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摘 要：微型無人機棲息設計研究對提升微型無人機續航、增強微型無人機環境適應性和提高微型無人機長時間偵察監視能力具有重要的意義。隨著人們對微型無人機續航性能和復雜環境的適應性要求越來越高，科研工作者對微型無人機的棲息設計技術進行了深入研究，并取得了顯著成果。主要梳理了微型無人機的棲息原理、棲息機構、棲息方法，分析了棲息機構的特點與發展趨勢。同時介紹了變體無人機在棲息領域的研究，并闡述了無人機棲息與抓取和爬壁之間的聯系。此外將無人機分為多旋翼和固定翼2 大類來進行棲息方法的研究分析，內容主要包括無人機的棲息位置選擇、基于時間接觸理論的仿生軌跡設計、視覺棲息導航、無人機的氣動分析和動力學建模以及相應的棲落機動控制等。通過對無人機棲息設計技術的研究歸納分析，可為后續從事該方面的研究人員提供參考和借鑒。
微型無人機具有體積小、質量輕、成本低、可操作性強等優點，廣泛應用于航空攝像［1］、電力巡檢［1］、地理測繪［2］、火情偵察［2］、橋梁檢測［3］等場景。但因其氣動效率低、所攜帶的電池能源有限等，微型無人機的續航性能較差。科研人員為了解決微型無人機續航較短的問題，對微型無人機進行了基于不同棲息原理的棲息機構和棲息方法研究，并得到一系列研究成果。本文主要對近年發展的微型無人機棲息原理、機構設計和棲息方法進行總結，重點分析微型無人機棲息機構的特點與發展趨勢，同時也對變體無人機在棲息方面進行了研究和綜述，最后闡述了無人機棲息與抓取和爬壁之間的聯系。
1 微型無人機棲息原理
微型無人機主要靠棲息機構棲息到目標物體上，棲息機構的作用原理也不盡相同。文獻［4］將爬壁機器人的吸附機理主要分為4 大類，負壓吸附、磁吸附、抓扣式吸附和仿生吸附。本文則在此基礎上將微型無人機的棲息原理進一步發展歸納為7 類，主要為：
1）機械抓扣式：通過伺服電機驅動機械抓扣機構使無人機完成主動或被動棲息。
2）仿生機械抓扣式：以鳥類為原型設計的仿生機械抓扣機構使無人機完成棲息。
3）仿生針刺、微棘式：通過模仿生物剛毛而設計的微型針刺、微棘鉤刺到粗糙的表面來棲息。
4）負壓吸盤式：利用吸盤產生的負壓使無人機棲息到目標物體上。
5）螺旋槳式：利用旋翼電機產生的吸附力使無人機完成棲息。
6）粘膠式：利用干膠產生的粘附力使無人機完成棲息。
7）電磁式：利用強磁鐵或電磁器件產生的電磁力使無人機完成棲息。
通過將棲息過程分為棲息前、棲息中、棲息后3 個部分來分別闡述不同棲息機構的原理。
1.1 機械抓扣式、仿生機械抓扣式棲息過程
棲息前：無人機首先選擇目標棲息物體，然后伺服電機打開機械抓扣機構，使抓扣機構保持張開狀態。
棲息中：無人機調整姿態，使抓扣機構對準目標棲息物體，依靠自身重力完成被動棲息或者通過自身動力實現主動棲息，抓扣機構閉合的同時鎖死機構，完成棲息。
棲息后：打開鎖死機構，然后再打開抓扣機構，調整無人機姿態，準備復飛。
1. 2 仿生針刺、微棘式棲息過程
棲息前：無人機首先選擇目標棲息物體，然后探測物體表面。
棲息中：無人機調整姿態，降低水平和垂直速度，進行超機動掛壁，使針刺或微棘機構鉤刺到壁面并將機構鎖死，最后完成棲息。
棲息后：打開鎖死機構，使針刺或微棘機構回歸初始位置，調整無人機姿態，準備復飛。
1. 3 負壓吸盤式棲息過程
棲息前：無人機首先選擇目標棲息物體，探測無人機到棲息物體表面的距離。
棲息中：無人機調整姿態，使負壓吸盤對準目標棲息物體表面，操縱無人機撞擊目標棲息物體表面，通過撞擊排出吸盤內部空氣進而形成負壓，同時將機構鎖死，完成棲息。
棲息后：先對鎖死的機構釋放，然后通過伺服電機打開吸盤一角，使空氣進入吸盤解除負壓，調整無人機姿態，準備復飛。
1. 4 螺旋槳式棲息過程
棲息前：無人機首先選擇目標棲息物體，然后對壁面探測并分析，為超機動壁面吸附做準備。
棲息中：無人機調整姿態，進行超機動壁面吸附，通過旋翼產生的吸附力使無人機完成傾斜或垂直表面上的棲息。
棲息后：通過改變旋翼轉速或旋翼電機傾斜角調整無人機姿態，實現無人機從傾斜或垂直表面分離，準備復飛。
1. 5 粘膠、電磁式棲息過程
棲息前：無人機首先選擇目標棲息物體，電磁式機構要對其充電、充磁。
棲息中：調整無人機姿態，使粘膠或電磁機構對準目標棲息物體，操縱無人機對目標棲息物表面撞擊，通過撞擊力使粘膠粘附到物體表面完成棲息并鎖死機構，或電磁機構對目標物體的電磁與靜電力來吸附完成棲息。
棲息后：粘膠式則是打開鎖死機構，消除切向力或伺服電機拉開粘膠墊與壁面，使無人機與棲息物體分離，電磁式則進行消磁或斷電來使無人機與棲息物體分離，最后調整無人機姿態，準備復飛。
不同棲息原理所對應的機構首先需要選擇目標棲息物體，再對棲息物的表面探測，調整飛機姿態使棲息機構對準目標棲息物體，然后設定棲息軌跡操縱無人機靠近目標棲息物體，借助棲息機構完成棲息。無人機棲息過程的主要執行者基于不同棲息原理機構，再通過其他技術方法如棲息軌跡設計、氣動分析與棲息控制等來輔助無人機完成整個棲息動作。
2 微型無人機棲息機構
2. 1 機械抓扣式棲息機構
機械抓扣式棲息是借助伺服電機驅動機械抓扣機構抓扣到被棲息物體，進而使無人機完成棲息。機械抓扣式棲息飛行平臺主要是多旋翼無人機，少數是固定翼無人機和直升機。最早出現的機械抓扣機構由富蘭克林?歐林工程學院Culler 等［5］提出，該起落架機構可使四旋翼無人機棲息在樹枝狀結構上，是一種咬爪機制，該機制在著陸時被觸發，并給出了飛行和滑索試驗結果，證明了該機構的性能，機構如圖1 所示［5］。南安普敦大學Erbil 等［6］提出了一種替代現有起落架可重構棲息元件設計參數的方法，主要針對最大起飛質量小于1.5 kg 的垂直起降無人機。這些參數用于創建概念及各種不同的抓取策略，設計和優化過程采用加權矩陣方法，精心選擇標準和權重可使無人機棲息在燈柱上，機械抓扣機構如圖2 所示［6］。南洋理工大學Chi 等［7-8］進一步提出了一種四旋翼自主棲息控制策略，并進行了樣機設計和試驗驗證。以自然界鳥類的棲息過程為基礎，無人機棲息時與目標結合、結合后鎖定目標和解除棲息時從目標釋放的步驟推導出自主控制策略，將其集成到抓取機構，抓取機構如圖3 所示［7-8］，并對該機構的抓取能力、可靠性及在自主棲息控制中的有效性進行了試驗研究，結果表明該棲息機構能產生足夠的抓持力，最終有效、可靠地實現了四旋翼對目標桿的自主棲息，且該控制策略也能使四旋翼自主棲息到目標極點。
圖1 富蘭克林?歐林工程學院機械抓扣機構［5］
Fig.1 Mechanical grasping mechanism of Franklin Erlin School of Engineering［5］
圖2 南安普敦大學機械抓扣機構［6］
Fig.2 Mechanical grasping mechanism of University of Southampton［6］
圖3 南洋理工大學機械抓扣機構［7-8］
Fig.3 Mechanical grasping mechanism of Nanyang Technological University［7-8］
中國石油大學（華東）Luo 等［9］在充分考慮飛行器結構和棲息原理的基礎上，設計了一種由飛行和棲息子系統組成的仿生空中機器人。基于實時著陸速度和姿態，提出了一種新型柔性抓取機構，提供吸附力和吸收沖擊力，機構如圖4 所示［9］，結果證明了該抓取機構的有效性。泰勒大學Phang 等［10］出了一種多旋翼無人機監控解決方案，通過棲息在目標附近的屋頂邊緣，實現長時間的監控。為解決無人機機械設計和自主邊緣檢測方面的挑戰，討論了可能的解決方案，機械抓扣機構如圖5 所示［10］。奧克蘭大學Lin 等［11］為提升多旋翼無人機在農業等領域長時間的監視能力，設計了一種可將無人機棲息在農場柱子上的機構并進行了試驗驗證，機構如圖6 所示［11］。該機構的靜態試驗和飛行測試表明無人機一旦懸停，該設計可以承受風力，并且無人機棲息控制精度決定其能否棲息成功。
圖4 中國石油大學（華東）機械抓扣機構［9］
Fig.4 Mechanical grasping mechanism of China University of Petroleum（East China）［9］
圖5 泰勒大學機械抓扣機構［10］
Fig.5 Mechanical grasping mechanism of Taylor’s University［10］
圖6 奧克蘭大學機械抓扣機構［11］
Fig.6 Mechanical grasping mechanism of University of Auckland［11］
約翰?霍普金斯大學應用物理試驗室Popek等［12］開發了一種集成機器人感知、機械抓取和基于視覺路徑規劃的無人機，可使無人機在復雜環境中棲息。創新設計的機械抓取機構結合了被動和主動抓取，使電源在關閉的情況下也能保持對棲息目標物體的抓取，機械抓取機構如圖7 所示［12］。耶魯大學Hang 等［13］提出了一個模塊化驅動的起落架框架，通過棲息將無人機穩定在各種不同的結構上。試驗結果表明，該框架可用于無人機在一組常見結構的棲息，該設計能有效降低功耗、提高姿勢的穩定性，并在高處棲息時可保持較大的視野范圍，結構如圖8 所示［13］。科羅拉多州立大學Zhang 等［14］提出了一種可抓取在圓柱物體上的柔順雙穩抓取機構，該抓取機構易于關閉、調整、保持穩定，在棲息過程中通過沖擊力直接啟動抓取機構，試驗結果表明該抓取機構能成功實現無人機在圓柱物體上棲息以及抓取物體，結構如圖9 所示［14］。同時Zhang 等［15］提出了另一種抓取機構—新型雙穩態抓取機構，適用于范圍更廣的棲息物體，對于高度較小的物體可采用環繞法來包圍物體實現棲息，對于高度較大的物體采用夾持法并利用摩擦力進行棲息，機構如圖10 所示［15］。
圖7 約翰?霍普金斯大學機械抓扣機構［12］
Fig.7 Mechanical grasping mechanism of Johns Hopkins University［12］
圖8 耶魯大學的模塊化起落架機構［13］
Fig.8 Modularized landing gears mechanism of Yale University ［13］
圖9 科羅拉多州立大學機械抓扣機構［14］
Fig.9 Mechanical grasping mechanism of Colorado State University［14］
圖10 科羅拉多州立大學新型新穩態機械抓扣機構［15］
Fig.10 A new steady state mechanical grasping mechanism of Colorado State University［15］
悉尼大學Yu 等［16］提出一種具有2 個自由度的柔性機械抓取機構，可模仿鳥類的抓取和棲息，結構如圖11 所示［16］。抓取機構的對稱構形使得在抓取和棲息過程中，重心移動較小、對平臺角動量的擾動較小，試驗結果表明該機械抓取機構具有棲息和抓取能力。猶他大學Kitchen 等［17］研究了一種雙鉤固定裝置，該裝置通過2 個欠驅動鉗口機械爪抓取并棲息到電力電纜，將電纜與充電線圈對齊，從電纜的電磁場中獲取能量，結構如圖12 所示［17］。阿卜杜勒?拉赫曼?新月會科學技術研究所Magesh 等［18］提出了一種基于形狀記憶聚合物的伸縮式起落架用于無人機的棲息，并對棲息性能進行了測試，結果表明使用拉伸式卡爪可達到的最小拉力與普通卡爪相差了27.6%。這種新穎設計確保了曲率的最大期望變形，與普通夾持器相比差異為35.8%，結構如圖13 所示［18］。
圖11 悉尼大學的柔性機械抓取機構［16］
Fig.11 Compliant mechanical grasping mechanism of University of Sydney［16］
圖12 猶他大學機械抓扣機構［17］
Fig.12 Mechanical grasping mechanism of University of Utah［17］
圖13 阿卜杜勒?拉赫曼?新月會科學技術研究所機械抓取機構［18］
Fig.13 Mechanical grasping mechanism of Abdur Rahman Crescent Institute of Science and Technology［18］
洛桑聯邦理工學院智能系統試驗室Kova?等［19］提出了一種固定翼無人機棲息機構，該機構可使無人機棲息在天然和人造材料的墻壁上，并在各種基材上進行了110 次連續棲息，成功率100%，機構如圖14 所示［19］。洛桑聯邦理工學院工程學院Stewart 等［20］提出了一種用于固定翼無人機被動棲息的儲能機構，包含能量回收的存儲機構和用于棲息在水平桿上的爪子。試驗驗證了爪子在棲息期間重新獲得5%的動能，同時表明該裝置可在較寬的偏航角度范圍內成功停靠，并實現了以7.4 m/s 的速度進行棲息，結構如圖15 所示［20］。耶魯大學工程與應用科學學院Backus 等［21］提出了一種可用于直升機的機械抓取機構，研究了設計和抓取參數如肌腱路線/滑輪比率等對完全驅動和欠驅動設計性能的影響。結果表明完全驅動設計對棲息應用效果更好，增加機構的寬度可改善棲息和抓取性能，結構如圖16 所示［21］。
圖14 洛桑聯邦理工學院智能系統試驗室棲息機構［19］
Fig.14 Perching mechanism of Laboratory of Intelligent Systems，Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne［19］
圖15 洛桑聯邦理工學院工程學院機械抓扣機構［20］
Fig.15 Mechanical grasping mechanism of School of Engineering， école Polytechnique Fédérale de Lausanne［20］
圖16 耶魯大學工程與應用科學學院機械抓扣機構［21］
Fig.16 Mechanical grasping mechanism of School of Engineering and Applied Science，Yale University［21］
2. 2 仿生機械抓扣式棲息機構
隨著仿生學的發展，衍生出了仿生機械抓扣式棲息。人們通過觀察鳥類的棲息，學習鳥類在各種復雜物體表面上的棲息活動，進行仿生機械設計。曼徹斯特大學Nagendran 等［22］首次提出了一種基于生物靈感的腿部著陸系統概念，利用機械桿件和彈簧阻尼器實現對鳥腿的仿生設計，進而實現無人機棲息著陸的功能，如圖17 所示［22］。南洋理工大學機械與航空工程學院的Chi等［23］更系統地從鳥類棲息中獲得靈感，進一步提出一種仿生自適應棲息機構的設計，結構如圖18所示［23］，并將無人機的棲息序列概括為3 個階段，預棲、棲息和去棲息，結果表明該棲息機構適用于大范圍的棲息角度和直徑目標。猶他大學的Doyle 等［24］提出了一種可被動棲息的仿生機械結構，如圖19 所示［24］，整個機構由欠驅動的抓取腳和折疊的腿組成，借助無人機的重量轉化為肌腱張力進而驅動腳來完成無人機棲息，結果表明無人機可被動地在多種表面棲息。新墨西哥州立大學的Xie 等［25］提出了一種由繩索驅動的腿部機構和繩索驅動的欠驅動的腳部組成的仿生機械抓取機構，如圖20 所示［25］，并建立了腳趾執行力與各指骨接觸力之間的關系模型，結果表明該設計對無人機仿生棲息技術具有基礎性的貢獻。
圖17 曼徹斯特大學仿生機械腿［22］
Fig.17 Bird-inspired perching landing gear of University of Manchester［22］
圖18 南洋理工大學機械與航空工程學院仿生機械爪 ［23］
Fig.18 Bio-inspired adaptive perching mechanism of School of Mechanical and Aerospace Engineering，Nanyang Technological University［23］
圖19 猶他大學仿生機械抓扣機構［24］
Fig.19 Mechanical grasping mechanism of University of Utah［24］
圖20 新墨西哥州立大學仿生機械抓扣機構［25］
Fig.20 Bio-inspired perching mechanism of New Mexico State University［25］
奧林工程學院Nadan 等［26-27］開發了一種混合經驗-計算模型，并設計了欠驅動多節段腳機構，該機構既能使無人機抓取并棲息在樹枝狀物體上，同時該模型又能預測并量化抓取所施加的力，試驗結果表明無人機可棲息在一系列目標物體上，結構如圖21 所示［26-27］。奧克蘭大學機械工程系新靈巧研究小組McLaren 等［28］提出了一種可被動關閉、自適應的機械手，結構如圖22 所示［28］，該機械手最大抓持力56 N，能高速固定各種形狀的物體，試驗表明可以給無人機提供棲息能力并進行自主對接。重慶大學機械傳動國家重點試驗室Bai 等［29］借鑒鳥腳結構和運動規律，提出了一種適應性和承載能力強的變形無人機棲息機構，結構如圖23 所示［29］，試驗結果表明該結構能可靠地棲息在各種物體上，且無人機棲息能耗為懸停時的0.015 倍。斯坦福大學機械工程系Roderick 等［30］提出了一種仿生鳥腿的機構設計，能使無人機動態棲息在復雜的表面上并抓取不規則物體，結構如圖24 所示［30］，結果表明該抓握機構能在不到50 ms 內環繞不規則的物體并棲息。
圖21 奧林工程學院仿生機械腿［26-27］
Fig.21 Bird-inspired perching landing gear of Olin College of Engineering［26-27］
圖22 奧克蘭大學新靈巧研究小組仿生機械爪［28］
Fig.22 Bio-inspired adaptive perching mechanism of New Dexterity Research Group， University of Auckland［28］
圖23 重慶大學機械傳動國家重點試驗室仿生機械抓扣機構［29］
Fig.23 Bird-inspired mechanical grasping mechanism of State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University［29］
圖24 斯坦福大學機械工程系機械抓扣機構［30］
Fig.24 Mechanical grasping mechanism of Department of Mechanical Engineering，Stanford University［30］
2. 3 仿生針刺、微棘式棲息機構
仿生針刺、微棘式棲息是模仿生物的剛毛鉤刺進目標棲息物粗糙表面，進而使無人機完成棲息。斯坦福大學機械工程系Roderick 等［31］對在高度不規則表面上棲息、移動和起飛的不同生物方案進行研究，提高了對表面接近和起飛空氣動力學、棲息和附著接觸動力學及表面運動理論分析。通過對動物俯仰著陸動作和表面附著技術的深入研究，為開發棲息在多樣化和復雜表面的無人機提供設計指南。西北工業大學無人系統研究院昌敏等［32］概括了垂面棲息微型無人機的方案特點，并結合針刺式、微棘式這2 類典型垂面棲息方式闡釋了不同棲息原理的著壁、棲息與復飛過程，為后續開展垂面棲息無人機的研究提供借鑒。南京航空航天大學機電學院倪勇等［33］提出適合各種復雜環境可撲翼飛行和爬行棲息的兩棲機器人研究構想，為仿生兩棲機器人的微型化和輕量化指出了發展方向。
斯 坦 福 大 學Desbiens 等［34-37］提 出了一種 用于固定翼無人機的仿生腳，腳上配備一排微型脊椎針刺，通過針刺與墻壁的凹凸進行嚙合使無人機棲息到壁面上，結構如圖25 所示［34-37］，同時還能通過控制仿生腳上的脊椎針刺收放來實現無人機在壁面上的爬行。佛羅里達州立大學工程學院Dickson 等［38］基于固定翼無人機開發出一種仿生針刺機構，結構如圖26 所示［38］，無人機通過該機構可在壁面棲息與爬行，且為雙足攀爬小型、簡化機構設計提供指導。舍布魯克大學Mehanovic 等［39-40］設計了一款可自動棲息并從垂直表面起飛的固定翼無人機，吸附在粗糙墻壁上的主要是微型針刺機構，結構如圖27 所示［39-40］，試驗結果表明該無人機能可靠地在粗糙壁面棲息并起飛。
圖25 斯坦福大學仿生腳［34-37］
Fig.25 Bird-inspired perching landing gear of Stanford University［34-37］
圖26 佛羅里達州立大學工程學院仿生針刺機構［38］
Fig.26 Bionic dart perching mechanism of Florida State University College of Engineering［38］
圖27 舍布魯克大學機械抓扣機構［39-40］
Fig.27 Mechanical grasping mechanism of University of Sherbrooke［39-40］
斯坦福大學仿生學和靈巧操作試驗室Pope等［41-42］設計了一款可飛行、在壁面棲息、爬行、再次起飛的四旋翼無人機，結構如圖28 所示［41-42］，該無人機具備從爬行失敗中恢復及通過應用空氣動力增加可用立足點密度的能力。倫敦帝國學院Zhang 等［43］提出了一種帶有可發射張力錨機構的多旋翼無人機，結構如圖29 所示［43］，張力錨通過錨定在壁面上使無人機棲息，試驗結果驗證了該設計的有效性以及在大風環境下的穩定能力。倫敦帝國理工學院空中機器人試驗室Nguyen 等［44］提出了一種被動自適應棲息機構，可使無人機穩定地附著在包括樹枝和管道在內的各種表面上，結構如圖30 所示［44］，結果表明該機構能提供可靠的牽引力和非常高的負載能力并能正常釋放。加州理工學院噴氣推進試驗室Backus 等［45］設計了一款帶有微棘爪的多旋翼無人機，結構如圖31 所示［45］，該機構可使無人機在粗糙的傾斜或垂直表面棲息，且在自重100 g 的情況下可抓取超過10 N 的載荷。
圖28 斯坦福大學仿生學和靈巧操作試驗室仿生腳［41-42］
Fig.28 Bionic feet of Department of Mechanical Engineering，Stanford University ［41-42］
圖29 倫敦帝國學院仿生針刺機構［43］
Fig.29 Bionic dart perching mechanism of Imperial College London［43］
圖30 倫敦帝國學院空中機器人試驗室機械抓扣機構［44］
Fig.30 Mechanical grasping mechanism of Aerial Robotics Laboratory，Imperial College London［44］
圖31 加州理工學院噴氣推進試驗室機械抓扣機構［45］
Fig.31 Mechanical grasping mechanism of Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology［45］
2. 4 負壓吸盤式棲息機構
負壓吸盤式棲息利用吸盤和棲息物體之間產生的負壓吸附力，使無人機棲息到目標物體。南京理工大學計算機科學與技術系Liu 等［46］提出了一種用于飛行和吸附棲息無人機的阻抗控制方法，試驗結果表明該控制方法搭配設計的吸盤結構能使無人機實現與壁面的平穩吸附接觸和棲息，結構如圖32 所示［46］。特溫特大學Wopereis 等［47］設計了一種基于被動真空杯技術吸收空中撞擊的機構，結構如圖33 所示［47］，試驗結果表明無人機可借助該機構在環境中實現穩定棲息、解除棲息和可靠起飛。日本高級科學技術研究所信息科學學院Huang 等［48］提出了一種可使無人機棲息在任務形狀表面上的機構，如圖34 所示［48］，該機構由2 個旋轉臂和4 個真空吸盤組成，且其設計目標是重量輕、模塊化、可擴展、自平衡，因此可裝配到多種無人機上。
圖32 南京理工大學計算機科學與技術系負壓吸盤［46］
Fig.32 Vacuum cup of Department of Computer Science and Technology，Nanjing University of Science and Technology［46］
圖33 特溫特大學負壓吸盤［47］
Fig.33 Vacuum cup of University of Twente［47］
圖34 日本高級科學技術研究所信息科學學院負壓吸盤［48］
Fig.34 Vacuum cup of School of Information Science，Japan Advanced Institute of Science and Technology［48］
上海交通大學機械與工程學院Liu 等［49-50］提出了一種用于空中抓取和棲息的內外雙硬度真空杯設計［49-50］，結構如圖35 所示，試驗結果表明內外雙硬度真空杯吸盤設計要優于傳統吸盤，且在抓取和棲息時所需的接觸壓力顯著降低。東京工業大學系統與控制工程系Tsukagoshi 等［51］提出了一種新的混合式吸盤結構，利用粘性粘膠的粘附力和負壓吸力來使無人機棲息，結構如圖36 所示［51］，試驗表明帶有該機構的無人機可棲息到混凝土墻和天花板上并解除棲息復飛。
圖35 上海交通大學機械與工程學院負壓吸盤［49-50］
Fig.35 Vacuum cup of School of Mechanical and Engineering，Shanghai Jiao Tong University ［49-50］
圖36 東京工業大學系統與控制工程系負壓吸盤［51］
Fig.36 Vacuum cup of Department of Systems and Control Engineering，Tokyo Institute of Technology［51］
2. 5 螺旋槳式棲息機構
螺旋槳式棲息主要是指帶有爬壁輪的多旋翼無人機棲息，該類無人機通過旋翼產生的吸附力來吸附到各種壁面上，再通過其搭配的爬壁輪進 行壁面爬 行。Mathmood 等［52］綜 述了螺旋 槳式爬壁機器人暨爬壁無人機的相關原理、特點和發展趨勢，指出爬壁無人機受壁面性質影響較小，可在許多類型的垂直平面吸附棲息爬行，如光滑、粗糙和鐵磁性或非光滑表面。北京航空航天大學機械工程與自動化學院機器人研究所Ding 等［53-54］介紹了一種能爬墻和用臂操作的無人機，無人機通過2 個腿輪機構來實現輪爬壁和腿爬壁2 種模式，結構如圖37 所示［53-54］。韓國科學技術研究院Shin 等［55］提出了一種可用于建筑結構監測的爬壁無人機，通過無人機在壁面爬行來對建筑進行監測，試驗驗證了該無人機可在壁面爬行及空中飛行，結構如圖38 所示［55］。韓國科學技術院土木與環境工程系Myeong 等［56-57］設計了一種帶有棲息機構的爬壁無人機，結構如圖39所示［56-57］，該無人機可通過姿態變化和棲息機構在目標物體上棲息、爬行。
圖37 北京航空航天大學機械工程與自動化學院機器人研究所爬壁無人機［53-54］
Fig.37 Wall-climbing robot of School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University ［53-54］
圖38 韓國科學技術研究院Shin 等爬壁無人機［55］
Fig.38 Wall-climbing robot of Shin， et al. of Korea Advanced Institute of Science and Technology（KAIST）［55］
圖39 韓國科學技術院土木與環境工程系爬壁無人機［56-57］
Fig.39 Wall-climbing robot of Department of Civil and Environmental Engineering，KAIST［56-57］
日本富士通有限公司Yamada 等［58］介紹了一種可用于橋梁檢測的爬壁無人機，該無人機帶有1 個圓柱形籠子和2 個圍繞籠子自由旋轉的無輻條輪子，結構如圖40 所示［58］，該無人機可檢查人難以進入橋梁表面的地方。日本國立理工學院Iwamoto 等［59］設計了一種可用來檢測隧道的爬壁無人機，該無人機配備了一套橡膠履帶可使無人機在壁面爬行，結構如圖41 所示［59］。韓國科學技術院Jung 等［60］提出了一種可用于風力發電機槳葉檢測的爬壁無人機，無人機借助4 個輪子可在槳葉表面粘貼吸附和爬行，結構如圖42［60］所示。
圖40 日本富士通有限公司爬壁無人機［58］
Fig.40 Wall-climbing robot of Fujitsu Limited［58］
圖41 日本國立理工學院爬壁無人機［59］
Fig.41 Wall-climbing robot of National Institute of Technology，Ariake College［59］
圖42 韓國科學技術院Jung 等爬壁無人機［60］
Fig.42 Wall-climbing robot of Jung， et al. of Korea Advanced Institute of Science and Technology［60］
早稻田大學理工系Tanaka 等［61］提出了一種帶有輪式結構的爬壁無人機，可實現高運動和長期運行，結構如圖43 所示［61］，試驗結果表明該無人機可在復雜環境中平穩爬行和飛行。韓國科學技術院土木與環境工程系Myeong 等［62］提出了一種帶有旋轉臂的新型爬壁無人機，旋轉臂的角度可根據墻體傾斜角進行控制，以實現節能，結構如圖44 所示［62］，試驗表明該無人機可在不同形狀的墻壁上爬行。岡山大學自然科學技術研究生院Watanabe 等［63］研發了一種既能進行錘擊試驗又能目視檢測的爬壁無人機，結構如圖45 所示［63］，試驗證明該無人機可完成相應的爬行并檢測。
圖43 早稻田大學理工系爬壁無人機［61］
Fig.43 Wall-climbing robot of Department of Science and Engineering，Waseda University［61］
圖44 韓國科學技術院土木與環境工程系新型爬壁無人機［62］
Fig.44 New wall-climbing robot of Department of Civil and Environmental Engineering，KAIST［62］
圖45 岡山大學自然科學技術研究生院爬壁無人機［63］
Fig.45 Wall-climbing robot of Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama University［63］
呂勒奧理工大學Andrikopoulos 等［64］設計了一種電動涵道式吸附機構并為分析與靶面負壓和推力產生有關的粘著性質提供了新見解，結構如圖46 所示［64］，該機構可裝配到無人機或者機器人上實現吸附爬壁功能。日本愛媛大學理工科研究生院Yasunaga 等［65］設計了一款新型多旋翼無人機，機身上安裝了防護框架和兩個主動輪，結構如圖47［65］所示，試驗證明該無人機可在空中飛行、吸附，并在天花板上爬行。韓國科學技術院城市機器人試驗室Myeong 等［66］設計了一種可改變旋翼傾轉角度的四旋翼無人機，結構如圖48 所示［66］，借助團隊提出的通過低速改變姿態在垂直表面上棲息機理和控制算法，實現了無人機在垂直壁面軟棲息。
圖46 呂勒奧理工大學爬壁無人機［64］
Fig.46 Wall-climbing robot of Lulea University of Technology［64］
圖47 日本愛媛大學理工科研究生院爬壁無人機［65］
Fig.47 Wall-climbing robot of Graduate School of Science and Engineering，Ehime University［65］
圖48 韓國科學技術院城市機器人試驗室爬壁無人機［66］
Fig.48 Wall-climbing robot of Urban Robotics Laboratory， KAIST［66］
東南大學江蘇省工程力學重點試驗室Jiang等［67］研究了一種可實時進行裂紋監測的爬壁無人機，該無人機搭配6 個爬壁輪和2 個豎直方向的旋翼，進而實現垂直壁面和天花板的爬行，結構如圖49 所示［67］。伊拉克巴格達工業大學機械工程系Mahmood 等［68］提出了一種雙旋翼爬壁無人機，結構如圖50 所示［68］，表明該無人機可在不同類型表面棲息和爬行。內蓋夫本古里安大學機械工程系David 等［69］設計了一種混合飛行與爬行的無人機，搭配的4 個爬壁驅動輪在旋翼對壁面產生壓力的同時進行爬行，結構如圖51 所示［69］，試驗證明該無人機可在傾斜或垂直表明爬行。
圖49 東南大學江蘇省工程力學重點試驗室爬壁無人機［67］
Fig.49 Wall-climbing robot of Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics，Southeast University［67］
圖50 伊拉克巴格達工業大學機械工程系爬壁無人機［68］
Fig.50 Wall-climbing robot of Department of Mechanical Engineering，University of Technology，Baghdad［68］
圖51 內蓋夫本古里安大學機械工程系爬壁無人機［69］
Fig.51 Wall-climbing robot of Department of Mechanical Engineering at the Ben Gurion University of the Negev［69］
日本岡山大學自然科學技術研究生院Komura 等［70］設計了一種可傾斜的雙軸四旋翼無人機，結構如圖52 所示［70］，通過改變旋翼與壁面的傾斜角使無人機吸附到壁面上實現爬行。韓國科學技術院電氣工程學院Lee 等［71-72］設計了一種帶有傾斜機構的三軸六旋翼無人機，結構如圖53所示［71-72］，該無人機可在懸停時在空中變形，將水平飛行改為垂直飛行，進而實現在壁面棲息和爬行。紐約大學坦登工程學院Mao 等［73］設計了一種可以在傾斜表面上自主棲息的四旋翼無人機，結構如圖54 所示［73］，試驗表明該無人機可以在傾斜表面進行激進的棲息。
圖52 日本岡山大學自然科學技術研究生院爬壁無人機［70］
Fig.52 Wall-climbing robot of Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama University［70］
圖53 韓國科學技術院電氣工程學院爬壁無人機［71-72］
Fig.53 Wall-climbing robot of School of Electrical Engineering， KAIST［71-72］
圖54 紐約大學坦登工程學院爬壁無人機［73］
Fig.54 Wall-climbing robot of Tandon School of Engineering，New York University［73］
2. 6 粘膠、電磁式棲息機構
粘膠、電磁式棲息是借助粘膠墊的粘附力或者電磁鐵產生的電磁力吸附到目標物體上，使無人機完成棲息。美國空軍學院工程力學系Anderson 等［74］設計了一種帶粘貼墊的固定翼無人機，結構如圖55［74］所示，無人機可通過粘貼墊吸附到目標物體上使無人機完成棲息，延長了續航時間可進行長時間的監測。瑞士聯邦理工學院智能系統試驗室Daler 等［75］提出了一種共軸雙旋翼無人機，結構如圖56 所示［75］，該無人機包含1 個帶有纖維基干膠粘劑的粘貼墊和被動自動對準系統，試驗證明該無人機可成功棲息。斯坦福大學機械工程專業Pope 等［76-77］設計了一種帶有干膠墊的多旋翼無人機，結構如圖57 所示［76-77］，可通過干膠墊的粘附力在垂直壁面或傾斜表面上棲息。
圖55 美國空軍學院工程力學系粘膠式無人機［74］
Fig.55 Sticky-Pad plane of Deptment of Engineering Mechanics，United States Air Force Academy［74］
圖56 瑞士聯邦理工學院智能系統試驗室粘膠式無人機［75］
Fig.56 Sticky-pad plane of Laboratory of Intelligent Systems，Swiss Federal Polytechnic in Lausanne［75］
圖57 斯坦福大學機械工程專業粘膠式無人機［76-77］
Fig.57 Sticky-pad plane of Mechanical Engineering School， Stanford University［76-77］
伊利諾伊理工學院機械、材料與航空航天工程系Kalantari 等［78］介紹了一種帶有新型干膠夾持器的四旋翼無人機，結構如圖58 所示［78］，無人機通過夾持器上的干膠粘貼在壁面上，試驗表明無人機的棲息機動成功率可達93%以上。山東科技大學電子通信與物理學院Guo 等［79］設計了一種帶有仿生干膠的爬壁偵擦無人機，干膠抓持器如圖59 所示［79］，試驗表明該無人機完全可以實現對粗糙混凝土墻壁吸附棲息。
圖58 伊利諾伊理工學院機械、材料與航空航天工程系粘膠式無人機［78］
Fig.58 Sticky-pad plane of Mechanical，Materials，and Aerospace Engineering Department，Illinois Institute of Technology［78］
圖59 山東科技大學電子通信與物理學院粘膠式無人機［79］
Fig.59 Sticky-pad plane of College of Electronic Communication and Physics，Shandong University of Science and Technology［79］
廣東工業大學蔣俊高［80］提出了一種基于四旋翼無人機的仿生壁面自動起降系統，無人機結構如圖60 所示［80］，其通過腳部的微型強磁吸附到壁面進行棲息，試驗結果表明無人機可在垂直壁面和傾斜表面實現棲息和起飛。斯坦福大學電氣工程系Park 等［81］提出了一種用于電膠粘合的特定應用電子電力解決方案，通過產生的靜電力來吸附棲息，結論表明四旋翼無人機的無繩索電粘劑棲息試驗結果是首次得到驗證并在文獻中進行發表，結構如圖61 所示［81］。哈佛大學Graule等［82］介紹了一種可切換的電粘合劑，該粘合劑幾乎可以在任何材料上實現受控的棲息與分離，同時所需的功率比維持飛行低大約3 個數量級，結構如圖62 所示［82］。
圖60 廣東工業大學磁吸式無人機［80］
Fig.60 Magnetic MAV of Guangdong University of Technology［80］
圖61 斯坦福大學電氣工程系靜電力吸附無人機［81］
Fig.61 Electroadhesive perching MAV of Department of Electrical Engineering，Stanford University［81］
圖62 哈佛大學電磁吸附仿生無人機［82］
Fig.62 Bionic electrostatic adhesion MAV of Harvard University［82］
2. 7 棲息機構特點及發展趨勢
通過上述對不同棲息機構原理進行分類研究分析，總結出以下特點與發展趨勢：
1） 機械抓扣式棲息機構所對應的飛行平臺多為多旋翼無人機，設計技術相對成熟工程應用較多。基于多旋翼無人機設計的機械抓扣式棲息機構可移植到直升機平臺，進行互換。機械抓扣機構模塊化設計和形狀記憶材料應用將是機械抓扣式棲息機構研究的新方向，通過引入新材料和模塊化設計使無人機環境適應性更強、功能更齊全。基于固定翼無人機的機械抓扣機構設計會愈發考慮能量的回收再利用，在固定翼無人機棲息時利用機械抓扣機構將能量儲存，并在解除棲息和復飛時使用。
2） 仿生機械抓扣式棲息機構所對應的飛行平臺多為多旋翼無人機，未來的研究可將飛行平臺轉為撲翼機或固定翼無人機。將仿生機械爪移植到撲翼機上實現撲翼機對復雜環境的棲息著陸及目標物的抓取，實現更徹底的仿生無人機設計。同時也可將仿生材料引入到仿生機械抓扣的設計中，如人工肌肉等，實現對鳥類更深入的模仿設計。
3） 機械抓扣式棲息機構和仿生機械抓扣式棲息機構都可改變為抓取機構，搭配多旋翼無人機或者直升機在目標物體上定點懸停進行抓取，通過對目標物體的抓取來實現無人機棲息或運輸載荷。
4） 基于螺旋槳式棲息無人機多為多旋翼無人機，通過其自帶的爬壁輪機構可在傾斜或者垂直壁面上爬行。該類型棲息最大的特點是無人機可在棲息物體表面爬行，進而完成一定的任務。爬壁無人機棲息更多的是一種動態棲息，旋翼電機不停車，在壁面棲息的能耗相對懸停時稍低。因此可通過加裝其他棲息機構，如負壓吸盤等機構等，借助吸盤對棲息物體產生的負壓來實現在壁面上的停車進而提高續航時間。未來基于螺旋槳式棲息的多旋翼無人機可向變體無人機方向發展，通過改變機體結構或者旋翼電機的傾轉角度來實現更好的棲息與壁面爬行。
5） 基于電磁吸附的棲息機構可應用到更微型的仿生無人機上，如基于飛行昆蟲或小型鳥類所設計的仿生無人機或撲翼機。通過攜帶電磁吸附機構可使用比懸停所需功率小3 個量級的棲息功率來完成棲息操作，進而實現無人機的長時間續航。
6） 不同作用原理的棲息機構設計將越來越多元化，相互之間可進行組合設計。將針刺或者微棘的機構整合到機械或仿生機械抓扣機構，在抓取的同時利用針刺或者微棘來增大摩擦力來實現更好的棲息或抓取載荷。可將粘膠墊結合到機械或者仿生機械抓扣機構，在棲息或抓取的同時增加粘膠墊的粘附力。也可將電磁式棲息機構整合到基于螺旋槳式棲息的無人機，增大對金屬壁面的吸附力。不同種類的棲息機構界限越來越不明顯，相反，應對不同棲息場景的組合設計會越來越多。
3 變體無人機棲息方案
美國空軍研究試驗室Reich 等［83］描述了一種用于棲息微型無人機的機械化機翼概念，結構如圖63 所示［83］，機翼能夠在2 個跨距關節上旋轉，以模擬鳥類在棲息中的翅膀運動，研究表明該機翼可使無人機以近乎為0 的垂直和水平速度棲息在樹枝等目標物上。哈佛大學Manchester 等［84］提出了一種具有可變前掠翼無人機，結構如圖64［84］所示，通過前掠翼角變化來提升無人機在大迎角棲息機動時的操作性能。布里斯托爾大學航空航天工程系Greatwood 等［85］提出了一種可變后掠翼無人機，結構如圖65 所示［85］，飛行試驗表明可變后掠翼設計能使無人機在棲息時的俯仰機動達到30°的前掃掠，棲息的最后時刻空速可降至3 m/s 以下，遠低于9 m/s 的失速速度。南京航空航天大學自動化學院袁亮［86］研制了一種可改變主翼位置的變體無人機，并對其棲息機動進行建模和軌跡優化，結果表明變體部件能夠顯著提高姿態操縱效率進而改善棲息機動性能，結構如圖66 所示［86］。
圖63 美國空軍研究試驗室變體機翼［83］
Fig.63 Variable wing of America Air Force Research Laboratory ［83］
圖64 哈佛大學變體機構［84］
Fig.64 Variable mechanism of Harvard University［84］
圖65 布里斯托爾大學航空航天工程系變體無人機［85］
Fig.65 Morphing UAV of Department of Aerospace Engineering，University of Bristol［85］
圖66 南京航空航天大學自動化學院變體無人機［86］
Fig.66 Morphing UAV of College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics &Astronautics［86］
康奈爾大學Garcia 等［87-88］討論了變體無人機空氣動力學的綜合模型，特別考慮了非線性影響，為高度非線性無人機控制奠定了基礎，結果表明利用失速后飛行的能力和無人機重新配置，在沒有高推力的情況下垂直棲息著陸是可能的。南京航空航天大學自動化學院何真等［89］對變體無人機棲息機動縱向的運動進行了建模、仿真和分析，建立了變體無人機棲息機動的縱向多體動力學模型，通過理論計算和分析驗證了變體結構能提高無人機棲息機動性能。同時何真等［90］采用軌跡線性化和張量積變換方法轉換得到T-S模糊模型，對非變體和變體下的棲落機動控制過程進行了仿真，結果表明帶有變體結構的無人機能提高棲落機動中升降舵抗飽和能力，具有更強的操縱性能。
4 微型無人機棲息方法
4.1多旋翼無人機
4.1.1棲息位置選擇
新加坡國立大學機械工程系Wang 等［91］提出一種用于多旋翼無人機離線棲息位置選擇的方法，來選擇感興趣的棲息地，選擇方法分為預選和精選，并在選擇過程中同時考慮幾何和任務約束，包括相機范圍、屋頂面積、坡度和視線等，最終生成一組排名靠前的棲息位置。
4.1.2棲息仿生軌跡與方法
上海大學機電一體化與自動化學院Zhang等［92-93］提出了一種基于時間接觸理論的仿生軌跡生成方法，研究了直線軌跡、俯仰角耦合棲息和俯仰/偏航角耦合棲息3 種策略，結果表明飛行軌跡滿足無人機在物體上棲息的要求。南洋理工大學機械與航空航天工程學院Chi［94］將棲息過程概括為棲息前、棲息中和棲息后3 個階段，并提出棲息方法學，借助自行設計的抓取機構進行試驗，結果表明棲息機構能對棲息目標物可靠、自動的棲息抓取，驗證了無人機棲息控制算法的正確性。
4.1.3棲息算法設計
中國石油大學（華東）Luo 等［9］提出了一種用于復制高度自適應鳥類棲息行為的機器學習方法，借助姿態控制器和自定位系統調節棲息機動，結果表明該方法是有效的。印度科學院航空航天工程系Maitra 等［95］介紹了可用于無人機自主棲息的仿生算法，描述了基于視覺的數據采集無人機導航方法，單目相機的視覺數據可用于無人機棲息的姿態控制和平面動力學建模分析。韓國科學技術院電氣工程學院Lee 等［72］提出了一種基于強化學習的方法來進行實際應用中的傾斜式旋翼無人機棲息機動控制，通過試驗證明提出的方法克服了多旋翼傾斜復雜的動力學問題，具有較強的魯棒性。德國航空航天中心Tomi? 等［96］提 出 了 一種 四 旋 翼無 人 機 機動 學 習和在線推廣方法，應用最優控制求解器來求解棲息機動問題，仿真和試驗驗證了該方法在平面點到點和棲息機動中的有效性。
4.1.4棲息視覺導航
加州大學電氣工程系Ghadiok 等［97］提出了利用機載單目攝像機視覺同步定位和映射算法解決無人機在室內室外棲息機動導航的問題，試驗表明該無人機存在干擾的情況下自主導航并在傾斜表面自主棲息。科羅拉多州立大學機械工程系Zhang 等［98］提出一種視覺算法來估計棲息物體的表面斜率，搭配距離傳感器和單目攝像機可同時估計X 和Y 方向的表面斜率，試驗結果表明該算法比以往算法更優。紐約大學坦登工程學院Mao 等［73］提出使用視覺和慣性傳感器解決無人機在傾斜表面上自主棲息的估計、規劃和控制問題，通過機載傳感器計算導航棲息到目標位置，最終試驗結果驗證了所提出方法的有效性。
4.1.5 棲息控制策略
南洋理工大學Chi 等［7］提出了一種四旋翼自主棲息的控制策略，通過學習鳥類棲息過程推導出自主棲息所需的函數，并在控制策略設計中完全考慮了這些函數，最后試驗表明該控制策略搭配自主設計的抓取機構能使無人機自主棲息到目標點。曼徹斯特大學Nagendran 等［22］將自適應鐘形剛度控制器和速度匹配方案相結合，實現安全成功的棲息著陸機動，并指出該機動所需的精度和高速運行受到可用的執行器性能和硬件控制帶寬的限制。斯坦福大學機械工程系Roderick 等［30］發現閉環平衡控制在最大化棲息所需參數的范圍起著重要作用，為確定足以成功棲息的硬件設計、運動學、行為和棲息參數的范圍做出指導。南京理工大學計算機科學與技術系Liu等［46］發現當無人機在飛行和附著之間切換時很難控制接觸力，且無人機會因與環境的異常接觸而損壞，基于此提出了一種用于仿生飛行和附著機器人的阻抗控制方法，以實現與環境的平穩接觸，并應用所提的阻抗控制方法調節與環境的接觸力。
北京航空航天大學機械工程與自動化學院機器人研究所Ding 等［53-54］介紹了一種穩定控制策略，使無人機在爬壁模式下保持姿態穩定，并采用遞歸方法對無人機動力學進行建模，試驗驗證了該策略的有效性。韓國科學技術院城市機器人試驗室Myeong 等［66］提出了一種通過低速改變姿態在垂直表面棲息的機理和控制算法，借助此控制方法可以解決無人機在棲息時因快速姿勢變換和著陸速度而帶來的沖擊問題，降低棲息風險提高成功率。韓國科學技術院電氣工程學院Lee 等［71］發現由于旋翼電機偏置、伺服電機減速和傾斜角受單向限制，這些情況可能會導致常規控制方法出現嚴重問題，針對這一問題，提出了一種控制方法—準解耦控制，該方法克服了伺服電機的慢動態特性和角度約束的局限性，取得了良好的控制效果。斯坦福大學機械工程專業Pope 等［77］提出了控制和規劃算法，使一個帶有向下抓取器的欠驅動的四旋翼棲息在傾斜的表面，同時滿足驅動和傳感的約束，試驗結果表明所提出的控制方法可以使無人機成功地棲息在各種傾斜和垂直的玻璃表面上。
廣東工業大學蔣俊高［80］提出了一種基于四軸無人機的仿生壁面自動起降系統，通過對壁面降落過程進行分析，深入研究起降控制策略和碰撞勢能轉換問題，設計了起降機構及相應的降落控制策略及算法，同時對降落發生碰撞和彈離壁面的過程分別建模進行動力學分析，最后仿真驗證了該模型的可靠性和正確性。南京理工大學葉希［99］對四旋翼無人機在近面環境下的控制技術進行研究，并提出了一種結合阻抗和非線性PID 控制策略，試驗結果證明該策略能實現無人機在飛行吸附中對位置和力良好的控制。西北工業大學航空學院孫楊等［100］提出用“軌跡規劃+跟蹤控制”的方法實現四旋翼無人機垂面棲息過程，并用幾何跟蹤控制方法對其改進，仿真結果表明改進跟蹤控制方法能很好實現垂面棲息。
4.2 固定翼無人機
4.2.1棲息氣動特性與動力學建模
韓國科學技術研究院航空航天工程系Tahk等［101-102］提出了固定翼無人機高位著陸棲息的概念，建立了無人機在氣動力和推力力矩作用下的平面剛體運動模型，通過將仿真結果與最優軌跡進行對比，驗證了該概念的實用性。布里斯托大學Greatwood 等［103］使用非線性約束優化器和深度網絡生成并評估在地面上執行棲息著陸的軌跡，結果表明生成的軌跡可降低空速使無人機安全著陸棲息。佛羅里達理工學院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的快速減速，從而改善了二維駐留性能，結果表示可在更短的距離內實現無人機著陸棲息。南京航空航天大學自動化學院何真等［105］對固定翼無人機棲落機動的縱向運動進行了氣動特性建模與軌跡優化，優化結果表明以不同初始速度進行棲落都可以棲息到同一位置。
4.2.2棲息機動控制
電子科技大學鄒文露［106］研究了無人機穩定棲息在垂直墻面的過程實現無人機短距離飛行后的穩定棲息，通過李雅普諾夫函數方法分析固定翼無人機棲息時的吸引域，有效估計平面與垂直表面接觸時的機械穩定性。佛羅里達理工學院Go 等［107］提出了一種在動態失速影響下進行側滑駐留機動的滑模控制策略，通過滑模控制策略來解決動態失速延遲的非線性、非定常區域動態跟蹤問題，最后在不同的場景下驗證了該策略的可行性。約翰斯?霍普金斯大學Moore 等［108］開發了一種基于非線性模型預測控制和LQR-Trees的非線性反饋控制，通過試驗成功率達95%，即使在失速后也可實現穩定準確的棲息。
喬治華盛頓大學機械與航空航天工程系Crandall 等［109］提出了一種利用無人機瞬時旋轉中心來檢測棲落的方法，提出了基于積分加速度計獲得無人機上不同點速度和利用這些點加速度大小來估計該點到瞬時旋轉中心的距離2 種方法，通過這2 種方法來檢測棲息機動何時發生。南京航空航天大學自動化學院何真等［110］研究了固定翼無人機棲落機動軌跡跟蹤控制設計與吸收域優化計算方法，仿真結果驗證了棲落機動軌跡跟蹤控制律的有效性，以及可以獲得更大的吸引域。同時針對固定翼無人機棲落機動過程的縱向運動研究了一種在線計算量小的棲落機動魯棒預測控制方法，仿真結果表明該控制方法具有良好的控制效果［111］。
4.3 棲息方法特點與發展趨勢
通過上述對多旋翼和固定翼無人機棲息方法進行分類研究分析，總結出以下特點與發展趨勢。
1） 多旋翼無人機棲息方法分類更加細致，技術方法相對更加成熟，圍繞整個棲息過程可將棲息方法分為棲息位置選擇、棲息軌跡設計、棲息算法設計、棲息視覺導航及棲息控制策略5 個方面。未來研究中也可將棲息位置選擇、棲息算法設計和棲息視覺導航等引入到固定翼無人機的棲息方法研究中，通過對無人機棲息方法更加細致、全面的分類研究，有助于提升無人機棲息的可靠性與成功率。
2）未來可對棲息位置的選擇進行更深入研究，棲息位置的優劣會直接影響無人機棲息的成功與否；其次，無人機對目標棲息物體的表面探測決定了棲息軌跡的設計及棲息機構能否抓扣或吸附到棲息物體上，之后的研究中要增強無人機對棲息物體表面的探測能力，比如利用單雙目視覺傳感器、超聲波傳感器、距離傳感器等對棲息物體表面斜率和大小以及距離進行預測計算。
3）無人機超機動控制與棲息機構和電機傾斜角度耦合控制是無人機棲息中的難點，尤其是在傾斜表面或垂直壁面、天花板等進行棲息時會對無人機控制提出更高的要求，未來研究中可在棲息控制中引入機器學習、強化學習等算法，通過對現有的控制策略進行優化改進，實現棲息更好的控制。
5 結束語
1）本文著重研究分析了基于不同棲息原理的棲息機構，并分析了其特點與發展趨勢。同時闡述了無人機抓取與無人機機械抓扣棲息和仿生機械抓扣棲息的聯系。將爬壁無人機概括為基于螺旋槳式棲息的類別，屬于無人機棲息的研究領域。
2）研究分析了變體無人機在棲息領域的應用，變體無人機主要為固定翼無人機，通過改變無人機的機翼前掠角或后掠角的角度來降低無人機棲息前的空速進而實現無人機的棲息或將機翼分為多段，并單獨通過角度控制實現無人機的棲息。未來也可以進行多旋翼無人機變體機構的研究，通過旋翼電機角度變化來完成棲息或爬壁。
3）基于不同飛行平臺將無人機分為多旋翼和固定翼兩大類來進行棲息方法的研究。內容主要為無人機的棲息位置選擇、基于時間接觸理論的仿生軌跡設計、視覺棲息導航、無人機的氣動分析和動力學建模以及相應的棲落機動控制等。通過對無人機棲息方法的研究歸納分析，可為后續從事該方面的研究人員提供參考和借鑒。
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