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摘 要：微型無(wú)人機(jī)棲息設(shè)計(jì)研究對(duì)提升微型無(wú)人機(jī)續(xù)航、增強(qiáng)微型無(wú)人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性和提高微型無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間偵察監(jiān)視能力具有重要的意義。隨著人們對(duì)微型無(wú)人機(jī)續(xù)航性能和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性要求越來(lái)越高，科研工作者對(duì)微型無(wú)人機(jī)的棲息設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并取得了顯著成果。主要梳理了微型無(wú)人機(jī)的棲息原理、棲息機(jī)構(gòu)、棲息方法，分析了棲息機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)介紹了變體無(wú)人機(jī)在棲息領(lǐng)域的研究，并闡述了無(wú)人機(jī)棲息與抓取和爬壁之間的聯(lián)系。此外將無(wú)人機(jī)分為多旋翼和固定翼2 大類(lèi)來(lái)進(jìn)行棲息方法的研究分析，內(nèi)容主要包括無(wú)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(jué)棲息導(dǎo)航、無(wú)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(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)棲息設(shè)計(jì)技術(shù)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。

微型無(wú)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(wú)人機(jī)的續(xù)航性能較差。科研人員為了解決微型無(wú)人機(jī)續(xù)航較短的問(wèn)題，對(duì)微型無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)在棲息方面進(jìn)行了研究和綜述，最后闡述了無(wú)人機(jī)棲息與抓取和爬壁之間的聯(lián)系。

 1 微型無(wú)人機(jī)棲息原理

微型無(wú)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(lèi)，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(wú)人機(jī)的棲息原理進(jìn)一步發(fā)展歸納為7 類(lèi)，主要為：

1）機(jī)械抓扣式：通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)使無(wú)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(niǎo)類(lèi)為原型設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)使無(wú)人機(jī)完成棲息。

3）仿生針刺、微棘式：通過(guò)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(lái)?xiàng)ⅰ?/span>

4）負(fù)壓吸盤(pán)式：利用吸盤(pán)產(chǎn)生的負(fù)壓使無(wú)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(wú)人機(jī)完成棲息。

6）粘膠式：利用干膠產(chǎn)生的粘附力使無(wú)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(wú)人機(jī)完成棲息。

通過(guò)將棲息過(guò)程分為棲息前、棲息中、棲息后3 個(gè)部分來(lái)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(guò)程

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

棲息中：無(wú)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(guò)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(kāi)鎖死機(jī)構(gòu)，然后再打開(kāi)抓扣機(jī)構(gòu)，調(diào)整無(wú)人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 2 仿生針刺、微棘式棲息過(guò)程

棲息前：無(wú)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(wú)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(kāi)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(wú)人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 3 負(fù)壓吸盤(pán)式棲息過(guò)程

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

棲息中：無(wú)人機(jī)調(diào)整姿態(tài)，使負(fù)壓吸盤(pán)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)棲息物體表面，操縱無(wú)人機(jī)撞擊目標(biāo)棲息物體表面，通過(guò)撞擊排出吸盤(pán)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(guò)伺服電機(jī)打開(kāi)吸盤(pán)一角，使空氣進(jìn)入吸盤(pán)解除負(fù)壓，調(diào)整無(wú)人機(jī)姿態(tài)，準(zhǔn)備復(fù)飛。

1. 4 螺旋槳式棲息過(guò)程

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

棲息后：通過(guò)改變旋翼轉(zhuǎn)速或旋翼電機(jī)傾斜角調(diào)整無(wú)人機(jī)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guò)程

棲息前：無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)棲息物表面撞擊，通過(guò)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(lái)吸附完成棲息。

棲息后：粘膠式則是打開(kāi)鎖死機(jī)構(gòu)，消除切向力或伺服電機(jī)拉開(kāi)粘膠墊與壁面，使無(wú)人機(jī)與棲息物體分離，電磁式則進(jìn)行消磁或斷電來(lái)使無(wú)人機(jī)與棲息物體分離，最后調(diào)整無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)棲息過(guò)程的主要執(zhí)行者基于不同棲息原理機(jī)構(gòu)，再通過(guò)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(lái)輔助無(wú)人機(jī)完成整個(gè)棲息動(dòng)作。