空地兩用機器人發展的背景與意義

康瑤+劉動+謝孟喆+何卓林

摘 要：各種越障機器人已經研究很久，越障機器人有了長足的發展，但是，越障機器人受到輪子直徑或者外伸機械結構尺寸的限制，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，機器人就無法實現越障，機器人的通行受到限制。空地兩用機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越障。

關鍵詞：機器人；越障；空地兩用；旋翼

現在主流地面機器人偵察系統主要可分輪式、履帶式和特殊行走機構三類平臺，其中輪式結構由于其結構成熟、控制簡便、行進速度和傳動效率高等優點，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域已經嶄露頭角，是執行外星球探測任務的種種著陸器的主要類型。輪式結構主要應用于從微型到大型的多種規格的機器人，又可分為兩輪、三輪、四輪和多輪等結構，履帶式結構有很好的越障和在復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、巡邏和輔助作戰等重要方面。履帶式結構多見于中小型機器人，有單節、雙節、多節和多種特殊結構。

此外，地面機器人還有腿式、輪腿式等特殊結構。腿式機器人對各種地形的適應性比較強，穩定性較高，然而機械結構設計和控制系統算法都相當復雜，且仿生腿機器人的機動性較自然界的節肢動物有較大差距。但因其具有獨特的結構優勢，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，在機械結構變化不太大的情況下顯著提高了其越障能力，但機器人穩定性比較差，且控制相對與普通輪式機器人更復雜。

無人機偵察系統包括固定翼、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，是如今優先發展的無人機系統，如今固定翼無人機已經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，無人機在戰場上得到了充分的應用。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用的復雜環境中取得良好的使用效果，在當前的戰術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，除了結構緊湊，速度快等優點以外還具有噪音低、隱蔽性好，可以在復雜情況中發揮靈活機動等突出特點，具有廣闊的發展和應用前景。

隨著經濟的快速增長，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濟地位越來越重要，其已經成為當前各種軍事活動的重要爭奪目標，城市作戰已經逐漸演變成一種新的軍事行動樣式。

城區中心和室內環境下的作戰樣式，即巷戰，是現代陸軍的重要作戰樣式之一，也是陸軍作戰的難點重點，城區具有非常復雜的地理環境，除了城市所在地域的地形特點外，作為城市作戰的主戰場，城市具有地理環境復雜的特征 .除了城市所在地域的地形特點外，城市環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；地下工程設施多，結構復雜，立體環境復雜；人口密度。城區環境的特點使得偵察任務舉步維艱，且異常危險，而無人系統由其零傷亡、實時性強和隱蔽性好等特點，相比于傳統的偵察方式有獨特的優勢。小型陸空兩棲機器人，由單人操作，在城區環境下工作時，能以地面移動模式長時間伴隨部隊，進入室內進行偵察，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任務，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”，填補現有機器人體系的不足。

空地兩用機器人已經發展一段時間，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），由伊利諾理工大學的機器人實驗室研制，是一種創新的，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，還有保護內部旋翼的作用。籠罩的材質是聚碳酸酯與碳素纖維的聚合體，其通過一個主軸與內部的四旋翼相連。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有的四旋翼技術，結構簡單，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的機器人研究所于 2009 年研制，能實現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，電機驅動旋翼旋轉利用離心力先后將上下將兩片旋翼、四個槳葉甩開，加大旋翼轉速即可起飛。2011 年，研究人員進一步改進了設計，將共軸雙旋翼改為主旋翼-尾槳結構，從而簡化了結構，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，可以預期未來會有實用型號出現。

此外，微小型陸空兩棲機器人還有多種形式。瑞士洛桑聯邦理工學院所屬的智能系統實驗室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陸兩用勘探機器人） ，為飛翼-翼腿式結構[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-輪腿式結構。也有學者在研究撲翼-輪式結構的機器人，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

[1] 蘇鑫鑫，王永壽. 美軍無人機系統研發現狀與動向[J].飛航導彈，2009，（12）：47-49.

[2] 趙建輝，徐友春，李偉等. 美軍戰場無人地面機器人研究現狀[J].軍事交通學院學報.2011，（10）：80-83.

[3] 陳欣，王立操，李聯邦等. 美軍無人地面車輛發展綜述[J].軍事交通學院學報，2012，14（12）：72-76.

[4] 文蘇麗，張冬青，蔣琪. 美國軍用無人機的作戰使用[J].飛航導彈，2009，（11）：10-15.

[5] 張元濤，黃永勝. 美軍城市作戰研究的新動向[J].現代軍事，2000，（11）：44-45.

[6] 張兵志，郝為利. 適應未來城市作戰的裝甲裝備發展分析[J].車輛與動力技術，2008（1）：61-64

康瑤 劉動 謝孟喆 何卓林

摘 要：各種越障機器人已經研究很久，越障機器人有了長足的發展，但是，越障機器人受到輪子直徑或者外伸機械結構尺寸的限制，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，機器人就無法實現越障，機器人的通行受到限制。空地兩用機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越障。

關鍵詞：機器人；越障；空地兩用；旋翼

現在主流地面機器人偵察系統主要可分輪式、履帶式和特殊行走機構三類平臺，其中輪式結構由于其結構成熟、控制簡便、行進速度和傳動效率高等優點，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域已經嶄露頭角，是執行外星球探測任務的種種著陸器的主要類型。輪式結構主要應用于從微型到大型的多種規格的機器人，又可分為兩輪、三輪、四輪和多輪等結構，履帶式結構有很好的越障和在復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、巡邏和輔助作戰等重要方面。履帶式結構多見于中小型機器人，有單節、雙節、多節和多種特殊結構。

此外，地面機器人還有腿式、輪腿式等特殊結構。腿式機器人對各種地形的適應性比較強，穩定性較高，然而機械結構設計和控制系統算法都相當復雜，且仿生腿機器人的機動性較自然界的節肢動物有較大差距。但因其具有獨特的結構優勢，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，在機械結構變化不太大的情況下顯著提高了其越障能力，但機器人穩定性比較差，且控制相對與普通輪式機器人更復雜。

無人機偵察系統包括固定翼、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，是如今優先發展的無人機系統，如今固定翼無人機已經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，無人機在戰場上得到了充分的應用。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用的復雜環境中取得良好的使用效果，在當前的戰術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，除了結構緊湊，速度快等優點以外還具有噪音低、隱蔽性好，可以在復雜情況中發揮靈活機動等突出特點，具有廣闊的發展和應用前景。

隨著經濟的快速增長，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濟地位越來越重要，其已經成為當前各種軍事活動的重要爭奪目標，城市作戰已經逐漸演變成一種新的軍事行動樣式。

城區中心和室內環境下的作戰樣式，即巷戰，是現代陸軍的重要作戰樣式之一，也是陸軍作戰的難點重點，城區具有非常復雜的地理環境，除了城市所在地域的地形特點外，作為城市作戰的主戰場，城市具有地理環境復雜的特征 .除了城市所在地域的地形特點外，城市環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；地下工程設施多，結構復雜，立體環境復雜；人口密度。城區環境的特點使得偵察任務舉步維艱，且異常危險，而無人系統由其零傷亡、實時性強和隱蔽性好等特點，相比于傳統的偵察方式有獨特的優勢。小型陸空兩棲機器人，由單人操作，在城區環境下工作時，能以地面移動模式長時間伴隨部隊，進入室內進行偵察，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任務，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”，填補現有機器人體系的不足。

空地兩用機器人已經發展一段時間，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），由伊利諾理工大學的機器人實驗室研制，是一種創新的，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，還有保護內部旋翼的作用。籠罩的材質是聚碳酸酯與碳素纖維的聚合體，其通過一個主軸與內部的四旋翼相連。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有的四旋翼技術，結構簡單，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的機器人研究所于 2009 年研制，能實現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，電機驅動旋翼旋轉利用離心力先后將上下將兩片旋翼、四個槳葉甩開，加大旋翼轉速即可起飛。2011 年，研究人員進一步改進了設計，將共軸雙旋翼改為主旋翼-尾槳結構，從而簡化了結構，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，可以預期未來會有實用型號出現。

此外，微小型陸空兩棲機器人還有多種形式。瑞士洛桑聯邦理工學院所屬的智能系統實驗室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陸兩用勘探機器人） ，為飛翼-翼腿式結構[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-輪腿式結構。也有學者在研究撲翼-輪式結構的機器人，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

[1] 蘇鑫鑫，王永壽. 美軍無人機系統研發現狀與動向[J].飛航導彈，2009，（12）：47-49.

[2] 趙建輝，徐友春，李偉等. 美軍戰場無人地面機器人研究現狀[J].軍事交通學院學報.2011，（10）：80-83.

[3] 陳欣，王立操，李聯邦等. 美軍無人地面車輛發展綜述[J].軍事交通學院學報，2012，14（12）：72-76.

[4] 文蘇麗，張冬青，蔣琪. 美國軍用無人機的作戰使用[J].飛航導彈，2009，（11）：10-15.

[5] 張元濤，黃永勝. 美軍城市作戰研究的新動向[J].現代軍事，2000，（11）：44-45.

[6] 張兵志，郝為利. 適應未來城市作戰的裝甲裝備發展分析[J].車輛與動力技術，2008（1）：61-64