空地兩用機器人發(fā)展的背景與意義

康瑤+劉動+謝孟喆+何卓林

摘 要：各種越障機器人已經(jīng)研究很久，越障機器人有了長足的發(fā)展，但是，越障機器人受到輪子直徑或者外伸機械結(jié)構(gòu)尺寸的限制，所能越過的障礙只是一般的地面的凸起物和一些體積比較小的瓦礫等障礙物，障礙物共同點是上下高度落差不大，否則，機器人就無法實現(xiàn)越障，機器人的通行受到限制?？盏貎捎脵C器人很好的解決了這個問題，能在大的高度落差情況下實現(xiàn)越障。

關(guān)鍵詞：機器人；越障；空地兩用；旋翼

現(xiàn)在主流地面機器人偵察系統(tǒng)主要可分輪式、履帶式和特殊行走機構(gòu)三類平臺，其中輪式結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)成熟、控制簡便、行進速度和傳動效率高等優(yōu)點，為地面機器人最常采用的形式。然輪式機器人在安防巡邏和軍事偵察等領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角，是執(zhí)行外星球探測任務(wù)的種種著陸器的主要類型。輪式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于從微型到大型的多種規(guī)格的機器人，又可分為兩輪、三輪、四輪和多輪等結(jié)構(gòu)，履帶式結(jié)構(gòu)有很好的越障和在復(fù)雜惡劣地面上保持機動性的能力，且具備良好的承載能力，因而成為軍用地面機器人常采用的形式之一，多用于排爆、巡邏和輔助作戰(zhàn)等重要方面。履帶式結(jié)構(gòu)多見于中小型機器人，有單節(jié)、雙節(jié)、多節(jié)和多種特殊結(jié)構(gòu)。

此外，地面機器人還有腿式、輪腿式等特殊結(jié)構(gòu)。腿式機器人對各種地形的適應(yīng)性比較強，穩(wěn)定性較高，然而機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)算法都相當復(fù)雜，且仿生腿機器人的機動性較自然界的節(jié)肢動物有較大差距。但因其具有獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，腿式機器人仍然是未來機器人的一個重要研究方向；輪腿式機器人多為輪式機器人的變型，在機械結(jié)構(gòu)變化不太大的情況下顯著提高了其越障能力，但機器人穩(wěn)定性比較差，且控制相對與普通輪式機器人更復(fù)雜。

無人機偵察系統(tǒng)包括固定翼、旋翼和涵道等多種形式。其中固定翼無人機巡航具有速度較快，滯空時間較長，可用載荷大，是如今優(yōu)先發(fā)展的無人機系統(tǒng)，如今固定翼無人機已經(jīng)涵蓋從大型長航時無人機到小型拋投式無人機的多種型號，無人機在戰(zhàn)場上得到了充分的應(yīng)用。相比較固定翼無人機，旋翼式無人機體積比較小，隱蔽性較強，對起降條件要求低，便于操作，能夠在不便于固定翼無人機應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境中取得良好的使用效果，在當前的戰(zhàn)術(shù)偵察中具有不可替代的地位。涵道式無人機也可看做旋翼式無人機的特別加強版，除了結(jié)構(gòu)緊湊，速度快等優(yōu)點以外還具有噪音低、隱蔽性好，可以在復(fù)雜情況中發(fā)揮靈活機動等突出特點，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

隨著經(jīng)濟的快速增長，世界各國的城市化進程正在加速推進。城市，尤其是大中型城市的軍事經(jīng)濟地位越來越重要，其已經(jīng)成為當前各種軍事活動的重要爭奪目標，城市作戰(zhàn)已經(jīng)逐漸演變成一種新的軍事行動樣式。

城區(qū)中心和室內(nèi)環(huán)境下的作戰(zhàn)樣式，即巷戰(zhàn)，是現(xiàn)代陸軍的重要作戰(zhàn)樣式之一，也是陸軍作戰(zhàn)的難點重點，城區(qū)具有非常復(fù)雜的地理環(huán)境，除了城市所在地域的地形特點外，作為城市作戰(zhàn)的主戰(zhàn)場，城市具有地理環(huán)境復(fù)雜的特征 .除了城市所在地域的地形特點外，城市環(huán)境還具有下列明顯特征：建筑物密集、高大、堅固，空間小，只能沿縱橫交錯的道路行動；地下工程設(shè)施多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立體環(huán)境復(fù)雜；人口密度。城區(qū)環(huán)境的特點使得偵察任務(wù)舉步維艱，且異常危險，而無人系統(tǒng)由其零傷亡、實時性強和隱蔽性好等特點，相比于傳統(tǒng)的偵察方式有獨特的優(yōu)勢。小型陸空兩棲機器人，由單人操作，在城區(qū)環(huán)境下工作時，能以地面移動模式長時間伴隨部隊，進入室內(nèi)進行偵察，而在遇到樓梯、高臺等障礙時，可以以飛行模式越過障礙繼續(xù)任務(wù)，或者在部隊急需大范圍快速偵察時，以飛行模式在短時間內(nèi)代替無人機，以滿足大范圍部署、快速偵察的要求，做為介于地面機器人和無人機之間的“多面手”，填補現(xiàn)有機器人體系的不足。

空地兩用機器人已經(jīng)發(fā)展一段時間，比較具有代表性的有以下幾種。

HyTAQ Robot（Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor，陸空兩棲四旋翼機器人），由伊利諾理工大學(xué)的機器人實驗室研制，是一種創(chuàng)新的，可以在空中和地面移動的機器人。空中移動由四旋翼完成，而通過安裝一個籠罩，便可以在地面上滾動。外層的籠罩除了起到陸行輪子的作用外，還有保護內(nèi)部旋翼的作用?；\罩的材質(zhì)是聚碳酸酯與碳素纖維的聚合體，其通過一個主軸與內(nèi)部的四旋翼相連。在地面移動時，機器人僅需克服滾動阻力，因而較空中飛行時消耗的能量大大減少，實驗結(jié)果顯示，機器人在地面模式下可以運行 27 分鐘，移動約 2400 米的距離而在飛行模式下則分別僅為 5 分鐘，航程約 600 米。機器人尺寸為 24×21.5×21.5mm，搭載一個微型攝像頭。HyTAQ 機器人充分利用了現(xiàn)有的四旋翼技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，然而其在地面移動時存在著操作困難，無法精確移動的問題，嚴重影響地面移動性能

Hybrid Land-Air Robot此機器人由明尼蘇達大學(xué)的機器人研究所于 2009 年研制，能實現(xiàn)地面移動和空中移動，并且可以垂直起降。機器人本體是該研究所成熟的啞鈴型機器人，通過巧妙的把一組共軸雙旋翼安裝在機器人一端，就構(gòu)成了這臺兩棲機器人。地面移動時，旋翼軸向的折疊在啞鈴型機器人中間，需要起飛時，機器人升出一個支架將其支起到豎直，電機驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)利用離心力先后將上下將兩片旋翼、四個槳葉甩開，加大旋翼轉(zhuǎn)速即可起飛。2011 年，研究人員進一步改進了設(shè)計，將共軸雙旋翼改為主旋翼-尾槳結(jié)構(gòu)，從而簡化了結(jié)構(gòu)，提升了飛行性能。2011 年版的 Hybrid Robot 地面模式下的尺寸為 259×90×205mm，飛行模式下旋翼直徑為 468mm，高 278mm，機器人全重 433 克，升力-質(zhì)量比為 1.35。論文中沒有提及此機器人的其他能力，不過由于此項目是由美國軍出資的，可以預(yù)期未來會有實用型號出現(xiàn)。

此外，微小型陸空兩棲機器人還有多種形式。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院所屬的智能系統(tǒng)實驗室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陸兩用勘探機器人） ，為飛翼-翼腿式結(jié)構(gòu)[26]。Richard J. Bachmann 和 Frank J.Boria 等人研制的“MMALV”（Morphing Micro Air-Land Vehicle，變形微小型陸空機器人），為飛翼-輪腿式結(jié)構(gòu)。也有學(xué)者在研究撲翼-輪式結(jié)構(gòu)的機器人，但尚未成熟。

未來無人機將更趨向于小型化、安全化、智能化、速度可控化、集群化等特點

參考文獻

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