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4.2 固定翼無人機(jī)

4.2.1棲息氣動(dòng)特性與動(dòng)力學(xué)建模

韓國科學(xué)技術(shù)研究院航空航天工程系Tahk等［101-102］提出了固定翼無人機(jī)高位著陸棲息的概念，建立了無人機(jī)在氣動(dòng)力和推力力矩作用下的平面剛體運(yùn)動(dòng)模型，通過將仿真結(jié)果與最優(yōu)軌跡進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該概念的實(shí)用性。布里斯托大學(xué)Greatwood 等［103］使用非線性約束優(yōu)化器和深度網(wǎng)絡(luò)生成并評(píng)估在地面上執(zhí)行棲息著陸的軌跡，結(jié)果表明生成的軌跡可降低空速使無人機(jī)安全著陸棲息。佛羅里達(dá)理工學(xué)院Go 等［104］提出了一種三維駐留概念，通過弧形軌跡引入無人機(jī)的快速減速，從而改善了二維駐留性能，結(jié)果表示可在更短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)著陸棲息。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院何真等［105］對(duì)固定翼無人機(jī)棲落機(jī)動(dòng)的縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了氣動(dòng)特性建模與軌跡優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明以不同初始速度進(jìn)行棲落都可以棲息到同一位置。

4.2.2棲息機(jī)動(dòng)控制

電子科技大學(xué)鄒文露［106］研究了無人機(jī)穩(wěn)定棲息在垂直墻面的過程實(shí)現(xiàn)無人機(jī)短距離飛行后的穩(wěn)定棲息，通過李雅普諾夫函數(shù)方法分析固定翼無人機(jī)棲息時(shí)的吸引域，有效估計(jì)平面與垂直表面接觸時(shí)的機(jī)械穩(wěn)定性。佛羅里達(dá)理工學(xué)院Go 等［107］提出了一種在動(dòng)態(tài)失速影響下進(jìn)行側(cè)滑駐留機(jī)動(dòng)的滑模控制策略，通過滑模控制策略來解決動(dòng)態(tài)失速延遲的非線性、非定常區(qū)域動(dòng)態(tài)跟蹤問題，最后在不同的場(chǎng)景下驗(yàn)證了該策略的可行性。約翰斯?霍普金斯大學(xué)Moore 等［108］開發(fā)了一種基于非線性模型預(yù)測(cè)控制和LQR-Trees的非線性反饋控制，通過試驗(yàn)成功率達(dá)95%，即使在失速后也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的棲息。

喬治華盛頓大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系Crandall 等［109］提出了一種利用無人機(jī)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心來檢測(cè)棲落的方法，提出了基于積分加速度計(jì)獲得無人機(jī)上不同點(diǎn)速度和利用這些點(diǎn)加速度大小來估計(jì)該點(diǎn)到瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心的距離2 種方法，通過這2 種方法來檢測(cè)棲息機(jī)動(dòng)何時(shí)發(fā)生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院何真等［110］研究了固定翼無人機(jī)棲落機(jī)動(dòng)軌跡跟蹤控制設(shè)計(jì)與吸收域優(yōu)化計(jì)算方法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了棲落機(jī)動(dòng)軌跡跟蹤控制律的有效性，以及可以獲得更大的吸引域。同時(shí)針對(duì)固定翼無人機(jī)棲落機(jī)動(dòng)過程的縱向運(yùn)動(dòng)研究了一種在線計(jì)算量小的棲落機(jī)動(dòng)魯棒預(yù)測(cè)控制方法，仿真結(jié)果表明該控制方法具有良好的控制效果［111］。

4.3 棲息方法特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

通過上述對(duì)多旋翼和固定翼無人機(jī)棲息方法進(jìn)行分類研究分析，總結(jié)出以下特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。

1） 多旋翼無人機(jī)棲息方法分類更加細(xì)致，技術(shù)方法相對(duì)更加成熟，圍繞整個(gè)棲息過程可將棲息方法分為棲息位置選擇、棲息軌跡設(shè)計(jì)、棲息算法設(shè)計(jì)、棲息視覺導(dǎo)航及棲息控制策略5 個(gè)方面。未來研究中也可將棲息位置選擇、棲息算法設(shè)計(jì)和棲息視覺導(dǎo)航等引入到固定翼無人機(jī)的棲息方法研究中，通過對(duì)無人機(jī)棲息方法更加細(xì)致、全面的分類研究，有助于提升無人機(jī)棲息的可靠性與成功率。

2）未來可對(duì)棲息位置的選擇進(jìn)行更深入研究，棲息位置的優(yōu)劣會(huì)直接影響無人機(jī)棲息的成功與否；其次，無人機(jī)對(duì)目標(biāo)棲息物體的表面探測(cè)決定了棲息軌跡的設(shè)計(jì)及棲息機(jī)構(gòu)能否抓扣或吸附到棲息物體上，之后的研究中要增強(qiáng)無人機(jī)對(duì)棲息物體表面的探測(cè)能力，比如利用單雙目視覺傳感器、超聲波傳感器、距離傳感器等對(duì)棲息物體表面斜率和大小以及距離進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

3）無人機(jī)超機(jī)動(dòng)控制與棲息機(jī)構(gòu)和電機(jī)傾斜角度耦合控制是無人機(jī)棲息中的難點(diǎn)，尤其是在傾斜表面或垂直壁面、天花板等進(jìn)行棲息時(shí)會(huì)對(duì)無人機(jī)控制提出更高的要求，未來研究中可在棲息控制中引入機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法，通過對(duì)現(xiàn)有的控制策略進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)棲息更好的控制。

 5 結(jié)束語 

1）本文著重研究分析了基于不同棲息原理的棲息機(jī)構(gòu)，并分析了其特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)闡述了無人機(jī)抓取與無人機(jī)機(jī)械抓扣棲息和仿生機(jī)械抓扣棲息的聯(lián)系。將爬壁無人機(jī)概括為基于螺旋槳式棲息的類別，屬于無人機(jī)棲息的研究領(lǐng)域。

2）研究分析了變體無人機(jī)在棲息領(lǐng)域的應(yīng)用，變體無人機(jī)主要為固定翼無人機(jī)，通過改變無人機(jī)的機(jī)翼前掠角或后掠角的角度來降低無人機(jī)棲息前的空速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的棲息或?qū)C(jī)翼分為多段，并單獨(dú)通過角度控制實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的棲息。未來也可以進(jìn)行多旋翼無人機(jī)變體機(jī)構(gòu)的研究，通過旋翼電機(jī)角度變化來完成棲息或爬壁。

3）基于不同飛行平臺(tái)將無人機(jī)分為多旋翼和固定翼兩大類來進(jìn)行棲息方法的研究。內(nèi)容主要為無人機(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)、視覺棲息導(dǎo)航、無人機(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。通過對(duì)無人機(jī)棲息方法的研究歸納分析，可為后續(xù)從事該方面的研究人員提供參考和借鑒。

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