多足地形自適應(yīng)起落裝置關(guān)鍵技術(shù)與研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：垂直起降飛行器；地形自適應(yīng)；起落裝置；應(yīng)用；進(jìn)展；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：V285 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.10.001

目前，典型的垂直起降飛行器普遍采用滑橇式和機(jī)輪式起落架[1]，這些傳統(tǒng)的起落架對(duì)著陸環(huán)境的要求比較苛刻，通常情況下需要堅(jiān)固、平坦和穩(wěn)定的起降平臺(tái)。而事實(shí)上，在野外陸地作戰(zhàn)環(huán)境（如山丘地形、亂石地面等）中經(jīng)常無(wú)法找到合適的起降地點(diǎn)。此外，在民用災(zāi)害事故救援落區(qū)，也多為極端復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地形，如崎嶇山地、地震災(zāi)害破壞地形等，均會(huì)造成垂直起降飛行器的著陸困難。在海洋環(huán)境下，大風(fēng)海浪導(dǎo)致的艦面晃動(dòng)也會(huì)對(duì)艦載垂直起降飛行器安全著艦和停放產(chǎn)生不良影響[2]。

近年來(lái)，垂直起降飛行器因?yàn)閾碛袡C(jī)動(dòng)靈活、對(duì)起降場(chǎng)地要求小、可做低空低速飛行等特點(diǎn)，已在軍用、民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。隨著執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)代化和復(fù)雜化程度的提高，如戰(zhàn)場(chǎng)偵察、危險(xiǎn)搜救、野外起降、復(fù)雜海況著艦等，對(duì)飛行器起降技術(shù)的要求越來(lái)越高[4-5]。美國(guó)對(duì)發(fā)展垂直起降飛行器有了更深刻的體會(huì)和認(rèn)識(shí)，將能夠適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境的垂直起降飛行器列為美軍十大未來(lái)關(guān)鍵裝備的第一項(xiàng)[6]。所以，多用途、智能化和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性成為未來(lái)垂直起降飛行器研制的重要趨勢(shì)，對(duì)于起落架技術(shù)而言，復(fù)雜地形自適應(yīng)起降、高海況的著艦與停靠能力、著陸/著艦智能化水平和高生存力抗墜毀成為領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

顯然，傳統(tǒng)的滑橇式和機(jī)輪式起落架并不能滿足垂直起降飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景需求，著陸場(chǎng)地的限制條件會(huì)造成垂直起降飛行器難以降落，甚至是無(wú)法抵近，極大地限制了垂直起降飛行器的適用范圍和智能化發(fā)展。所以，研制滿足復(fù)雜地形自適應(yīng)起降的新型起落架，成為當(dāng)前垂直起降飛行器設(shè)計(jì)亟待攻破的技術(shù)難題，也是未來(lái)智能化方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

基于以上迫切需求，需要尋求新型結(jié)構(gòu)的起落架，滿足特殊任務(wù)的需求。研究發(fā)現(xiàn)，蝗蟲(chóng)、蜻蜓等自然界中的飛行昆蟲(chóng)，它們棲落時(shí)均采用多點(diǎn)觸地的方式，通過(guò)復(fù)眼觀察、足部感知和腿部伸展的協(xié)調(diào)與配合，實(shí)現(xiàn)了身體在地面、枝頭、葉片等復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定?？縖7]。近些年來(lái)，在腿式機(jī)器人領(lǐng)域，由于在復(fù)雜環(huán)境下具有更高的靈活性與環(huán)境適應(yīng)性，多足機(jī)器人具有明顯的優(yōu)勢(shì)[8-9]，多足機(jī)器人的腿部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式大都參照了動(dòng)物腿部構(gòu)造特點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的穩(wěn)定行走與爬行。所以，考慮垂直起降飛行器的著陸特點(diǎn)與飛行昆蟲(chóng)棲落具有諸多相似性，依托足式機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)技術(shù)，本文提出一種基于仿生結(jié)構(gòu)的多足地形自適應(yīng)起落裝置設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器的野外復(fù)雜地形自適應(yīng)和地面移動(dòng)。安裝仿生多足起落裝置的垂直起降飛行器可適應(yīng)多種野外地形起降、具有短距離運(yùn)動(dòng)能力，提高了出勤率和生存性，增強(qiáng)了其在野外探測(cè)、救援、高海況情況下艦船上起降的實(shí)用價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展多足地形自適應(yīng)起落裝置的研究工作，并取得了一定的進(jìn)展。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)較早開(kāi)展相關(guān)研究，也取得了較為成熟的研究成果。2013年，昆士蘭大學(xué)劉剛峰等[10]設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，采用腿式起落架設(shè)計(jì)，利用不同的載荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)高度，在不平坦地形上能夠?qū)崿F(xiàn)懸掛和穩(wěn)定性。2015 年，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持下，佐治亞技術(shù)學(xué)院Costello 等[11-12]設(shè)計(jì)了四足式仿生腿起落架，可在飛行時(shí)折疊于機(jī)腹、著陸時(shí)伸展支撐地面，配備足底壓力感知設(shè)備，保證地形自適應(yīng)性和機(jī)身平衡調(diào)節(jié)能力。2017年，英國(guó)愛(ài)丁堡龍比亞大學(xué)Boix 等[13-14]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)一個(gè)基座連接的足端帶有直桿的雙腿結(jié)構(gòu)起落架，由兩個(gè)自由度的比例-積分-微分（PID）聯(lián)合控制器提供穩(wěn)定的著陸。同年，俄羅斯索爾科沃科技學(xué)院Sarkisov 等[15]設(shè)計(jì)了“蜂腿”式四旋翼無(wú)人機(jī)起落架，為足端安裝慣性單元的四腿式八自由度起落架，能夠適應(yīng)一般復(fù)雜地形。2018 年，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)Stolz 等[16]采用電動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了四自由度仿生腿，每條腿采用單獨(dú)力控，可實(shí)現(xiàn)最佳負(fù)載分布避免側(cè)翻，在著陸階段實(shí)現(xiàn)各個(gè)腿的自主控制。以上研究成果在完成方法論述的基礎(chǔ)上，完成了樣機(jī)的研制，并且在不同重量級(jí)的無(wú)人直升機(jī)或多旋翼無(wú)人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，可以達(dá)到技術(shù)成熟度4 級(jí)（TRL4）。近幾年來(lái)，約克大學(xué)、肯特州立大學(xué)、東京大學(xué)也在以往研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展新的嘗試，針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展自適應(yīng)起落架的研制，并構(gòu)建了實(shí)物樣機(jī)，正在逐步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。在國(guó)外研究的啟發(fā)下，國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)也逐漸開(kāi)展自適應(yīng)起落裝置的研制，航空工業(yè)哈飛杜荃等[17]最早提出了“自適應(yīng)全地形直升機(jī)起落架裝置”的概念：由三個(gè)液壓支腿構(gòu)成；南京航空航天大學(xué)王曉暉等[18]設(shè)計(jì)了一種帶有三個(gè)液壓伸縮桿的起落架結(jié)構(gòu)；合肥工業(yè)大學(xué)桑哲等[19]采用單自由度四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)的仿生起落架；鄭州大學(xué)孟祥睿等[20]提出了與DARPA類(lèi)似的方案，由控制器、支撐框架和支撐腿三部分構(gòu)成。航天神舟飛行器有限公司[21]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[22]等都提出了自適應(yīng)地形起落架的設(shè)計(jì)方案，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)也搭建了研究平臺(tái)，并研制了演示物理樣機(jī)，完成了功能測(cè)試。目前，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所劉小川等[23-24]針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)開(kāi)展多連桿混聯(lián)式起落架單腿設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了兩套物理樣機(jī)并完成真實(shí)地形著陸驗(yàn)證?？梢钥闯?，多足地形自適應(yīng)起落裝置作為一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域正在吸引越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)，但目前的研究成果還處于起步階段，各研究單位以構(gòu)型設(shè)計(jì)和研究性試驗(yàn)為主，成熟度并不高。

在以上研究成果中，國(guó)外最有名的DARPA自適應(yīng)起落架目前已完成模型飛機(jī)的裝機(jī)驗(yàn)證，并提出要針對(duì)250kg級(jí)平臺(tái)進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)和復(fù)雜海況著艦驗(yàn)證，最終針對(duì)3500kg 級(jí)有人直升機(jī)進(jìn)行仿生起落架設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。但該項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)參數(shù)和目前進(jìn)展情況鮮有文字資料報(bào)道。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，并且在研究成果的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)、重載無(wú)人直升機(jī)到有人直升機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)的長(zhǎng)期設(shè)計(jì)研究規(guī)劃。

多足地形自適應(yīng)起落裝置的研究顛覆了傳統(tǒng)的滑橇式和機(jī)輪式起落架設(shè)計(jì)理念，具有先進(jìn)的混聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)和主動(dòng)柔順自適應(yīng)地形控制的功能。未來(lái)，多足地形自適應(yīng)起落裝置將是一項(xiàng)融合激光雷達(dá)主動(dòng)地形辨識(shí)、慣性測(cè)量單元＼全球定位系統(tǒng)（IMU＼GPS）機(jī)身位置姿態(tài)監(jiān)控等諸多前沿技術(shù)的突破性成果，是垂直起降飛行器智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本文基于以往研究經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合多足地形自適應(yīng)起落裝置的未來(lái)發(fā)展方向和進(jìn)一步研究規(guī)劃，總結(jié)了多足地形自適應(yīng)起落裝置在研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)和研究成果，并基于關(guān)鍵技術(shù)對(duì)多足地形自適應(yīng)起落裝置的設(shè)計(jì)方法和流程展開(kāi)詳細(xì)的說(shuō)明與討論。

1 多足地形自適應(yīng)起落裝置的總體設(shè)計(jì)方法

依據(jù)使用場(chǎng)景需求，開(kāi)展多足地形自適應(yīng)起落裝置的研制工作，其研制過(guò)程要完成起落裝置的總體設(shè)計(jì)，在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上識(shí)別研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)展相應(yīng)的工作。

1.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)方法

多足地形自適應(yīng)起落裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)型與功能需求和運(yùn)動(dòng)能力有著直接關(guān)系。腿部結(jié)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，桿件太多會(huì)造成自由度冗余，增加逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)解算的難度。腿部關(guān)節(jié)不能太多，否則會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，降低腿部的剛度，從而降低起落裝置的著陸穩(wěn)定性。

安裝自適應(yīng)起落裝置后，垂直起降飛行器具備滿載條件下在非結(jié)構(gòu)地面穩(wěn)定起降及行走的能力，能夠抗外界沖擊（橫向除外）擾動(dòng)，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

因此，其構(gòu)型設(shè)計(jì)主要考慮腿部數(shù)量、腿的分布以及單腿結(jié)構(gòu)等幾個(gè)部分。從需求出發(fā)，綜合考慮起落裝置的著陸穩(wěn)定性、承載能力、能耗性等方面，給出多足地形自適應(yīng)起落裝置的仿生腿數(shù)量、分布、自由度配置和結(jié)構(gòu)的選定方法[25]。

參考機(jī)器人領(lǐng)域研究結(jié)果，單足和雙足機(jī)器人由于腿數(shù)較少，在實(shí)際使用中受到很大限制，機(jī)器人的承載性和穩(wěn)定性都很難得到保證?？紤]步態(tài)有效性，機(jī)器人為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，腿數(shù)一般是偶數(shù)條，最吸引人類(lèi)去模仿制造的機(jī)器人主要包括四足機(jī)器人、六足機(jī)器人和八足機(jī)器人[26-28]。因?yàn)闄C(jī)器人可以使用至少三條腿站立，這三個(gè)足端可以在地面構(gòu)成支撐三角形，若機(jī)器人重心落入了該支撐三角形中，機(jī)器人就可以形成穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)傾覆[29]。

在選擇多足地形自適應(yīng)起落裝置整體構(gòu)型時(shí)，考慮著陸路面環(huán)境崎嶇的條件，起落裝置本身存在設(shè)計(jì)重量和使用功能的要求，結(jié)合機(jī)器人研制經(jīng)驗(yàn)，最合適應(yīng)用的為四足和六足的構(gòu)型，這樣既保證了支撐的穩(wěn)定性，又能保證設(shè)計(jì)重量的限制。鑒于目前研究成果，已成功研制的自適應(yīng)起落裝置樣機(jī)大多應(yīng)用于載重100kg 以下的小型旋翼式無(wú)人機(jī)/無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)，其構(gòu)型模仿多連桿結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人的腿部構(gòu)型，如圖2 所示。因此，對(duì)于小型垂直起降飛行器，四足構(gòu)型的自適應(yīng)起落架具有明顯優(yōu)勢(shì)，在滿足承載能力和功能要求的前提下，具有良好的仿生學(xué)借鑒特性[30]。

但對(duì)于較大載重的垂直起降飛行器而言，四足式自適應(yīng)起落架由于承載能力受限，在設(shè)計(jì)重量條件下難以滿足垂直起降飛行器的載重要求，此時(shí)可選用六足構(gòu)型。參照六足機(jī)器人的腿部構(gòu)型和步態(tài)分布，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所任佳等[31]針對(duì)200kg 無(wú)人直升機(jī)完成六足式仿生起落架設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)物理樣機(jī)驗(yàn)證，如圖3 所示。在滿足無(wú)人直升機(jī)最大起飛重量非結(jié)構(gòu)地形著陸和模擬晃動(dòng)艦面著艦的試驗(yàn)前提下，完成了無(wú)人直升機(jī)的自主行走測(cè)試。

在確定自適應(yīng)起落裝置多條腿的總體構(gòu)型與布置后，需要考慮平臺(tái)承載能力、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)配置、整機(jī)功率消耗、能量利用率、足端工作空間和腿部質(zhì)量要求等因素，結(jié)合垂直起降飛行器的使用工況，合理選擇單腿的腿部構(gòu)型。常見(jiàn)的構(gòu)型有以下幾種。

（1） 串聯(lián)式機(jī)構(gòu)[32]

原理類(lèi)似生物腿部行走機(jī)構(gòu)，腿部工作空間較大，等效機(jī)械增益小，關(guān)節(jié)受力狀況良好，可有效提高承載能力，但各關(guān)節(jié)間存在運(yùn)動(dòng)耦合，運(yùn)動(dòng)學(xué)解算存在一定難度。

（2） 運(yùn)動(dòng)解耦式機(jī)構(gòu)[33-34]

該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)的解耦，運(yùn)動(dòng)解算直接。豎直方向執(zhí)行器能夠克服重力但速度低；水平方向執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)速度大，但所需的牽引力較小，因而支撐相對(duì)能耗小。

但執(zhí)行機(jī)構(gòu)受側(cè)向力作用，須增加額外承載機(jī)構(gòu)，關(guān)節(jié)尺寸與質(zhì)量較大。

（3） 混聯(lián)式機(jī)構(gòu)[35-36]

腿在矢狀面的足端軌跡為閉合的曲線，控制復(fù)雜度較低，但工作空間小，承載能力小，腿部質(zhì)量偏大，行走過(guò)程中慣性力對(duì)穩(wěn)定性的影響較大。

（4） 并聯(lián)式機(jī)構(gòu)[32，37]

腿的承載能力較大，腿部工作空間小，越障能力低，正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解復(fù)雜。

通過(guò)以上分析可以看出，并聯(lián)式機(jī)構(gòu)難以滿足多足地形自適應(yīng)起落裝置的設(shè)計(jì)需求，混聯(lián)式機(jī)構(gòu)、串聯(lián)式機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)解耦式機(jī)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)需求，同時(shí)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上需要根據(jù)使用平臺(tái)和性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化和突破。

1.2 研制關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)垂直起降飛行器在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用需求論證，基于應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)展多足地形自適應(yīng)起落裝置的研制工作，在此基礎(chǔ)上提出其研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)主要集中在腿部輕量化結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)、地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控系統(tǒng)的協(xié)同控制技術(shù)、機(jī)體集成與試驗(yàn)技術(shù)三個(gè)方面。

（1） 腿部輕量化結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)

不同于多足機(jī)器人，垂直起降飛行器自身重量大，著陸時(shí)具有較大的沖擊力，且對(duì)起落裝置結(jié)構(gòu)重量有嚴(yán)格限制。起落裝置安裝尺寸空間是有限的，要求腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元尺寸小、重量輕，在滿足結(jié)構(gòu)重量和尺寸需求的同時(shí)，還要具有抗著陸沖擊的能力及復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性。所以，腿部輕量化結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)為起落裝置研制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在腿部的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)和抗墜毀技術(shù)等幾個(gè)方面。

（2） 地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控系統(tǒng)的協(xié)同控制技術(shù)

多足地形自適應(yīng)起落裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)和地形識(shí)別系統(tǒng)作為起落裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要部分，需要實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同工作和融合設(shè)計(jì)。在考慮實(shí)際環(huán)境地形特征時(shí)，應(yīng)充分考慮著陸控制算法地形適應(yīng)性和著陸可靠性問(wèn)題，并評(píng)估真實(shí)使用環(huán)境下可能出現(xiàn)的側(cè)風(fēng)、地面效應(yīng)、著陸下降速度、松軟地質(zhì)、復(fù)雜地形等因素帶來(lái)的不確定性影響。在算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，且需要匹配垂直起降飛行器驗(yàn)證平臺(tái)的飛行控制系統(tǒng)，完成三者的數(shù)據(jù)共享、信號(hào)傳輸和協(xié)同作業(yè)。因此，需要完成地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控系統(tǒng)三大控制系統(tǒng)的融合設(shè)計(jì)原理與協(xié)同工作方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與協(xié)同方法設(shè)計(jì)是一大技術(shù)難點(diǎn)，也是多足地形自適應(yīng)起落裝置的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）機(jī)體集成與試驗(yàn)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)多足地形自適應(yīng)起落裝置的工程化應(yīng)用，起落裝置的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步考慮系統(tǒng)的可靠性和不確定環(huán)境干擾的魯棒性。因此需要對(duì)多足地形自適應(yīng)起落裝置與垂直起降飛行器的驗(yàn)證平臺(tái)機(jī)體集成和試驗(yàn)技術(shù)展開(kāi)研究，在此基礎(chǔ)上形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該方面技術(shù)突破也是多足地形自適應(yīng)起落裝置的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)應(yīng)用需要，該項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)從機(jī)體集成、全機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試和地面共振分析及開(kāi)展著陸性能試驗(yàn)等方面展開(kāi)說(shuō)明。

下面將對(duì)已提出的多足地形自適應(yīng)起落裝置的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)詳細(xì)的論述與說(shuō)明。

2 腿部輕量化結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)

2.1 輕量化優(yōu)化

不同于多足機(jī)器人，多足地形自適應(yīng)起落裝置應(yīng)用于垂直起降飛行器，對(duì)自身重量有著嚴(yán)格的限制。受垂直起降飛行器執(zhí)行任務(wù)時(shí)帶負(fù)載能力的要求和垂直起降飛行器自身尺寸及連接接口尺寸的限制，自適應(yīng)起落架裝置既要有盡可能輕的質(zhì)量，也要滿足地形適應(yīng)的尺寸需求，又要匹配機(jī)體尺寸以收于機(jī)身下方。這需要對(duì)腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，以增加垂直起降飛行器的掛載能力。

多足地形自適應(yīng)起落裝置的單腿包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元兩個(gè)方面。所以單腿輕量化優(yōu)化需要從單腿機(jī)械結(jié)構(gòu)本身和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元兩個(gè)方面進(jìn)行，形成腿部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元的一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化，整個(gè)過(guò)程如圖4 所示。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，確定驗(yàn)證平臺(tái)的載荷參數(shù)和使用場(chǎng)景，以各桿件的長(zhǎng)度、安裝角度、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍為優(yōu)化變量，以足底運(yùn)動(dòng)范圍滿足設(shè)計(jì)使用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)著陸地形要求為約束條件，以驅(qū)動(dòng)桿的輸出驅(qū)動(dòng)力矩最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，還應(yīng)適當(dāng)考慮安裝干涉，獲得相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)。另外，要考慮到材料的輕質(zhì)、高比強(qiáng)度的要求[38]，以及加工成本因素，結(jié)合構(gòu)成腿部結(jié)構(gòu)的材料輕量化設(shè)計(jì)，完成腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

目前階段各機(jī)構(gòu)對(duì)自適應(yīng)起落裝置的研究主要集中在功能實(shí)現(xiàn)和地形適應(yīng)方面，少見(jiàn)針對(duì)輕量化設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展報(bào)道。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所在該方面做了嘗試與探索，完成三代單腿樣機(jī)的輕量化優(yōu)化，如圖5 所示。在單腿承載F=1000N、適應(yīng)30°斜坡和高差200mm臺(tái)階著陸的情況下，開(kāi)展結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化，目標(biāo)是盡可能減小驅(qū)動(dòng)扭矩，并減輕結(jié)構(gòu)重量，滿足結(jié)構(gòu)輕量化的需求。先后研發(fā)的三代物理樣機(jī)的基本情況和性能參數(shù)見(jiàn)表1。

在輕量化優(yōu)化過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的重量在結(jié)構(gòu)重量中占比較大，后續(xù)研究工作中，主要實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的一體化技術(shù)，以達(dá)到減重的目的，或者通過(guò)新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以減少關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量，達(dá)到減重的目的。

本節(jié)主要論述機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的輕量化優(yōu)化方法，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的一體化優(yōu)化方法則在下一節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。

2.2 驅(qū)動(dòng)一體化

應(yīng)用于多足地形自適應(yīng)起落裝置的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元多由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，匹配單腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的最大輸出扭矩，需要具有低轉(zhuǎn)速大扭矩、轉(zhuǎn)角可控和斷電鎖死的功能。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元主要由伺服電機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器、編碼器、傳動(dòng)軸、法蘭盤(pán)和保護(hù)罩等組成，其原理圖如圖6所示。在對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元控制過(guò)程中，需要通過(guò)小型高能量密度的伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制。

中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所為了實(shí)現(xiàn)三代單腿物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)減重，在驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)方面進(jìn)行了嘗試，實(shí)現(xiàn)三代關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的迭代優(yōu)化，如圖7 所示。在輸出扭矩約220N·m的情況下，重量分別為11.5kg、6.2kg 和4.3kg，通過(guò)迭代優(yōu)化使得重量降低了62.6%。

上海交通大學(xué)高峰等[39]在驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)方面也有了新的突破，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種力控驅(qū)動(dòng)單元，并應(yīng)用于六足機(jī)器人中。這里采用一種柔順力控集成驅(qū)動(dòng)單元，如圖8所示，外部為鋁制機(jī)架，內(nèi)部由輸入端至輸出端分別是編碼器、電機(jī)定子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、諧波減速器、扭矩傳感器、輸出端連接件（可選法蘭盤(pán)或聯(lián)軸器），通過(guò)增加電機(jī)輸出扭矩，輕量化設(shè)計(jì)，有效增加了扭矩自重比，重量為1.3kg，輸出扭矩大于200N·m。

此外，也有其他形式的驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)用于該起落裝置的設(shè)計(jì)中。出于總體構(gòu)型承載大、重量輕的考慮，除了采用電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的形式外，2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉剛峰等[22]提出采用兩個(gè)電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)起落架自適應(yīng)收放的驅(qū)動(dòng)形式，2020 年提出了采用鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)[17]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)承載與緩沖。還有通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓電磁閥實(shí)現(xiàn)起落架伸縮的驅(qū)動(dòng)形式。但是液壓式系統(tǒng)要求垂直起降飛行器能夠提供液壓源，或者需要背負(fù)液壓源，不利于系統(tǒng)減重。

通過(guò)以上論述說(shuō)明，采用電機(jī)組成關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元，并且盡可能提高其中元件的集成化程度是驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)的關(guān)鍵，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的輕量化優(yōu)化經(jīng)歷了成品件組裝應(yīng)用、初步集成設(shè)計(jì)、定制化集成設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)定制等過(guò)程，基本實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)。在后續(xù)工作中，為了進(jìn)一步減輕腿部重量，需要從材料選型優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成化的方面進(jìn)一步提升各元件的集成化程度。

2.3 抗墜毀技術(shù)

垂直起降飛行器的抗墜毀著陸設(shè)計(jì)時(shí)，起落裝置的抗墜毀設(shè)計(jì)占有重要地位，而且是抗墜毀吸能設(shè)計(jì)中的第一環(huán)，吸能可達(dá)到全機(jī)墜撞總量的60%以上[40]，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)起落裝置的吸收撞擊能量做出了明確規(guī)定。如早期規(guī)范[41]規(guī)定起落架吸收6m/s 垂直撞擊速度下的撞擊能量且機(jī)身不觸地；MIL-STD-1920A[42]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高性能直升機(jī)的起落架抗墜毀吸能性能的要求明顯提高。

要實(shí)現(xiàn)多足地形自適應(yīng)起落裝置的抗墜毀設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)的油氣緩沖、被動(dòng)彈性緩沖和主動(dòng)控制緩沖在響應(yīng)速度和吸能效率方面無(wú)法滿足。需要采用具備“承載-吸能”功能的一體化脛節(jié)，如圖9 所示，合理設(shè)定壓潰模式閾值，實(shí)現(xiàn)正常著陸時(shí)的承載和應(yīng)急著陸時(shí)的受控破壞功能。結(jié)合使用需求和直升機(jī)抗墜毀要求[43]，提出研究指標(biāo)為設(shè)計(jì)指標(biāo)要求10.2m/s 垂直墜撞，腿部吸能能力80%。

在一體化脛節(jié)的設(shè)計(jì)方面，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所王彬文等[44]采用蜂窩鋁填充的鋁管作為脛節(jié)，通過(guò)其塑性破壞吸能實(shí)現(xiàn)抗墜毀設(shè)計(jì)。針對(duì)100kg 承載重量，一體化脛節(jié)的長(zhǎng)度300mm，直徑40mm，重量約為0.4kg，設(shè)計(jì)過(guò)載平臺(tái)為20～25g。其沖擊試驗(yàn)的結(jié)果如圖10所示。

此外，上海交通大學(xué)于哲峰等[45-46]提出了基于內(nèi)翻復(fù)合材料管的沖擊吸能器，該方法可應(yīng)用于一體化脛節(jié)的緩沖器設(shè)計(jì)中。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所與上海交通大學(xué)合作設(shè)計(jì)了基于復(fù)合材料管受控內(nèi)翻的仿生腿脛節(jié)，并建立了其設(shè)計(jì)分析方法，通過(guò)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)彎折破壞吸收能量。同樣針對(duì)100kg 的承載重量，符合材料管的長(zhǎng)度300mm，直徑40mm、50mm和60mm，重量約為0.3kg，設(shè)計(jì)過(guò)載平臺(tái)為20～30g。其沖擊試驗(yàn)的結(jié)果如圖11 所示。

3 地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控系統(tǒng)的協(xié)同控制技術(shù)

垂直起降飛行器的飛控系統(tǒng)與地形識(shí)別系統(tǒng)及腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)組成統(tǒng)一的電控系統(tǒng)，有利于數(shù)據(jù)的交互與協(xié)同通信，也可共用供電系統(tǒng)，為多足地形自適應(yīng)起落裝置的工作帶來(lái)諸多的便利。通過(guò)飛控系統(tǒng)、腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)和地形識(shí)別系統(tǒng)的協(xié)同控制與融合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起落裝置的自主著陸/著艦功能。在三個(gè)系統(tǒng)均可靠工作的條件下，通過(guò)建立系統(tǒng)通信和數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制與融合設(shè)計(jì)。

垂直起降飛行器的飛控系統(tǒng)[47-48]為一項(xiàng)較為成熟的產(chǎn)品，不是本文的研究重點(diǎn)，飛控系統(tǒng)多為分布式系統(tǒng)，即由多個(gè)模塊通過(guò)接口模塊進(jìn)行集中管理，將每個(gè)設(shè)備的供電和信號(hào)整合到獨(dú)立的接插件上，有效解決飛控系統(tǒng)復(fù)雜的電氣和信號(hào)連接。根據(jù)規(guī)定好的接口協(xié)議通過(guò)雙向串口實(shí)現(xiàn)與地形識(shí)別系統(tǒng)和腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)的通信。飛控系統(tǒng)將地形識(shí)別系統(tǒng)計(jì)算的著陸地形模型和決策信號(hào)通過(guò)數(shù)傳與腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)通信。

地形識(shí)別系統(tǒng)與腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)在后面的章節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明，并在分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，說(shuō)明協(xié)同控制與融合設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 地形識(shí)別技術(shù)

地形識(shí)別技術(shù)對(duì)多足地形自適應(yīng)起落裝置的著陸非常重要，其地形識(shí)別與辨識(shí)的結(jié)果直接影響著陸的效果，為垂直起降飛行器的落區(qū)選擇和起落裝置的姿態(tài)預(yù)擺提供重要依據(jù)。地形識(shí)別技術(shù)即通過(guò)相機(jī)、傳感器、雷達(dá)等測(cè)試系統(tǒng)感知地面的形態(tài)，計(jì)算著陸區(qū)域的大小、坡度、地質(zhì)等信息，完成安全停機(jī)區(qū)域的自動(dòng)識(shí)別，取得著陸的基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)自適應(yīng)起落裝置實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器的自主著陸。經(jīng)過(guò)十幾年的研究，地形識(shí)別技術(shù)也有了大量的研究成果。

按使用傳感器的區(qū)別，地形識(shí)別技術(shù)可以通過(guò)三類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)，分別為基于單目相機(jī)的著陸區(qū)域識(shí)別、基于雙目相機(jī)的著陸區(qū)域識(shí)別、基于三維激光雷達(dá)的著陸區(qū)域識(shí)別?；趩文肯鄼C(jī)的著陸區(qū)域識(shí)別技術(shù)可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)。一種方法是通過(guò)飛行器搭載的相機(jī)傳感器拍攝飛行器所在位置下方地面的環(huán)境單幀圖像信息，再利用飛行器自身搭載的處理器確定該區(qū)域位置是否可用于著陸，即根據(jù)單幀圖像序列實(shí)現(xiàn)可降落區(qū)域的識(shí)別[49-51]。另一種方法是利用運(yùn)動(dòng)的單目相機(jī)得到的圖像數(shù)據(jù)云圖，通過(guò)動(dòng)態(tài)立體視覺(jué)算法建立密集的三維環(huán)境地形點(diǎn)云地圖，計(jì)算著陸區(qū)域，實(shí)現(xiàn)可降落區(qū)域的識(shí)別[52-54]?；陔p目相機(jī)的著陸區(qū)域識(shí)別則通過(guò)雙目相機(jī)的外參數(shù)據(jù)和雙目圖像的差別直接估計(jì)地面圖像的深度信息，然后根據(jù)深度信息判斷著陸區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)飛行器的可降落區(qū)域識(shí)別[55-56]。基于三維激光雷達(dá)的著陸區(qū)域識(shí)別首先利用激光雷達(dá)建立較稠密的三維點(diǎn)云地圖，然后再?gòu)娜S點(diǎn)云地圖中識(shí)別著陸區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)可降落區(qū)域的識(shí)別[57-58]。

將地形識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于垂直起降飛行器的著陸區(qū)域識(shí)別方面，南京航空航天大學(xué)韓家明等[59]提出了一種基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)著陸標(biāo)識(shí)的檢測(cè)方法，復(fù)旦大學(xué)李?？档萚60]提出了一種針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)在無(wú)準(zhǔn)備的崎嶇地表上的自主安全著陸系統(tǒng)，西北工業(yè)大學(xué)李靖等[61]提出了一種基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)著陸地標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤方法，這些方法在某些特定的場(chǎng)景下都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，對(duì)于常規(guī)情況，均能應(yīng)用于垂直起降飛行器的著陸區(qū)域識(shí)別。為了解決在一些更復(fù)雜的場(chǎng)景或光照較差時(shí)難以準(zhǔn)確且穩(wěn)定地完成可降落區(qū)域識(shí)別的問(wèn)題，東北大學(xué)提出基于多傳感器融合的無(wú)人機(jī)可降落區(qū)域識(shí)別方法[62]，充分利用相機(jī)所拍攝圖像的色彩信息和激光雷達(dá)的深度信息，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)其下方可降落區(qū)域的識(shí)別與跟蹤，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)安全自主著陸。

結(jié)合以上說(shuō)明，應(yīng)用于多足地形自適應(yīng)起落裝置的地形識(shí)別系統(tǒng)所包含的硬件系統(tǒng)有激光雷達(dá)、相機(jī)、GNSS、處理器和網(wǎng)卡等。在高度20～100m時(shí)，通過(guò)相機(jī)提取地面圖像特征，搭建孿生網(wǎng)絡(luò)作為整體網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)，采用基于圖像的語(yǔ)義分割方法實(shí)現(xiàn)地形識(shí)別與跟蹤[63]；在高度0～20m時(shí)，通過(guò)雷達(dá)獲取環(huán)境信息，提取點(diǎn)云的特征點(diǎn)集，結(jié)合IMU 數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)建圖與坡度識(shí)別[64]，最終通過(guò)處理器實(shí)現(xiàn)著陸決策和復(fù)飛預(yù)判。地形識(shí)別系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)原理如圖12 所示。該項(xiàng)技術(shù)方面的研究較為充分，也是一項(xiàng)目前研究較為成熟的技術(shù)。

3.2 腿部閉環(huán)控制技術(shù)

腿部閉環(huán)控制即通過(guò)阻抗控制、自適應(yīng)控制等算法實(shí)現(xiàn)所有腿部機(jī)構(gòu)足端依賴接觸力反饋的在線跟隨[65-68]。多足地形自適應(yīng)起落裝置的腿部機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)是通過(guò)一臺(tái)安裝控制軟件的模組化工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)總線與扭矩傳感器信號(hào)采集卡以及電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器通信，通過(guò)串行總線與IMU通信[69]。扭矩傳感器信號(hào)采集卡分別與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元中的扭矩傳感器連接，采樣扭矩信號(hào)。通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)交互界面完成任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)運(yùn)算、硬件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)通信等功能。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖13所示。

目前看來(lái)，對(duì)于智能起落裝置控制的研究，只是處于初步探索的階段，面向復(fù)雜地形的自適應(yīng)著陸過(guò)程研究，并沒(méi)有形成理論體系。結(jié)合多足機(jī)器人的研究方法，根據(jù)現(xiàn)有研究經(jīng)驗(yàn)，在垂直起降飛行器著陸過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)多足地形自適應(yīng)起落裝置的腿部閉環(huán)控制，需要完成接觸力采集與觸碰判斷、獨(dú)立關(guān)節(jié)控制、單腿隨動(dòng)控制和多腿自適應(yīng)控制4個(gè)控制過(guò)程。

（1）接觸力采集與觸碰判斷過(guò)程

垂直起降飛行器在下降過(guò)程中，起落裝置的足端與地面是否發(fā)生接觸以及何時(shí)接觸，是完成自適應(yīng)穩(wěn)定著陸的關(guān)鍵之一[70-71]。為了避免接觸力傳感器采集信號(hào)波動(dòng)，采用單一閾值方法造成誤判影響實(shí)際控制效果，通過(guò)低通濾波算法[72]以消除信號(hào)波動(dòng)對(duì)單腿運(yùn)動(dòng)的影響。

（2）獨(dú)立關(guān)節(jié)控制[73]

通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，建立獨(dú)立關(guān)節(jié)的電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型[74]，接收傳感器的接觸力信號(hào)、扭矩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)[75]，通過(guò)補(bǔ)償控制器[76]實(shí)現(xiàn)獨(dú)立關(guān)節(jié)的控制。獨(dú)立關(guān)節(jié)控制是單腿隨動(dòng)控制和多腿自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。

（3）單腿隨動(dòng)控制

通過(guò)接觸力傳感器判定單腿著地的情形下，存在其他腿懸空狀態(tài)，需要繼續(xù)下降機(jī)體。在實(shí)現(xiàn)獨(dú)立關(guān)節(jié)控制功能的基礎(chǔ)上，觸地單腿需要配合機(jī)身進(jìn)行跟隨運(yùn)動(dòng)，以保持機(jī)體的平穩(wěn)性[77]。

（4）多腿自適應(yīng)控制

在所有腿未完全觸地前，觸地腿協(xié)同運(yùn)動(dòng)使機(jī)體平穩(wěn)下降[78]。處于著地狀態(tài)的腿與機(jī)體構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)，任何兩腿間的運(yùn)動(dòng)均是相互耦合的，可嚴(yán)格控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差，使得多腿協(xié)同運(yùn)動(dòng)，消除機(jī)械上的運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器平滑柔順著陸[79-80]。通過(guò)多足地形自適應(yīng)起落裝置的腿部閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器在人工控制條件下的自適應(yīng)著陸，完成腿部控制功能。

3.3 多系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)

隨著智能傳感器技術(shù)與傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展[81]，垂直起降飛行器的自主著陸是建立在接收飛控系統(tǒng)和地形識(shí)別系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)基礎(chǔ)上，飛控系統(tǒng)、地形識(shí)別系統(tǒng)和腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)三部分是在實(shí)現(xiàn)融合設(shè)計(jì)與協(xié)同控制[82]的基礎(chǔ)上完成的，綜合實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)著陸功能。在多系統(tǒng)協(xié)同控制與融合設(shè)計(jì)過(guò)程中，將三部分系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)交互與通信實(shí)現(xiàn)，其工作原理描述如圖14所示。

通過(guò)地形識(shí)別系統(tǒng)完成垂直起降飛行器在自主起降/人工操縱過(guò)程中的地形識(shí)別與建模，以復(fù)雜地形“感知-測(cè)量-評(píng)估”為牽引，基于點(diǎn)云信息獲得降落區(qū)域的大小、坡度、地質(zhì)等信息[83]，采用多元傳感信息融合[84]的方法對(duì)復(fù)雜的落區(qū)進(jìn)行辨識(shí)，并通過(guò)串口通信將其傳遞給飛控系統(tǒng)和腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)，取得著陸的基礎(chǔ)。

腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足-地接觸力動(dòng)態(tài)調(diào)控與自適應(yīng)控制、單腿隨動(dòng)控制、多腿協(xié)同控制和穩(wěn)定位姿調(diào)節(jié)的過(guò)程，控制多足地形自適應(yīng)起落裝置在完成足端接觸力分配的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)著陸柔順控制[85]，綜合實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器的自適應(yīng)著陸。

飛控系統(tǒng)則在接收地形識(shí)別系統(tǒng)傳輸信號(hào)的基礎(chǔ)上通過(guò)地面站實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器的起降操縱及航線確定，以完成飛行任務(wù)，并在完成起落裝置自適應(yīng)著陸后實(shí)現(xiàn)垂直起降飛行器的控制，系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸及通信實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。

在三個(gè)系統(tǒng)均可靠工作的條件下，通過(guò)建立系統(tǒng)通信和數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制與融合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖15所示。

針對(duì)地形自適應(yīng)起落裝置與垂直起降飛行器機(jī)體的多系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)方面的研究還很少，并未形成相關(guān)的可借鑒研究成果。目前階段，各部分在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了垂直起降飛行器自主著陸的功能，系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了協(xié)同控制和初步的融合，即數(shù)據(jù)的共享和信息的融合。由于系統(tǒng)的硬件兼容性，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)硬件的融合設(shè)計(jì)，后續(xù)的研究過(guò)程中，將逐步實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的融合，用單一的控制系統(tǒng)代替三個(gè)子控制系統(tǒng)。

4 機(jī)體集成與試驗(yàn)技術(shù)

多足地形自適應(yīng)起落裝置完成垂直起降飛行器的集成后，需要通過(guò)全機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試與共振分析，然后在實(shí)驗(yàn)室及外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)著陸性能測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)著陸能力的驗(yàn)證。

4.1 機(jī)體集成

考慮多足地形自適應(yīng)起落裝置與垂直起降飛行器的連接匹配問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)垂直起降飛行器的機(jī)身連接件以實(shí)現(xiàn)機(jī)體集成。機(jī)身連接件具備連接接口轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)起落裝置安裝、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)收納和飛行/著陸減振隔振等功能。

為了保留垂直起降飛行器帶負(fù)載的能力，減輕連接件的重量，將機(jī)身連接件的主體通過(guò)兩層碳纖維板設(shè)計(jì)，兩層碳纖維板中間采用支撐桿形成空腔，用于驅(qū)動(dòng)/控制系統(tǒng)的存放。機(jī)身連接件和飛機(jī)螺接的部分為鋁合金設(shè)計(jì)，通過(guò)在連接件和機(jī)身之間安裝橡膠塊的方式起到減振隔振的作用。

機(jī)體集成時(shí)，須根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)/無(wú)人直升機(jī)等垂直起降飛行器驗(yàn)證平臺(tái)的特點(diǎn)，對(duì)連接件的尺寸、接口和隔振橡膠塊的數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。以中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所為某型無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)身連接件為例，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖16所示。

為使無(wú)人直升機(jī)在著陸與行走過(guò)程中保持穩(wěn)定，自適應(yīng)起落裝置的多條腿分布于機(jī)身連接件的兩側(cè)及前后部。該無(wú)人直升機(jī)在起飛與飛行過(guò)程中，通過(guò)連接接頭處的螺栓吊起連接件及自適應(yīng)起落裝置部分。無(wú)人直升機(jī)在著陸時(shí)，通過(guò)連接接頭上方的減振隔振橡膠墊托起機(jī)身的底部，起到減振和緩沖的作用。

4.2 全機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試和地面共振分析

垂直起降飛行器，特別是鉸接式旋翼槳葉直升機(jī)，本身具有槳葉繞垂直鉸的擺振系統(tǒng)和機(jī)身-起落裝置組成的振動(dòng)系統(tǒng)，在自身因素有或受到外界初始干擾后存在“地面共振”的問(wèn)題[86-87]。所以，在安裝多足地形自適應(yīng)起落裝置系統(tǒng)后，需要對(duì)垂直起降飛行器-多足地形自適應(yīng)起落裝置的地面共振穩(wěn)定性進(jìn)行全機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試試驗(yàn)和共振分析。

為了進(jìn)行地面共振分析，首先需要測(cè)試垂直起降飛行器的旋翼槳葉固有特性和機(jī)體固有特性。旋翼槳葉固有特性測(cè)量[88]內(nèi)容包括槳葉質(zhì)量和展向質(zhì)心位置（重心至垂直鉸的距離）、測(cè)量槳葉繞垂直鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和槳葉擺振固有頻率。機(jī)體固有特性[89]即為機(jī)體在自適應(yīng)起落裝置上的振動(dòng)特性，主要包括橫向和側(cè)向兩個(gè)方向上的振動(dòng)頻率以及結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)。以獲得機(jī)體在側(cè)向平動(dòng)、航向平動(dòng)、航向俯仰和側(cè)向滾轉(zhuǎn)4個(gè)模態(tài)的振動(dòng)特性。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地面共振分析。經(jīng)典地面共振分析[90-91]只需要考慮旋翼在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，所以僅研究槳轂中心在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性，只有這個(gè)運(yùn)動(dòng)特性才對(duì)旋翼的平面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。于是，對(duì)應(yīng)機(jī)體振動(dòng)系統(tǒng)的任何振動(dòng)模態(tài)，都可以變換為旋翼旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的平面當(dāng)量模型來(lái)進(jìn)行地面共振分析。

平面動(dòng)力模型（當(dāng)量二維模型）進(jìn)行地面共振分析[92]時(shí)，機(jī)體動(dòng)力特性分析中一般采用如下假設(shè)：機(jī)體作為剛體，通過(guò)彈性的起落裝置與機(jī)體相連；考慮機(jī)體的4 個(gè)自由度（縱向位移、側(cè)向位移、俯仰運(yùn)動(dòng)、橫滾運(yùn)動(dòng)）。按照機(jī)體的振頻振型根據(jù)機(jī)體以其固有頻率振動(dòng)時(shí)的最大動(dòng)能與位能及耗散的能量均與當(dāng)量系統(tǒng)相等的原則在槳轂中心處對(duì)機(jī)體進(jìn)行當(dāng)量化處理，得出機(jī)體的當(dāng)量質(zhì)量、當(dāng)量剛度[87，92]。機(jī)體振動(dòng)系統(tǒng)就簡(jiǎn)化為旋翼旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)槳轂中心處的當(dāng)量化的質(zhì)量?剛度系統(tǒng)。最后建立旋翼?機(jī)體耦合運(yùn)動(dòng)方程并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4.3 著陸性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

著陸性能試驗(yàn)是驗(yàn)證多足地形自適應(yīng)起落裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果和控制算法的必要手段，考察其在著陸環(huán)境下的起降安全性和穩(wěn)定性[93]。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下構(gòu)建典型的結(jié)構(gòu)地形（包括平地、斜坡、復(fù)雜地形）以及六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬艦面運(yùn)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)室完成仿生腿起落架的著陸性能測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建典型結(jié)構(gòu)地形測(cè)試時(shí)，需要從幾何維度和物性維度兩個(gè)層次進(jìn)行：幾何維度主要指地貌的高低起伏、地質(zhì)的松軟硬實(shí)、顆粒度大小粗細(xì)等參數(shù)，影響起落裝置的著陸點(diǎn)位置，進(jìn)而影響機(jī)身的靜態(tài)穩(wěn)定性；物性維度主要指待降落區(qū)的等效剛度、阻尼系數(shù)、密度、含水率、容量、黏度等參數(shù)，對(duì)起降的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有影響，也是共振抑制的重要外部影響因素。所以，構(gòu)建模擬著陸環(huán)境[94]的落區(qū)工況，應(yīng)模擬地面起伏的形貌數(shù)據(jù)和局部剛度-阻尼數(shù)據(jù)組合，模擬盡可能真實(shí)的著陸環(huán)境特征。

在模擬結(jié)構(gòu)地形條件下，開(kāi)展自適應(yīng)起落裝置的落震等效試驗(yàn)[95]，測(cè)試起落裝置在不同的著陸接地速度、著陸重量、接地姿態(tài)下的緩沖能力，對(duì)載荷情況進(jìn)行分析，并驗(yàn)證起落裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。自適應(yīng)起落裝置的落震等效試驗(yàn)的原理如圖17所示。

如圖17所示，將起落自適應(yīng)起落裝置系統(tǒng)安裝于具有足夠強(qiáng)度和剛度的模擬機(jī)身上，并按設(shè)計(jì)承載能力對(duì)模擬機(jī)身進(jìn)行配重，將起落裝置及模擬機(jī)身從規(guī)定高度釋放，使其撞擊模擬結(jié)構(gòu)地形，測(cè)量撞擊過(guò)程的加速度、應(yīng)變、位移，并同步記錄模擬著陸撞擊過(guò)程，以分析自適應(yīng)起落裝置系統(tǒng)的著陸性能，為系統(tǒng)優(yōu)化和外場(chǎng)真實(shí)地形著陸試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

4.4 著陸性能飛行測(cè)試

在通過(guò)實(shí)驗(yàn)室落震等效試驗(yàn)的測(cè)試與驗(yàn)證后，說(shuō)明多足地形自適應(yīng)起落裝置具有一定的著陸穩(wěn)定性，將自適應(yīng)起落裝置通過(guò)機(jī)身連接件安裝在垂直起降飛行器的下方，在外場(chǎng)真實(shí)非結(jié)構(gòu)地形條件下開(kāi)展著陸測(cè)試。外場(chǎng)試驗(yàn)用于測(cè)試起落裝置在不同非結(jié)構(gòu)地形條件下的著陸緩沖能力，以及地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控系統(tǒng)的協(xié)同控制效果。

對(duì)于多足地形自適應(yīng)起落裝置的著陸性能飛行測(cè)試，目前沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)的方法。各仿生多足起落裝置研究機(jī)構(gòu)均是在外場(chǎng)環(huán)境中構(gòu)建一些典型的斜坡、臺(tái)階地形或借助已有的臺(tái)階地面進(jìn)行飛行著陸試驗(yàn)，看是否能夠完成自適應(yīng)著陸[11， 15-16]。多足地形自適應(yīng)起落裝置在適當(dāng)保護(hù)下進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路，觀察垂直起降飛行器能否可以保持在初始位置，能否保證不產(chǎn)生沿斜面向下的運(yùn)動(dòng)。著陸性能飛行測(cè)試時(shí)，需要完成垂直起降飛行器的外場(chǎng)飛行試驗(yàn)[96]，然后進(jìn)行多足地形自適應(yīng)起落裝置裝機(jī)飛行，需要完成垂直起降飛行器的姿態(tài)觀測(cè)與多足地形自適應(yīng)起落裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)邏輯關(guān)系如圖18所示。

此時(shí)，通過(guò)機(jī)載數(shù)傳/圖傳，可以用地面站監(jiān)測(cè)垂直起降飛行器的飛行狀態(tài)，并監(jiān)測(cè)地形識(shí)別系統(tǒng)傳遞給垂直起降飛行器飛控系統(tǒng)的地形建模數(shù)據(jù)。多足地形自適應(yīng)起落裝置的工作狀態(tài)，如關(guān)節(jié)扭矩、足端位置、力矩等數(shù)據(jù)信息通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)，起落裝置腿部閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器由垂直起降飛行器搭載，通過(guò)無(wú)線路由器與上位機(jī)通信。

5 總結(jié)與展望

多足地形自適應(yīng)起落裝置所具有的地形適應(yīng)性強(qiáng)、智能化水平高、不受起降地面限制等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)的滑橇式與機(jī)輪式起落架無(wú)法比擬的，將有效提高垂直起降飛行器對(duì)復(fù)雜極端著陸地形的適應(yīng)能力，拓展垂直起降飛行器的應(yīng)用范圍。所以，針對(duì)多足地形自適應(yīng)起落裝置的研究將會(huì)吸引更多的科研機(jī)構(gòu)投入研發(fā)，設(shè)計(jì)方法和研究體系也將逐漸趨于完善。

目前，多足地形自適應(yīng)起落裝置作為一項(xiàng)新的研究領(lǐng)域，基于多足機(jī)器人的研究經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)起落架的測(cè)試與試驗(yàn)方法拓展，目前還處于方法與體系的探索階段，只有初步的研究成果，未形成體系化的研究方法，更無(wú)相關(guān)的研究標(biāo)準(zhǔn)?；诂F(xiàn)有研究經(jīng)驗(yàn)，本文討論了腿部輕量化結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)、地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控系統(tǒng)的協(xié)同控制技術(shù)、機(jī)體集成與試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，也基于關(guān)鍵技術(shù)說(shuō)明了自適應(yīng)起落裝置的設(shè)計(jì)與研究方法。這些關(guān)鍵技術(shù)是多足地形自適應(yīng)起落裝置技術(shù)突破的關(guān)鍵點(diǎn)，也是未來(lái)研究中需要突破的技術(shù)壁壘。所以，在多足地形自適應(yīng)起落裝置研究中，其發(fā)展方向可以總結(jié)為：

（1） 系統(tǒng)重量控制輕量化：目前腿部系統(tǒng)重量占最大起飛重量的比值較高，需要進(jìn)一步減重，為垂直起降飛行器留出更多的載重能力空間。

（2） 驅(qū)動(dòng)功率控制高效化：無(wú)論是電驅(qū)動(dòng)還是液壓驅(qū)動(dòng)，都需要能量供給，進(jìn)一步降低能耗，提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度，提升自適應(yīng)起落裝置的承載能力和續(xù)航能力。

（3） 腿控飛控融合智能化：地形識(shí)別-腿部閉環(huán)控制-飛控集成一體控制，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、自主、智能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步提升控制品質(zhì)和自主能力。

（4） 綜合性能評(píng)估實(shí)用化：自適應(yīng)起落裝置的試驗(yàn)與驗(yàn)證方法需要形成完整的評(píng)價(jià)體系，特別是系統(tǒng)的可靠性、測(cè)試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性等的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法需要綜合提升。