢(shì)，切向力為正值。微棘式棲息組件在掛壁棲息過(guò)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(duì)限制平面以及約束表進(jìn)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?yàn)槭芰Ψ较虿划?dāng)，導(dǎo)致法向力與切向力比值超過(guò)限制曲線的邊界。

（2）沖擊力過(guò)大，使得原本適合棲息的顆粒被破壞。

（3）微棘的作用力超過(guò)了最大值，彈性變形觸發(fā)了過(guò)載保護(hù)，導(dǎo)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(huì)引起偶然性的棲息失敗。之所以會(huì)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(shí)際中會(huì)受很多因素影響，例如，粗糙顆粒在表面的分布是隨機(jī)的，其所能承受的載荷角也是隨機(jī)的，取決于其形狀和當(dāng)?shù)啬Σ翖l件。因此，可以采用多余度設(shè)計(jì)理念，既可以承受較大的動(dòng)態(tài)過(guò)載，又可以保證成功率。工作過(guò)程中，多組微棘會(huì)同時(shí)在表面滑動(dòng)，尋找合適接觸點(diǎn)，因此，所有微棘全部沒(méi)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(wú)人機(jī)與墻面仍然緊貼，無(wú)人機(jī)下滑之后會(huì)再次接觸，實(shí)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(jī)制占主導(dǎo)，比如普通瀝青墻面，對(duì)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(gè)微棘允許的最大作用力和撓曲變形，主要取決于過(guò)載保護(hù)特性。

微棘式棲息能否成功，直接取決于微棘在沖擊過(guò)程中所受到的動(dòng)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(zhì)量、慣量等）下，微棘的動(dòng)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(duì)微棘的定性分析，還要分析懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。加裝微棘的棲息組件如圖7所示，其簡(jiǎn)化模型如圖8所示。將兩側(cè)的棲息組件合并為一個(gè)機(jī)構(gòu)，機(jī)身簡(jiǎn)化為剛體，并忽略其上的氣動(dòng)力作用，因?yàn)榇藭r(shí)的速度已經(jīng)很低。相比機(jī)身的質(zhì)量，懸架系統(tǒng)本身質(zhì)量很小，因此建模時(shí)忽略其影響。

因?yàn)樯婕岸鄠€(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以引入4個(gè)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(jī)身軸線和垂直機(jī)身軸線的機(jī)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?yàn)樾枰紤]柔性支撐桿的彎曲剛度，所以簡(jiǎn)化是為方便起見，并沒(méi)有將其用梁來(lái)代替，而是用繞有轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和阻尼的節(jié)點(diǎn)的桿來(lái)代替，如此簡(jiǎn)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(zhuǎn)動(dòng)的桿，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)賦予轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和阻尼。

懸架系統(tǒng)包括3 個(gè)銜接部位：根部連接節(jié)（hip）、轉(zhuǎn)折點(diǎn)（knee）和末端結(jié)點(diǎn)（ankle）。兩個(gè)支撐桿：根部短桿（femur）和柔性支撐桿（tibia）。根部關(guān)節(jié)和末端結(jié)點(diǎn)處都布置有泡沫，提供剛度和阻尼，通過(guò)在根部放置泡沫，限制根部?jī)H可有小范圍運(yùn)動(dòng)，來(lái)防止機(jī)身相對(duì)垂面有較大的位移，從而保護(hù)電機(jī)免受可能出現(xiàn)的撞擊。連接轉(zhuǎn)折點(diǎn)與末端結(jié)點(diǎn)的柔性支撐桿由于其長(zhǎng)度較長(zhǎng)，自由端受力時(shí)有較大彎曲，因此必須考慮其彎曲剛度，而連接根部結(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)折點(diǎn)的根部短桿則可認(rèn)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(dòng)力學(xué)建模［9］Fig.8 Dynamics model of suspension［9］

在超機(jī)動(dòng)掛壁過(guò)程中，如果將無(wú)人機(jī)剩余能量直接傳遞到微棘上，將會(huì)很容易導(dǎo)致棲息失敗，一是直接作用力更大，觸發(fā)過(guò)載保護(hù)，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(shí)的能量，利用自身的彈性與阻尼特性，簡(jiǎn)化機(jī)身對(duì)微棘的沖擊，同時(shí)減小向機(jī)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(guò)設(shè)計(jì)棲息組件的幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)性越強(qiáng)，對(duì)機(jī)載傳感器和飛行控制的要求就越低，著陸過(guò)程就越簡(jiǎn)單和魯棒。

3.3 復(fù)飛

復(fù)飛過(guò)程如圖9所示，其過(guò)程包括起飛時(shí)刻的狀態(tài)信息獲取、無(wú)人機(jī)與垂面分離以及復(fù)飛后的姿態(tài)控制。

圖9 復(fù)飛實(shí)驗(yàn)［17］Fig.9 Multiple exposure photograph of the takeoff sequence［17］

（1）微棘收放

微棘機(jī)構(gòu)如圖10 所示，通電后，記憶合金線收縮，搖臂繞其旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，牽動(dòng)微棘旋轉(zhuǎn)，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(jī)構(gòu)［17］Fig.10 Spine detachment［17］

（2）姿態(tài)測(cè)量

姿態(tài)信息的獲取至關(guān)重要，它是接下來(lái)的控制的輸入。但是，無(wú)人機(jī)在起飛時(shí)刻前后的姿態(tài)會(huì)受到多種因素干擾，如陣風(fēng)干擾、時(shí)間延遲等。起飛前，借助加速度計(jì)獲得初始俯仰角，對(duì)陀螺儀角速度信息進(jìn)行積分，獲得實(shí)時(shí)的姿態(tài)信息。

（3）復(fù)飛控制

測(cè)量初始信息，設(shè)定陀螺儀偏移量，利用副翼偏轉(zhuǎn)應(yīng)對(duì)力矩問(wèn)題，推重比保持略小于1，減小無(wú)人機(jī)與垂面的作用力，易于微棘收回。準(zhǔn)備完成之后，0.15s內(nèi)記憶合金收縮，電機(jī)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(dāng)無(wú)人機(jī)獲得足夠大的速度，舵面獲得足夠的操縱力矩時(shí)，就可以偏轉(zhuǎn)舵面，實(shí)現(xiàn)180°滾轉(zhuǎn)，回到正常飛行狀態(tài)。高推重比的飛機(jī)雖然效率上低一些，但是可以在緊湊的空間里實(shí)現(xiàn)起飛控制，也有助于著陸失敗恢復(fù)，一旦著陸失敗，可以立即轉(zhuǎn)入起飛模式，飛離墻面。通常來(lái)說(shuō)，飛行器著陸時(shí)會(huì)立即抓住表面，一旦失敗，其速度和加速度的變化會(huì)產(chǎn)生變化，因此不難探測(cè)，所以可以在較小的下降速度時(shí)，立即收縮微棘，并增大推重比，進(jìn)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(duì)一些光滑曲面，如玻璃等，仿生足更具有優(yōu)勢(shì)。仿生足的棲息裝置工作過(guò)程中僅僅依靠范德華力，接觸與分離時(shí)耗能少，適用于多種墻面，能夠反復(fù)使用。

4.1 棲息裝置

仿生足的棲息裝置可以用于無(wú)人機(jī)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(lái)捕捉太陽(yáng)能帆板、燃料箱等，如圖14、15 所示。無(wú)人機(jī)沖擊垂面的A過(guò)程中，裝置內(nèi)部間距下降，將沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(wú)人機(jī)棲息大致過(guò)程如圖16 所示。為保證較小的沖擊力，盡量使機(jī)體與物面平齊。初始附著可能經(jīng)過(guò)幾次反彈來(lái)耗散能量。穩(wěn)定附著后施加切向力的同時(shí)產(chǎn)生垂直物面的相互作用力，無(wú)人機(jī)緊貼物面，將能量?jī)?chǔ)存在彈簧中。如果附著時(shí)仍有一定的角速度，還會(huì)經(jīng)歷抵抗扭轉(zhuǎn)的過(guò)程。

圖16 仿壁虎足爪棲息過(guò)程［22］Fig.16 Illstration of functional principles ［22］

（1）對(duì)齊垂面

無(wú)人機(jī)在飛向垂面時(shí)，可能與垂面存在一定的夾角。因此，無(wú)人機(jī)首先借助自身兩側(cè)外伸支架在與垂面作用時(shí)產(chǎn)生的力矩實(shí)現(xiàn)自身旋轉(zhuǎn)并對(duì)齊垂面。

（2）反彈緩沖

沖擊時(shí)的能量將會(huì)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(shè)備的大小以及吸收能量時(shí)產(chǎn)生的作用力，后者是其自身的限制。此外，碰撞過(guò)程中，不能損壞設(shè)備，反彈過(guò)程中，不能超過(guò)附著裝置的行程。

（3）施加切向力

簡(jiǎn)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?qū)崿F(xiàn)沒(méi)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(yīng)的作用力。

通過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以將沖擊時(shí)產(chǎn)生的作用力轉(zhuǎn)化為切向力，但是大小要適中，否則也會(huì)導(dǎo)致失敗。多余能量可以被耗散掉或者存儲(chǔ)起來(lái)，換句話來(lái)說(shuō)，力的作用可以來(lái)自一種主動(dòng)機(jī)構(gòu)，在加載之前，所有的觸腳都必須與表面接觸，因此，主動(dòng)機(jī)構(gòu)必須有精確傳感來(lái)保證時(shí)間節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確。

（4）系統(tǒng)鎖定

一旦內(nèi)部機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了切向力，并且沖擊過(guò)程為系統(tǒng)注入了足夠的能量，系統(tǒng)就必須進(jìn)入鎖定狀態(tài)，以保持切向力，這個(gè)過(guò)程通過(guò)提高棘輪和閉鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（5）抵抗扭轉(zhuǎn)

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

4.3 復(fù)飛

當(dāng)棲息結(jié)束時(shí)，并不需要施加額外的力使無(wú)人機(jī)與垂面分離。只需要打開鎖定機(jī)構(gòu)，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(chǔ)存的能量將會(huì)推動(dòng)無(wú)人機(jī)與表面分離。

圖17 復(fù)飛過(guò)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(xué)院（EPFL）提出如圖18 所示三種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(duì)稱排列在前段的兩組針來(lái)?xiàng)ⅲ@樣的結(jié)果沒(méi)有可動(dòng)的緩沖部分，簡(jiǎn)單輕便，缺點(diǎn)就是適應(yīng)性低，僅在針刺恰好對(duì)準(zhǔn)表面時(shí)，才能很好的刺入，發(fā)揮作用。同樣，方案A沒(méi)有緩沖部分，所以整體沖擊作用力比較大。假設(shè)MAV自身質(zhì)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(duì)于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言是無(wú)法承受的。方案B的裝置當(dāng)其接觸表面時(shí)，針刺機(jī)構(gòu)可以向表面伸出，針刺沿表面滑動(dòng)，隨后刺入表面，這種方法可以很好的適應(yīng)表面形狀。方案C集成了一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧和兩個(gè)臂，無(wú)人機(jī)接觸墻面，彈簧就會(huì)釋放能量，兩個(gè)攜帶針刺手臂快速向前，將針插入表面。三種方案的對(duì)比如表3所示。

表3 三種方案定量對(duì)比表Table3 Quantitative comparison of three principles

方案C相比前兩個(gè)是更為有效的，其針刺的作用力可以通過(guò)改變彈力和手臂的重量來(lái)調(diào)整。減速距離可以通過(guò)改變手臂長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整，以此來(lái)減小沖擊過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用力。其缺點(diǎn)在于，需要引入一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，使得結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜一些。方案C針刺裝置的細(xì)節(jié)如圖19所示。

5.2 棲息原理

圖19 針刺機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖［19］Fig.19 Device of dart perching［19］

圖20 針刺棲息過(guò)程［19］Fig.20 Illstration of dart perching［19］

針刺棲息過(guò)程如圖20 所示：圖（a）觸發(fā)機(jī)構(gòu)接觸表面，其向后移動(dòng)；圖（b）原本緊貼的兩塊磁鐵分離，牽引線釋放，彈簧驅(qū)動(dòng)手臂向前移動(dòng)；圖（c）針刺進(jìn)入表面，借助于垂面間的相互作用力，將系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化為克服刺入垂面的反作用力的功；圖（d）無(wú)人機(jī)在平衡支架的輔助下，進(jìn)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(jì)算MAV 所受到的作用力，無(wú)人機(jī)動(dòng)能為10mJ，假設(shè)針刺減速距離為2mm，那么整個(gè)過(guò)程的作用力約為5N，其大小是復(fù)位彈簧作用力的28倍左右，對(duì)于質(zhì)量較大的無(wú)人機(jī)而言，這個(gè)比例將會(huì)更大，因此我們可以認(rèn)為，針刺的阻力是無(wú)人機(jī)減速的主要因素。

5.3 復(fù)飛

棲息結(jié)束時(shí)，微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)啟動(dòng)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(guò)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(jìn)入凹槽并緊貼，推到觸發(fā)機(jī)構(gòu)復(fù)位，電機(jī)產(chǎn)生的拉力將微棘拖出，無(wú)人機(jī)脫離墻面。

6 結(jié) 論

本文介紹垂面棲息無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用，梳理了垂面棲息的研究進(jìn)展，介紹了垂面棲息的典型流程：探測(cè)、拉起、超機(jī)動(dòng)掛壁、復(fù)飛，列舉了3種主要的棲息方式：微棘式、仿生足式、針刺式。結(jié)合棲息裝置來(lái)闡述相應(yīng)的棲息原理以及如何實(shí)現(xiàn)復(fù)飛，得出結(jié)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(jī)動(dòng)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(guò)程以及表面爬行機(jī)動(dòng)相比持續(xù)飛行，消耗能量少，從而大大延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間。

（2）典型的棲息超機(jī)動(dòng)過(guò)程：向上偏轉(zhuǎn)升降舵，舵面有效迎角為負(fù)值，產(chǎn)生抬頭力矩。無(wú)人機(jī)俯仰角不斷增大，角速度呈上升趨勢(shì)。超過(guò)某個(gè)臨界俯仰角，升降舵有效迎角為正值，產(chǎn)生低頭力矩。無(wú)人機(jī)俯仰角不斷增大，但角速度呈減小趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)利用過(guò)程中大攻角下的壓差阻力和粘性阻力來(lái)實(shí)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(qiáng)，通過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)可以承受較大范圍的著陸情況。仿生足式棲息工作過(guò)程僅僅依靠范德華力，相比微棘對(duì)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(jī)動(dòng)過(guò)程，減少了對(duì)飛行控制的需求，但是無(wú)法刺入鋼鐵等硬度較大的材質(zhì)。

（4）研究表明，很多棲息的失敗來(lái)源于距離探測(cè)錯(cuò)誤，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)過(guò)早或過(guò)晚進(jìn)入棲息模式。使用更加先進(jìn)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(dòng)的，未來(lái)可以使用主動(dòng)的棲息裝置，使無(wú)人機(jī)在垂面可以進(jìn)行爬行，以便調(diào)整自己的位置和方向。