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 2 微型無人機(jī)棲息機(jī)構(gòu) 

2. 1 機(jī)械抓扣式棲息機(jī)構(gòu)

機(jī)械抓扣式棲息是借助伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)抓扣到被棲息物體，進(jìn)而使無人機(jī)完成棲息。機(jī)械抓扣式棲息飛行平臺(tái)主要是多旋翼無人機(jī)，少數(shù)是固定翼無人機(jī)和直升機(jī)。最早出現(xiàn)的機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)由富蘭克林?歐林工程學(xué)院Culler 等［5］提出，該起落架機(jī)構(gòu)可使四旋翼無人機(jī)棲息在樹枝狀結(jié)構(gòu)上，是一種咬爪機(jī)制，該機(jī)制在著陸時(shí)被觸發(fā)，并給出了飛行和滑索試驗(yàn)結(jié)果，證明了該機(jī)構(gòu)的性能，機(jī)構(gòu)如圖1 所示［5］。南安普敦大學(xué)Erbil 等［6］提出了一種替代現(xiàn)有起落架可重構(gòu)棲息元件設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，主要針對(duì)最大起飛質(zhì)量小于1.5 kg 的垂直起降無人機(jī)。這些參數(shù)用于創(chuàng)建概念及各種不同的抓取策略，設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程采用加權(quán)矩陣方法，精心選擇標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重可使無人機(jī)棲息在燈柱上，機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)如圖2 所示［6］。南洋理工大學(xué)Chi 等［7-8］進(jìn)一步提出了一種四旋翼自主棲息控制策略，并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。以自然界鳥類的棲息過程為基礎(chǔ)，無人機(jī)棲息時(shí)與目標(biāo)結(jié)合、結(jié)合后鎖定目標(biāo)和解除棲息時(shí)從目標(biāo)釋放的步驟推導(dǎo)出自主控制策略，將其集成到抓取機(jī)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)如圖3 所示［7-8］，并對(duì)該機(jī)構(gòu)的抓取能力、可靠性及在自主棲息控制中的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該棲息機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生足夠的抓持力，最終有效、可靠地實(shí)現(xiàn)了四旋翼對(duì)目標(biāo)桿的自主棲息，且該控制策略也能使四旋翼自主棲息到目標(biāo)極點(diǎn)。

圖1 富蘭克林?歐林工程學(xué)院機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［5］

Fig.1 Mechanical grasping mechanism of Franklin Erlin School of Engineering［5］

圖2 南安普敦大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［6］

Fig.2 Mechanical grasping mechanism of University of Southampton［6］

圖3 南洋理工大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［7-8］

Fig.3 Mechanical grasping mechanism of Nanyang Technological University［7-8］

中國(guó)石油大學(xué)（華東）Luo 等［9］在充分考慮飛行器結(jié)構(gòu)和棲息原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由飛行和棲息子系統(tǒng)組成的仿生空中機(jī)器人。基于實(shí)時(shí)著陸速度和姿態(tài)，提出了一種新型柔性抓取機(jī)構(gòu)，提供吸附力和吸收沖擊力，機(jī)構(gòu)如圖4 所示［9］，結(jié)果證明了該抓取機(jī)構(gòu)的有效性。泰勒大學(xué)Phang 等［10］出了一種多旋翼無人機(jī)監(jiān)控解決方案，通過棲息在目標(biāo)附近的屋頂邊緣，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控。為解決無人機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)和自主邊緣檢測(cè)方面的挑戰(zhàn)，討論了可能的解決方案，機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)如圖5 所示［10］。奧克蘭大學(xué)Lin 等［11］為提升多旋翼無人機(jī)在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)視能力，設(shè)計(jì)了一種可將無人機(jī)棲息在農(nóng)場(chǎng)柱子上的機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)構(gòu)如圖6 所示［11］。該機(jī)構(gòu)的靜態(tài)試驗(yàn)和飛行測(cè)試表明無人機(jī)一旦懸停，該設(shè)計(jì)可以承受風(fēng)力，并且無人機(jī)棲息控制精度決定其能否棲息成功。

圖4 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［9］

Fig.4 Mechanical grasping mechanism of China University of Petroleum（East China）［9］

圖5 泰勒大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［10］

Fig.5 Mechanical grasping mechanism of Taylor’s University［10］

圖6 奧克蘭大學(xué)機(jī)械抓扣機(jī)構(gòu)［11］

Fig.6 Mechanical grasping mechanism of University of Auckland［11］

約翰?霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室Popek等［12］開發(fā)了一種集成機(jī)器人感知、機(jī)械抓取和基于視覺路徑規(guī)劃的無人機(jī)，可使無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中棲息。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)結(jié)合了被動(dòng)和主動(dòng)抓取，使電源在關(guān)閉的情況下也能保持對(duì)棲息目標(biāo)物體的抓取，機(jī)械抓取機(jī)構(gòu)如圖7 所示［12］。耶魯大學(xué)Hang 等［13］提出了一個(gè)模塊化驅(qū)動(dòng)的起落架框架，通過棲息將無人機(jī)穩(wěn)定在各種不同的結(jié)構(gòu)上。試驗(yàn)結(jié)果表明，該框架可用于無人機(jī)在一組常見結(jié)構(gòu)的棲息，該設(shè)計(jì)能有效降低功耗、提高姿勢(shì)的穩(wěn)定性，并在高處棲息時(shí)可保持較大的視野范圍，結(jié)構(gòu)如圖8 所示［13］。科羅拉多州立大學(xué)Zhang 等［14］提出了一種可抓取在圓柱物體上的柔順雙穩(wěn)抓取機(jī)構(gòu)，該抓取機(jī)構(gòu)易于關(guān)閉、調(diào)整、保持穩(wěn)定，在棲息過程中通過沖擊力直接啟動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明該抓取機(jī)構(gòu)能成功實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在圓柱物體上棲息以及抓取物體，結(jié)構(gòu)如圖9 所示［14］。同時(shí)Zhang 等［15］提出了另一種抓取機(jī)構(gòu)—新型雙穩(wěn)態(tài)抓取機(jī)構(gòu)，適用于范圍更廣的棲息物體，對(duì)于高度較小的物體可采用環(huán)繞法來包圍物體實(shí)現(xiàn)棲息，對(duì)于高度較大的物體采用夾持法并利用摩擦力進(jìn)行棲息，機(jī)構(gòu)如圖10 所示［15］。