可靠的栖息使固定翼无人机更加有用

无人机设计是在有效载荷(固定翼)上有效飞行长距离的能力与轻松操纵，悬停和降落(旋翼飞行器)的能力之间的永久折衷。除了极少数相当奇怪的例外，任何试图提供两全其美的飞机最终都会相对复杂，低效且昂贵。理想的幻想无人机将是一架具有神奇能力的固定翼飞机，来自加拿大舍布鲁克大学的一组研究人员已经非常接近实现这一目标，一架小飞机使用了腿和爪可靠地栖息在墙上。

我们见过的大多数栖息机器人都是四旋翼飞行器。使用四旋翼飞行器进行栖息比使用固定翼飞机进行栖息要容易得多，因为您拥有更多的控制程度，并且您没有义务让车辆始终向前移动。肯定有四旋翼飞机采用更有创意的方法进行栖息，但同样值得注意的是，四旋翼飞行器的栖息价值较低，因为它们可以相对容易地悬停和降落。

固定翼栖息是一个更加困难的问题，因为栖息通常要求车辆非常接近静止，以防止它从其试图着陆的任何表面反弹。飞机对于在半空中静止不满意，并且一旦空气停止在机翼上移动，它们通常会停止，因为这是他们大部分升力来自的地方。如果你非常(非常)小心，你可以把这个摊位的时间与你的栖息目标恰好一致：这就是MIT的powerline栖息滑翔机的工作原理。

来自舍布鲁克大学的Dino Mehanovic，John Bass，Thomas Courteau，David Rancourt和Alexis Lussier Desbiens意识到，使用固定翼飞机进行栖息不需要涉及失速来实现垂直和超低速进近，如只要你能保持对飞机的控制。事实上，鸟类一直在这样做，通过使用它们的翅膀的推力来可控地接近物体，足够慢以使得舒适的栖息地。舍布鲁克的多模式自主无人机(S-MAD)使用类似的推力辅助着陆技术(以及一些微小的支脚)可靠地在墙壁上栖息，然后再次起飞：

这有几个技巧。第一个技巧是俯仰机动，它将固定翼飞机变成一种临时直升机，完全依靠螺旋桨产生升力(推力重量比为1.5)，而机翼提供足够的控制面抵消扭矩。此时，无人机可以根据您的需要缓慢接近墙壁(使用激光测距仪进行墙壁探测)，这导致了第二个技巧：最大化“适当的着陆条件区域”，或确保进近速度慢足够稳定，你可以用很少的硬件(感应和其他)可靠地进行栖息。第三个技巧就是拥有一个栖息系统，在这种情况下是腿和微型弹片，它们足够灵活，可以实现强大的栖息地，即使飞机没有完全像你那样做单击并拖动以移动

在室内测试中，S-MAD在成功的栖息实验中20次20次，即使环境(我们假设)受到非常严格的控制，这也是相当不错的。未来的工作将包括添加一些传感器以帮助完成墙体接触的最后阶段，并且还开展推力辅助墙攀爬，管理中止的方法，以及从微生物不能正确抓住墙壁的鲈鱼尝试中恢复。如果他们能够将所有这些结合在一起，并使其在不同表面和不同条件下在户外强力工作，那么无论何时需要高效可靠的远程，S-MAD(或类似的无人机)都可以成为首选系统，长时间平台，也可以不时拉到最近的墙壁或树干上。

有关详细信息，我们通过电子邮件与Alexis Lussier Desbiens进行了交谈。

IEEE Spectrum：您能否解释一下S-MAD在栖息机器人(或特别是有翼机器人)中的独特之处以及为什么它提供的功能很重要?

Alexis Lussier Desbiens：现在有很多伟大的四轴飞行器可以在各种表面上进行栖息，无论是光滑还是粗糙。我们仍然喜欢固定翼。它们在飞行中特别有效，并且可以在栖息地之间移动得更快。

我们只知道另外两个固定翼栖息机身：粘垫平面(Anderson等，2009)和飞镖机制(Kovac等，2009))。这两种系统都适用于小规模。然而，随着规模的增加，飞行速度也会增加，这使得死亡的影响变得棘手。随着接近速度的增加，冲击所需的力和加速度在合理的距离(即悬架行程)内消散动量也更大，这就是为什么鸟类在着陆之前空气动力学地摆脱了它们速度的很大一部分。这就是我们试图用这个平台重现的东西。即使使用相对较重的平台，我们也可以通过使用俯仰机动和推力来降低飞机速度的很大一部分，从而以合理的力量创建平稳着陆。

我在滑翔机上开始在斯坦福大学开展这项工作。我能够在一个相当轻的平台上展示着陆，并在一个更重的平台上起飞。使用同一平台进行着陆和起飞是极其困难和不可靠的。这就是迪诺所取得的成就，以及我们在本文中所描述的内容。

现在栖息的可靠性如何?你正在做什么样的故障恢复技术?

它在实验室中很可靠。我们从不同的进近速度进行了20多次连续着陆。需要更多，但之后我们感到无聊!通过模拟，我们将系统设计为对众多参数的变化具有鲁棒性。到目前为止，我们在平静的日子里进行了大约十几次着陆。我们希望继续在外工作以突破我们系统的极限。

我们正在考虑各种失效原因(接近过程中的不合适状态，微型滑板的平滑表面)和故障检测时间(触地时，触地时和触地后)。在所有情况下，起飞策略允许我们在不同阶段中止机动，增加推力，然后飞离墙壁再次尝试或找到不同的位置。

如果您使用不同类型的表面接合硬件，您的栖息方法将如何变化?

我们喜欢micropines，因为它们非常简单轻便。然而，它们具有相当严格的力约束，需要尊重成功粘附。这就是半无源高速着陆需要悬架的原因。在光滑表面上，可以使用定向干粘合剂(例如，壁虎灵感)。由于它们具有相似的力约束，因此可以使用它们进行少量修改。

Cutkosky等。在过去几年中，基于微粉和干粘合剂开发了许多“对立夹具”。由于夹持内力，这些具有更大的操作力空间。他们对反弹不敏感，并且在四轴飞行器上展示时，它们可以很好地进行栖息。利用这种机制，降落并保持在表面上会更容易。

其他技术确实存在：磁性，电粘附等。在所有情况下，我们对墙的最终方法现在相当平滑，可控并且速度低。集成大多数这些技术应该不是问题。

你能描述一下你正在进行的推力辅助攀爬过程吗?什么时候使用它而不是再次起飞和栖息会更有利?

我们现在正在研究这个问题，无论是如何做到以及何时使用各种模式都是有意义的。在其最简单的化身中，推力辅助攀爬将包括打开螺旋桨，允许微型滑块向上滑动同时保持接触并关闭螺旋桨。这是通过微针各向异性滑动行为实现的：它们在一个方向上滑动而在另一个方向上捕获。我们还可以想到飞离墙壁一段距离，或整合驱动腿。

与攀爬相比，飞行可以使无人机快速移动。螺旋桨也可以相当高效。然而，比较不同运动模式的贸易研究总是很棘手。您必须确定您的目标：运输成本，速度，灵活性等。您还必须考虑许多有时难以量化的因素：齿轮效率，飞行和爬升之间某些部件的重复使用，过渡时间，螺旋桨尺寸，操作远离设计点，电池尺寸等.Pope等。(2016)已经在他们的SCAMP平台上进行了测量和估算。飞行似乎是爬上一米的一种更有效的方法，但他们声称电动机/变速箱的效率可以提高到足以扭转这种状态。与SCAMP相比，我们的平台在转换时花费的时间要少得多，因为螺旋桨已经指向上方。

这样的车辆可以使用哪种实际应用?

这种能力使小型无人机能够执行延长任务，持续数天或数周，您可以在那里着陆，休息/充电，起飞和无限重复。这允许新类型的任务。最终，这种平台可用于长时间监视，能量收集，结构检查或可重新配置的传感器网络。

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