摘要：本文利用動(dòng)捕技術(shù)對無人機(jī)著陸系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，對折紙結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)著陸系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，為無人機(jī)著陸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新方法。
近期，一篇關(guān)于無人機(jī)著陸系統(tǒng)的研究論文“Evolution of UAV landing structures in the bistable space of Kresling origami structures”在《IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》IEEE Robotics and Automation Letters上發(fā)表。
可靠的著陸系統(tǒng)能夠輔助無人機(jī)完成復(fù)雜任務(wù)，為昂貴的機(jī)載設(shè)備提供保護(hù)。現(xiàn)有的多數(shù)無人機(jī)著陸系統(tǒng)僅能滿足特定場景下的使用需求，而在多種不同場景下的適應(yīng)能力欠佳。
研究團(tuán)隊(duì)受到折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一套基于Kresling折紙結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)的無人機(jī)著陸系統(tǒng)算法模型。
借助動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取著陸結(jié)構(gòu)位姿數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)的性能。該系統(tǒng)能夠通過約束生成過程自動(dòng)生成無人機(jī)著陸時(shí)所需的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)多種復(fù)雜地形。
對實(shí)物模型的室內(nèi)及室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，這種新結(jié)構(gòu)能夠顯著提升無人機(jī)著陸過程中的減震能力，提高安全性。
折紙結(jié)構(gòu)
折紙是一種古老的藝術(shù)。許多研究者對折紙中的雙穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行過研究，并廣泛應(yīng)用在機(jī)器人系統(tǒng)、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。
研究團(tuán)隊(duì)以具有四個(gè)折痕的Kresling管的雙穩(wěn)態(tài)空間為基礎(chǔ)，應(yīng)用圖語法規(guī)則和剛性構(gòu)件的二元規(guī)則簡化折紙結(jié)構(gòu)的空間圖表示。利用圖啟發(fā)式搜索算法建立了一種新的空間搜索框架。
對比實(shí)驗(yàn)
研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)模擬設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)制造實(shí)物模型，以NOKOV光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)作為分析工具，對實(shí)物模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分別在室內(nèi)以及多種室外環(huán)境中對著陸系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。
選取了三種無人機(jī)著陸系統(tǒng)模型進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)：一種是傳統(tǒng)的無人機(jī)，沒有單獨(dú)安裝著陸系統(tǒng)；第二種是加裝了著陸系統(tǒng)，但沒有采用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第三種是加裝了本實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的著陸系統(tǒng)，使用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，對三種著陸結(jié)構(gòu)進(jìn)行室內(nèi)性能驗(yàn)證試驗(yàn)20次。下圖展示了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中三種著陸系統(tǒng)在接觸地面2.5秒內(nèi)的速度和加速度變化。
雙穩(wěn)態(tài)著陸結(jié)構(gòu)將集中的沖擊力轉(zhuǎn)化為分散的較小的沖擊力。該設(shè)計(jì)依靠折紙結(jié)構(gòu)的變形將向下的沖擊力轉(zhuǎn)化為彈簧中的能量，提高了著陸過程中對無人機(jī)的保護(hù)。
2、室外實(shí)驗(yàn)：
為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙穩(wěn)態(tài)著陸結(jié)構(gòu)的綜合性能，研究團(tuán)隊(duì)在室外的平地、草地和坡度為15度的不平整地面上分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。雙穩(wěn)態(tài)著陸結(jié)構(gòu)在所有地形下的表現(xiàn)都優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)，能夠在無人機(jī)降落時(shí)根據(jù)當(dāng)時(shí)所處的地形條件，選擇最適宜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)著陸，加強(qiáng)減震效果。
參考文獻(xiàn)：
Haichuan Li, Zhenpeng Du, Cai Luo, Evolution of UAV Landing Structures in the Bistable Space of Kresling Origami Structures, IEEE Robotics and Automation Letters, Volume: 8, Issue: 4, April 2023, ISSN: 2377-3766
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