無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)是在有效載荷(固定翼)上有效飛行長(zhǎng)距離的能力與輕松操縱，懸停和降落(旋翼飛行器)的能力之間的永久折衷。除了極少數(shù)相當(dāng)奇怪的例外，任何試圖提供兩全其美的飛機(jī)最終都會(huì)相對(duì)復(fù)雜，低效且昂貴。理想的幻想無(wú)人機(jī)將是一架具有神奇能力的固定翼飛機(jī)，來(lái)自加拿大舍布魯克大學(xué)的一組研究人員已經(jīng)非常接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一架小飛機(jī)使用了腿和爪可靠地棲息在墻上。

我們見過(guò)的大多數(shù)棲息機(jī)器人都是四旋翼飛行器。使用四旋翼飛行器進(jìn)行棲息比使用固定翼飛機(jī)進(jìn)行棲息要容易得多，因?yàn)槟鷵碛懈嗟目刂瞥潭?，并且您沒(méi)有義務(wù)讓車輛始終向前移動(dòng)?？隙ㄓ兴男盹w機(jī)采用更有創(chuàng)意的方法進(jìn)行棲息，但同樣值得注意的是，四旋翼飛行器的棲息價(jià)值較低，因?yàn)樗鼈兛梢韵鄬?duì)容易地懸停和降落。

固定翼?xiàng)⑹且粋€(gè)更加困難的問(wèn)題，因?yàn)闂⑼ǔＲ筌囕v非常接近靜止，以防止它從其試圖著陸的任何表面反彈。飛機(jī)對(duì)于在半空中靜止不滿意，并且一旦空氣停止在機(jī)翼上移動(dòng)，它們通常會(huì)停止，因?yàn)檫@是他們大部分升力來(lái)自的地方。如果你非常(非常)小心，你可以把這個(gè)攤位的時(shí)間與你的棲息目標(biāo)恰好一致：這就是MIT的powerline棲息滑翔機(jī)的工作原理。

來(lái)自舍布魯克大學(xué)的Dino Mehanovic，John Bass，Thomas Courteau，David Rancourt和Alexis Lussier Desbiens意識(shí)到，使用固定翼飛機(jī)進(jìn)行棲息不需要涉及失速來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直和超低速進(jìn)近，如只要你能保持對(duì)飛機(jī)的控制。事實(shí)上，鳥類一直在這樣做，通過(guò)使用它們的翅膀的推力來(lái)可控地接近物體，足夠慢以使得舒適的棲息地。舍布魯克的多模式自主無(wú)人機(jī)(S-MAD)使用類似的推力輔助著陸技術(shù)(以及一些微小的支腳)可靠地在墻壁上棲息，然后再次起飛：

這有幾個(gè)技巧。第一個(gè)技巧是俯仰機(jī)動(dòng)，它將固定翼飛機(jī)變成一種臨時(shí)直升機(jī)，完全依靠螺旋槳產(chǎn)生升力(推力重量比為1.5)，而機(jī)翼提供足夠的控制面抵消扭矩。此時(shí)，無(wú)人機(jī)可以根據(jù)您的需要緩慢接近墻壁(使用激光測(cè)距儀進(jìn)行墻壁探測(cè))，這導(dǎo)致了第二個(gè)技巧：最大化“適當(dāng)?shù)闹憲l件區(qū)域”，或確保進(jìn)近速度慢足夠穩(wěn)定，你可以用很少的硬件(感應(yīng)和其他)可靠地進(jìn)行棲息。第三個(gè)技巧就是擁有一個(gè)棲息系統(tǒng)，在這種情況下是腿和微型彈片，它們足夠靈活，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的棲息地，即使飛機(jī)沒(méi)有完全像你那樣做單擊并拖動(dòng)以移動(dòng)

在室內(nèi)測(cè)試中，S-MAD在成功的棲息實(shí)驗(yàn)中20次20次，即使環(huán)境(我們假設(shè))受到非常嚴(yán)格的控制，這也是相當(dāng)不錯(cuò)的。未來(lái)的工作將包括添加一些傳感器以幫助完成墻體接觸的最后階段，并且還開展推力輔助墻攀爬，管理中止的方法，以及從微生物不能正確抓住墻壁的鱸魚嘗試中恢復(fù)。如果他們能夠?qū)⑺羞@些結(jié)合在一起，并使其在不同表面和不同條件下在戶外強(qiáng)力工作，那么無(wú)論何時(shí)需要高效可靠的遠(yuǎn)程，S-MAD(或類似的無(wú)人機(jī))都可以成為首選系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)間平臺(tái)，也可以不時(shí)拉到最近的墻壁或樹干上。

有關(guān)詳細(xì)信息，我們通過(guò)電子郵件與Alexis Lussier Desbiens進(jìn)行了交談。

IEEE Spectrum：您能否解釋一下S-MAD在棲息機(jī)器人(或特別是有翼機(jī)器人)中的獨(dú)特之處以及為什么它提供的功能很重要?

Alexis Lussier Desbiens：現(xiàn)在有很多偉大的四軸飛行器可以在各種表面上進(jìn)行棲息，無(wú)論是光滑還是粗糙。我們?nèi)匀幌矚g固定翼。它們?cè)陲w行中特別有效，并且可以在棲息地之間移動(dòng)得更快。

我們只知道另外兩個(gè)固定翼?xiàng)C(jī)身：粘墊平面(Anderson等，2009)和飛鏢機(jī)制(Kovac等，2009))。這兩種系統(tǒng)都適用于小規(guī)模。然而，隨著規(guī)模的增加，飛行速度也會(huì)增加，這使得死亡的影響變得棘手。隨著接近速度的增加，沖擊所需的力和加速度在合理的距離(即懸架行程)內(nèi)消散動(dòng)量也更大，這就是為什么鳥類在著陸之前空氣動(dòng)力學(xué)地?cái)[脫了它們速度的很大一部分。這就是我們?cè)噲D用這個(gè)平臺(tái)重現(xiàn)的東西。即使使用相對(duì)較重的平臺(tái)，我們也可以通過(guò)使用俯仰機(jī)動(dòng)和推力來(lái)降低飛機(jī)速度的很大一部分，從而以合理的力量創(chuàng)建平穩(wěn)著陸。

我在滑翔機(jī)上開始在斯坦福大學(xué)開展這項(xiàng)工作。我能夠在一個(gè)相當(dāng)輕的平臺(tái)上展示著陸，并在一個(gè)更重的平臺(tái)上起飛。使用同一平臺(tái)進(jìn)行著陸和起飛是極其困難和不可靠的。這就是迪諾所取得的成就，以及我們?cè)诒疚闹兴枋龅膬?nèi)容。

現(xiàn)在棲息的可靠性如何?你正在做什么樣的故障恢復(fù)技術(shù)?

它在實(shí)驗(yàn)室中很可靠。我們從不同的進(jìn)近速度進(jìn)行了20多次連續(xù)著陸。需要更多，但之后我們感到無(wú)聊!通過(guò)模擬，我們將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為對(duì)眾多參數(shù)的變化具有魯棒性。到目前為止，我們?cè)谄届o的日子里進(jìn)行了大約十幾次著陸。我們希望繼續(xù)在外工作以突破我們系統(tǒng)的極限。

我們正在考慮各種失效原因(接近過(guò)程中的不合適狀態(tài)，微型滑板的平滑表面)和故障檢測(cè)時(shí)間(觸地時(shí)，觸地時(shí)和觸地后)。在所有情況下，起飛策略允許我們?cè)诓煌A段中止機(jī)動(dòng)，增加推力，然后飛離墻壁再次嘗試或找到不同的位置。

如果您使用不同類型的表面接合硬件，您的棲息方法將如何變化?

我們喜歡micropines，因?yàn)樗鼈兎浅：?jiǎn)單輕便。然而，它們具有相當(dāng)嚴(yán)格的力約束，需要尊重成功粘附。這就是半無(wú)源高速著陸需要懸架的原因。在光滑表面上，可以使用定向干粘合劑(例如，壁虎靈感)。由于它們具有相似的力約束，因此可以使用它們進(jìn)行少量修改。

Cutkosky等。在過(guò)去幾年中，基于微粉和干粘合劑開發(fā)了許多“對(duì)立夾具”。由于夾持內(nèi)力，這些具有更大的操作力空間。他們對(duì)反彈不敏感，并且在四軸飛行器上展示時(shí)，它們可以很好地進(jìn)行棲息。利用這種機(jī)制，降落并保持在表面上會(huì)更容易。

其他技術(shù)確實(shí)存在：磁性，電粘附等。在所有情況下，我們對(duì)墻的最終方法現(xiàn)在相當(dāng)平滑，可控并且速度低。集成大多數(shù)這些技術(shù)應(yīng)該不是問(wèn)題。

你能描述一下你正在進(jìn)行的推力輔助攀爬過(guò)程嗎?什么時(shí)候使用它而不是再次起飛和棲息會(huì)更有利?

我們現(xiàn)在正在研究這個(gè)問(wèn)題，無(wú)論是如何做到以及何時(shí)使用各種模式都是有意義的。在其最簡(jiǎn)單的化身中，推力輔助攀爬將包括打開螺旋槳，允許微型滑塊向上滑動(dòng)同時(shí)保持接觸并關(guān)閉螺旋槳。這是通過(guò)微針各向異性滑動(dòng)行為實(shí)現(xiàn)的：它們?cè)谝粋€(gè)方向上滑動(dòng)而在另一個(gè)方向上捕獲。我們還可以想到飛離墻壁一段距離，或整合驅(qū)動(dòng)腿。

與攀爬相比，飛行可以使無(wú)人機(jī)快速移動(dòng)。螺旋槳也可以相當(dāng)高效。然而，比較不同運(yùn)動(dòng)模式的貿(mào)易研究總是很棘手。您必須確定您的目標(biāo)：運(yùn)輸成本，速度，靈活性等。您還必須考慮許多有時(shí)難以量化的因素：齒輪效率，飛行和爬升之間某些部件的重復(fù)使用，過(guò)渡時(shí)間，螺旋槳尺寸，操作遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)，電池尺寸等.Pope等。(2016)已經(jīng)在他們的SCAMP平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)量和估算。飛行似乎是爬上一米的一種更有效的方法，但他們聲稱電動(dòng)機(jī)/變速箱的效率可以提高到足以扭轉(zhuǎn)這種狀態(tài)。與SCAMP相比，我們的平臺(tái)在轉(zhuǎn)換時(shí)花費(fèi)的時(shí)間要少得多，因?yàn)槁菪龢呀?jīng)指向上方。

這樣的車輛可以使用哪種實(shí)際應(yīng)用?

這種能力使小型無(wú)人機(jī)能夠執(zhí)行延長(zhǎng)任務(wù)，持續(xù)數(shù)天或數(shù)周，您可以在那里著陸，休息/充電，起飛和無(wú)限重復(fù)。這允許新類型的任務(wù)。最終，這種平臺(tái)可用于長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視，能量收集，結(jié)構(gòu)檢查或可重新配置的傳感器網(wǎng)絡(luò)。