空地兩用機(jī)器人發(fā)展的背景與意義

康瑤+劉動(dòng)+謝孟喆+何卓林

摘 要：各種越障機(jī)器人已經(jīng)研究很久，越障機(jī)器人有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是，越障機(jī)器人受到輪子直徑或者外伸機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的限制，所能越過(guò)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(diǎn)是上下高度落差不大，否則，機(jī)器人就無(wú)法實(shí)現(xiàn)越障，機(jī)器人的通行受到限制?？盏貎捎脵C(jī)器人很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，能在大的高度落差情況下實(shí)現(xiàn)越障。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；越障；空地兩用；旋翼

現(xiàn)在主流地面機(jī)器人偵察系統(tǒng)主要可分輪式、履帶式和特殊行走機(jī)構(gòu)三類平臺(tái)，其中輪式結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)成熟、控制簡(jiǎn)便、行進(jìn)速度和傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，為地面機(jī)器人最常采用的形式。然輪式機(jī)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(cè)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(jī)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(jī)動(dòng)性的能力，且具備良好的承載能力，因而成為軍用地面機(jī)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(jiàn)于中小型機(jī)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(jī)器人還有腿式、輪腿式等特殊結(jié)構(gòu)。腿式機(jī)器人對(duì)各種地形的適應(yīng)性比較強(qiáng)，穩(wěn)定性較高，然而機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法都相當(dāng)復(fù)雜，且仿生腿機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性較自然界的節(jié)肢動(dòng)物有較大差距。但因其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，腿式機(jī)器人仍然是未來(lái)機(jī)器人的一個(gè)重要研究方向；輪腿式機(jī)器人多為輪式機(jī)器人的變型，在機(jī)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(jī)器人穩(wěn)定性比較差，且控制相對(duì)與普通輪式機(jī)器人更復(fù)雜。

無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)巡航具有速度較快，滯空時(shí)間較長(zhǎng)，可用載荷大，是如今優(yōu)先發(fā)展的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，如今固定翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)涵蓋從大型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)到小型拋投式無(wú)人機(jī)的多種型號(hào)，無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上得到了充分的應(yīng)用。相比較固定翼無(wú)人機(jī)，旋翼式無(wú)人機(jī)體積比較小，隱蔽性較強(qiáng)，對(duì)起降條件要求低，便于操作，能夠在不便于固定翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境中取得良好的使用效果，在當(dāng)前的戰(zhàn)術(shù)偵察中具有不可替代的地位。涵道式無(wú)人機(jī)也可看做旋翼式無(wú)人機(jī)的特別加強(qiáng)版，除了結(jié)構(gòu)緊湊，速度快等優(yōu)點(diǎn)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(jī)動(dòng)等突出特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，世界各國(guó)的城市化進(jìn)程正在加速推進(jìn)。城市，尤其是大中型城市的軍事經(jīng)濟(jì)地位越來(lái)越重要，其已經(jīng)成為當(dāng)前各種軍事活動(dòng)的重要爭(zhēng)奪目標(biāo)，城市作戰(zhàn)已經(jīng)逐漸演變成一種新的軍事行動(dòng)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(diǎn)重點(diǎn)，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(diǎn)外，作為城市作戰(zhàn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，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(diǎn)外，城市環(huán)境還具有下列明顯特征：建筑物密集、高大、堅(jiān)固，空間小，只能沿縱橫交錯(cuò)的道路行動(dòng)；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(diǎn)使得偵察任務(wù)舉步維艱，且異常危險(xiǎn)，而無(wú)人系統(tǒng)由其零傷亡、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和隱蔽性好等特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的偵察方式有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。小型陸空兩棲機(jī)器人，由單人操作，在城區(qū)環(huán)境下工作時(shí)，能以地面移動(dòng)模式長(zhǎng)時(shí)間伴隨部隊(duì)，進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行偵察，而在遇到樓梯、高臺(tái)等障礙時(shí)，可以以飛行模式越過(guò)障礙繼續(xù)任務(wù)，或者在部隊(duì)急需大范圍快速偵察時(shí)，以飛行模式在短時(shí)間內(nèi)代替無(wú)人機(jī)，以滿足大范圍部署、快速偵察的要求，做為介于地面機(jī)器人和無(wú)人機(jī)之間的“多面手”，填補(bǔ)現(xiàn)有機(jī)器人體系的不足。

空地兩用機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展一段時(shí)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(jī)器人），由伊利諾理工大學(xué)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制，是一種創(chuàng)新的，可以在空中和地面移動(dòng)的機(jī)器人。空中移動(dòng)由四旋翼完成，而通過(guò)安裝一個(gè)籠罩，便可以在地面上滾動(dòng)。外層的籠罩除了起到陸行輪子的作用外，還有保護(hù)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(guò)一個(gè)主軸與內(nèi)部的四旋翼相連。在地面移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人僅需克服滾動(dòng)阻力，因而較空中飛行時(shí)消耗的能量大大減少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人在地面模式下可以運(yùn)行 27 分鐘，移動(dòng)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(jī)器人尺寸為 24×21.5×21.5mm，搭載一個(gè)微型攝像頭。HyTAQ 機(jī)器人充分利用了現(xiàn)有的四旋翼技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而其在地面移動(dòng)時(shí)存在著操作困難，無(wú)法精確移動(dòng)的問(wèn)題，嚴(yán)重影響地面移動(dòng)性能

Hybrid Land-Air Robot此機(jī)器人由明尼蘇達(dá)大學(xué)的機(jī)器人研究所于 2009 年研制，能實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)和空中移動(dòng)，并且可以垂直起降。機(jī)器人本體是該研究所成熟的啞鈴型機(jī)器人，通過(guò)巧妙的把一組共軸雙旋翼安裝在機(jī)器人一端，就構(gòu)成了這臺(tái)兩棲機(jī)器人。地面移動(dòng)時(shí)，旋翼軸向的折疊在啞鈴型機(jī)器人中間，需要起飛時(shí)，機(jī)器人升出一個(gè)支架將其支起到豎直，電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)利用離心力先后將上下將兩片旋翼、四個(gè)槳葉甩開(kāi)，加大旋翼轉(zhuǎn)速即可起飛。2011 年，研究人員進(jìn)一步改進(jìn)了設(shè)計(jì)，將共軸雙旋翼改為主旋翼-尾槳結(jié)構(gòu)，從而簡(jiǎn)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(jī)器人全重 433 克，升力-質(zhì)量比為 1.35。論文中沒(méi)有提及此機(jī)器人的其他能力，不過(guò)由于此項(xiàng)目是由美國(guó)軍出資的，可以預(yù)期未來(lái)會(huì)有實(shí)用型號(hào)出現(xiàn)。

此外，微小型陸空兩棲機(jī)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(shí)驗(yàn)室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陸兩用勘探機(jī)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(jī)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(jī)器人，但尚未成熟。

未來(lái)無(wú)人機(jī)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(diǎn)

參考文獻(xiàn)

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