基于多旋翼無人機的多連桿仿生起落架設計與仿真

任佳 王計真 楊正權 劉小川

摘 要：傳統(tǒng)的多旋翼無人機著陸架存在對著陸場地適應性差、智能化程度低的缺點，設計一種具備復雜地形自適應起降的著陸裝置對多旋翼無人機的發(fā)展具有重要意義。本文設計了一種基于多連桿混聯(lián)機構(gòu)的仿生起落架，針對單腿的設計構(gòu)型進行驅(qū)動力矩分析與機構(gòu)優(yōu)化，在此基礎上完成結(jié)構(gòu)設計，并以多旋翼無人機為對象，設計了一套四腿仿生起落架系統(tǒng)，針對四腿機構(gòu)進行典型地形著陸仿真。結(jié)果表明，多連桿仿生起落架設計方法可應用于多旋翼無人機的起落架設計中，并實現(xiàn)多旋翼無人機在非結(jié)構(gòu)地形的自適應著陸。

關鍵詞：多旋翼無人機； 仿生起落架； 設計； 仿真

中圖分類號：V285 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.06.010

基金項目： 航空科學基金（2017ZA23001；20184123011）

近年來，由于需要執(zhí)行的任務越來越復雜，多旋翼無人機的工作環(huán)境也越來越復雜，常需要在一些未知的環(huán)境起降，況且工作過程中存在很多不確定性因素，因此對其起降要求也越來越高[1-2]?，F(xiàn)階段多旋翼無人機均采用由金屬或碳纖維管制成的固定式腳架作為起落架，由于其機動性和靈活性較差，導致多旋翼無人機起降時對地面的平整度和坡角要求較高，需要尋找合適的場所或建立著陸場地用于多旋翼無人機起降[3]。在遇到某些特殊地形（如亂石灘、坡度較大地帶）時，多旋翼無人機可能無法正常起降，加之其不能收起，對多旋翼無人機的近地飛行也會造成一定影響，甚至會造成腳架或機體的損壞，影響飛行質(zhì)量。

蝗蟲、蜻蜓等自然界中的昆蟲，均采用復眼觀察、足部感知和腿部伸展協(xié)調(diào)配合的方式多點著地棲落，可在樹梢、花草等任意地形上穩(wěn)定停靠。近年來，足式機器人的腿部拓撲結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式大都參照了動物腿部構(gòu)造特點，由于在復雜環(huán)境下具有更高的靈活性與環(huán)境適應性，更容易實現(xiàn)復雜地形的穩(wěn)定行走與爬行[4]。所以，考慮垂直起降飛行器的著陸特點和飛行昆蟲棲落具有諸多相似性，依托足式機器人腿部設計技術，提出一種基于仿生腿結(jié)構(gòu)的地形自適應起落裝置設計方法。

近年來，國內(nèi)外相關機構(gòu)相繼開展仿生起落架的研究工作，并取得了一定的研究成果。2015年，佐治亞技術學院在美國國防部預先研究計劃局（DARPA）專項經(jīng)費支持下，率先設計了四足仿生腿起落架“robotic landing gear”，可在飛行時折疊于機腹、著陸時伸展支撐地面，配備足底壓力感知設備，保證地形自適應性和機身平衡調(diào)節(jié)能力[5-6]。此外，蘇黎世應用科技大學采用電動絲杠驅(qū)動設計了四自由度仿生腿[7]，英國愛丁堡龍比亞大學設計了足端帶有直桿的雙腿結(jié)構(gòu)起落架[8]，俄羅斯索爾科沃科技學院設計了足端安裝慣性單元的四腿式八自由度起落架[9]，南京航空航天大學設計了一種帶有三個液壓伸縮桿的起落架結(jié)構(gòu)[10]，合肥工業(yè)大學采用單自由度四桿機構(gòu)也設計了一種針對小型無人直升機的仿生起落架[11]，中國飛機強度研究所針對無人直升機平臺開展仿生腿式起落架設計并完成了針對不同重量（質(zhì)量）級的垂直起降飛行器的設計可行性論證[12]。

本文基于多連桿混聯(lián)機構(gòu)提出多旋翼無人機的仿生腿式起落架設計方法，并基于某型多旋翼無人機驗證平臺完成仿生腿起落架的仿真，證明設計方法的有效性。

1 單腿機構(gòu)設計

多旋翼無人機的仿生起落架不同于傳統(tǒng)的固定式腳架，融合了仿生設計理念和自適應著陸控制，有多條腿對稱分布于多旋翼無人機的機身下方，實現(xiàn)多旋翼無人機的著陸支撐和地形自適應。

1.1 單腿機構(gòu)運動學與動力學建模

仿生腿式起落架采用多條相同設計的腿部結(jié)構(gòu)，這里以單腿結(jié)構(gòu)為例，給出腿部結(jié)構(gòu)的設計方法。對于較成熟的腿足式爬行機器人腿部結(jié)構(gòu)的設計，采用串聯(lián)式和并聯(lián)式，這兩種構(gòu)型均不適用于起落架設計?？紤]仿生起落架的承載能力和收放折疊需求，單腿采用多連桿混聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型，如圖1所示。

單腿作為多腿起落架的一部分，以滿足著陸地形適應性為目的，設計時盡可能減輕自重，所以不考慮腿部旋轉(zhuǎn)自由度，單腿為兩自由度結(jié)構(gòu)。單腿結(jié)構(gòu)由兩個四連桿機構(gòu)ABCD、EFGD和一個平行四邊形機構(gòu)DGHI組成，兩個驅(qū)動關節(jié)安裝于A點和E點。

仿生腿式地形自適應起落架的腿部具有輕量化的特點，且大部分質(zhì)量集中于垂直起降飛行器的機體上，計算驅(qū)動力矩時忽略腿部機構(gòu)的重力影響。

基于虛功理論，采用解析方法建立電機輸出力矩與足端支反力的定量函數(shù)關系，可為電機、減速機選型及后續(xù)控制策略提供依據(jù)。

1.2 結(jié)構(gòu)驅(qū)動力矩分析

基于建立的理論分析方法，針對圖1的機構(gòu)設計，進行單腿結(jié)構(gòu)設計與承載能力分析。這里，以各桿件長度、機架角α和β為優(yōu)化變量，以足底運動范圍滿足設計使用場景的設計著陸地形要求為約束條件，以驅(qū)動桿的輸出驅(qū)動力矩最小為優(yōu)化目標，并適當考慮安裝干涉，單腿機構(gòu)各優(yōu)化變量見表1。

基于此設計結(jié)果，遍歷驅(qū)動桿AB桿和EF桿的可行運動范圍，可得單腿足端的運動空間，如圖2所示。通過單腿機構(gòu)運動仿真可以看出，驅(qū)動桿AB和EF在整個360°周期內(nèi)運動，足底的運動空間在三、四象限，單腿機構(gòu)可完全折疊收起。固定EF桿，在[-180°，180°]的周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)AB桿，可以得出驅(qū)動桿AB和EF的輸出扭矩如圖3所示；固定AB桿，在[-180°，180°]的周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)EF桿，可以得出驅(qū)動桿AB和EF的輸出扭矩如圖4所示。通過力矩輸出曲線可以看出，在運動過程中AB桿和EF桿的驅(qū)動力矩是解耦的， EF桿的驅(qū)動力矩與AB桿的驅(qū)動角無關；同時AB桿的驅(qū)動力矩也與EF桿的驅(qū)動角無關。

驅(qū)動部件選型時，盡可能考慮足端運動空間內(nèi)承受最大的負載，所以著陸過程中使用死點兩端的慢回區(qū)間，以降低對驅(qū)動力矩的要求。所需最大輸出扭矩分別為38N·m和63N·m，即可滿足承載要求。

2 基于驗證平臺的仿生起落架設計

為實現(xiàn)仿生起落架系統(tǒng)設計，基于已研制的某型多旋翼無人機平臺實現(xiàn)仿生起落架系統(tǒng)設計，實現(xiàn)無人直升機自適應著陸的功能。

2.1 驗證平臺及仿生起落架設計

為實現(xiàn)仿生起落架設計，選擇的某型多旋翼無人機平臺如圖5所示。無人機的性能參數(shù)見表2。

采用4條單腿構(gòu)成仿生腿起落架系統(tǒng)，4條腿采用對稱十字分布且構(gòu)型相同，安裝于轉(zhuǎn)接盤。為了便于仿生腿式起落架與原著陸架之間的轉(zhuǎn)換與拆卸，保留原著陸架安裝接口，轉(zhuǎn)接盤與多旋翼無人機采用原安裝接口連接，并加裝橡膠以達到隔振的目的。系統(tǒng)設計如圖6所示，單腿設計如圖7所示。仿生起落架系統(tǒng)設計總重35kg，考慮20%的安全余量，有效承載100kg，單腿輸出力矩為65N·m。

仿生起落架系統(tǒng)包括辨識系統(tǒng)（包括慣性測量單元（IMU）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光雷達和視覺相機）、驅(qū)動系統(tǒng)（包括電機、減速機、制動器和驅(qū)動器）、機械系統(tǒng)（仿生腿、機械傳動桿等）、控制系統(tǒng)（飛控系統(tǒng)、仿生腿控制系統(tǒng)）4個部分。

2.2 起降原理與控制系統(tǒng)設計

多旋翼無人機在著陸過程中，可分為三個階段，分別是高空高速下降階段、低空低速下降階段、懸停及觸地調(diào)整階段，如圖8所示。在高空高速下降階段，選定目標降落區(qū)域并得到關節(jié)空間規(guī)劃，使飛行器飛往目標區(qū)域垂直上空進行垂直降落，采取較快的下降速度，在距離目標點垂直高度小于20m時結(jié)束此階段。在低空低速下降階段，飛行器以較低速度垂直下降，足端觸地前完成關節(jié)空間的預定軌跡跟蹤，足端觸地時結(jié)束此階段。在懸停及觸地調(diào)整階段，飛行器懸停并開啟腿部阻抗控制以消除誤差及干擾影響，使全部足端以柔順的方式逐漸觸地，足端全部觸地且接觸力接近期望力后，關閉飛行器發(fā)動機，利用阻抗控制保持整體穩(wěn)定，至此完成降落。

通過圖8所示的著陸工作流程實現(xiàn)基于多旋翼無人機的仿生起落架控制。其控制原理框圖如圖9所示。通過圖9的控制原理框圖，對具體地形環(huán)境感知和建模，實現(xiàn)期望足力的跟蹤，完成關節(jié)姿態(tài)調(diào)整，將力的偏差轉(zhuǎn)化為位置的偏差，實現(xiàn)期望力的跟蹤。

控制過程中，關節(jié)驅(qū)動單元作為執(zhí)行器，在驅(qū)動器的驅(qū)動下，通過控制器中的運動控制算法實現(xiàn)單腿系統(tǒng)的驅(qū)動控制與運動。運動過程中，控制器通過驅(qū)動器控制電機輸出轉(zhuǎn)速和力矩，通過減速機增大力矩、減小轉(zhuǎn)速；當垂直起降飛行器穩(wěn)定著陸后，通過控制抱閘實現(xiàn)穩(wěn)定?？浚痪幋a器用來返回電機的真實位置。驅(qū)動與控制系統(tǒng)組成如圖10所示。

3 典型地形著陸仿真

基于多旋翼無人機平臺開展四腿機構(gòu)著陸仿真，基于 Matlab和ADAMS軟件對仿生腿式起落架設計構(gòu)型的地形適應性和著陸控制過程進行仿真，以驗證設計方法的有效性。

仿真過程中，通過Matlab編程建立四腿機構(gòu)的模型，仿真機構(gòu)在不同地形上的姿態(tài)適應性，驗證地形適應能力，計算驅(qū)動力矩。在保證地形適應性的前提下，通過Matlab/ Similink和ADAMS聯(lián)合仿真搭建下降控制、角度控制、ADAMS聯(lián)合仿真和足力分配4個模塊，創(chuàng)建不同地形，完成虛擬樣機著陸仿真。

在平面地形條件下，仿生起落架的著陸仿真結(jié)果如圖11所示，圖中的坐標為起落架運動的方向。此時，由于對稱結(jié)構(gòu)的平面著陸，4條腿的驅(qū)動桿輸出力矩相同，足力追蹤情況相同。在維持穩(wěn)定時，AB桿的驅(qū)動力矩為11N·m，EF桿的驅(qū)動力矩幾乎為0，足力追蹤情況如圖12所示。在200mm高差的臺階地形條件下，仿生起落架的著陸仿真結(jié)果如圖13所示，圖中的坐標為起落架運動的方向。此時，將1號腿和2號腿視為一側(cè)，3號腿和4號腿視為一側(cè)，著陸時同側(cè)腿的足端高度相同。在維持穩(wěn)定時，臺階上方一側(cè)腿的AB桿的驅(qū)動力矩為11.01N·m，EF桿的驅(qū)動力矩幾乎為0，臺階下方一側(cè)腿的AB桿的驅(qū)動力矩為58.88N·m，EF桿的驅(qū)動力矩為-0.21N·m。各條腿的足端力追蹤情況如圖14所示。

在20°斜坡地形條件下，仿生起落架的著陸仿真結(jié)果如圖15所示，圖中的坐標為起落架運動的方向。此時，將1號腿和2號腿視為一側(cè)，3號腿和4號腿視為一側(cè)。在維持穩(wěn)定時，斜坡上方一側(cè)腿的AB桿的驅(qū)動力矩為5.09N·m，EF桿的驅(qū)動力矩幾乎為0，斜坡下方一側(cè)腿的AB桿的驅(qū)動力矩為-55.73N·m，EF桿的驅(qū)動力矩為0.41N·m。各條腿的足端力追蹤情況如圖16所示。

通過仿真可以看出，各條腿的足力分配具有很好的跟蹤效果，整個機體可以在著陸過程中維持整體平衡，達到了預期的效果。

4 結(jié)論

本文提出了一種多旋翼無人機的多連桿仿生起落架的設計方法，在給出單腿機構(gòu)設計方法、基于驗證平臺的系統(tǒng)設計方法基礎上，通過Matlab/Similink和ADAMS聯(lián)合仿真給出典型的不同地形條件下的著陸情況，可得到如下結(jié)論：

（1）基于多連桿混聯(lián)機構(gòu)的仿生起落架可以用于多旋翼無人機獲得更好的著陸地形適應性，實現(xiàn)平地、斜坡、臺階等自適應著陸，有效改善著陸情況。

（2）采用多連桿混聯(lián)機構(gòu)的設計構(gòu)型應用于仿生起落架設計時，通過正運動學與逆運動學求解的方式來完成自適應著陸控制。

（3）本文提出的仿生起落架設計方法為一種通用方法，可用于多旋翼無人機、無人直升機等垂直起降飛行器的起落架設計，但由于結(jié)構(gòu)復雜，會影響其承載能力。

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Design and Simulation of Multi-link Bionic Landing Gear Used on UAVs

Ren Jia， Wang Jizhen， Yang Zhengquan， Liu Xiaochuan

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics， Aircraft Strength Research Institute of China， Xi’an 710065， China

Abstract： Traditional landing gear of the UAVs has the shortages of poor terrain adaptability and low level of intelligence. It is important to design a kind of landing gear with function of complex terrain adaptive takeoff and landing for the multi-rotor UAV development. A kind of landing gear is designed based on multi-link hybrid bionic leg structure. The design configuration of the bionic leg is given based on the drive torque analysis and optimization while finishing structure design. Based on the multi-rotor UAV， a four-leg landing gear system is designed， and simulation of landing process is done aiming at typical terrain. The research results show that the design method of terrain adaptive landing gear with bionic leg structure can be applied to the design of multi-rotor UAV landing gear， and it has the ability of adaptive landing on unstructured terrain.

Key Words： multi-rotor UAV； bionic landing gear； design； simulation