2 微型无人机栖息机构
2. 1 机械抓扣式栖息机构
机械抓扣式栖息是借助伺服电机驱动机械抓扣机构抓扣到被栖息物体，进而使无人机完成栖息。机械抓扣式栖息飞行平台主要是多旋翼无人机，少数是固定翼无人机和直升机。最早出现的机械抓扣机构由富兰克林•欧林工程学院Culler 等［5］提出，该起落架机构可使四旋翼无人机栖息在树枝状结构上，是一种咬爪机制，该机制在着陆时被触发，并给出了飞行和滑索试验结果，证明了该机构的性能，机构如图1 所示［5］。南安普敦大学Erbil 等［6］提出了一种替代现有起落架可重构栖息元件设计参数的方法，主要针对最大起飞质量小于1.5 kg 的垂直起降无人机。这些参数用于创建概念及各种不同的抓取策略，设计和优化过程采用加权矩阵方法，精心选择标准和权重可使无人机栖息在灯柱上，机械抓扣机构如图2 所示［6］。南洋理工大学Chi 等［7-8］进一步提出了一种四旋翼自主栖息控制策略，并进行了样机设计和试验验证。以自然界鸟类的栖息过程为基础，无人机栖息时与目标结合、结合后锁定目标和解除栖息时从目标释放的步骤推导出自主控制策略，将其集成到抓取机构，抓取机构如图3 所示［7-8］，并对该机构的抓取能力、可靠性及在自主栖息控制中的有效性进行了试验研究，结果表明该栖息机构能产生足够的抓持力，最终有效、可靠地实现了四旋翼对目标杆的自主栖息，且该控制策略也能使四旋翼自主栖息到目标极点。
图1 富兰克林•欧林工程学院机械抓扣机构［5］
Fig.1 Mechanical grasping mechanism of Franklin Erlin School of Engineering［5］
图2 南安普敦大学机械抓扣机构［6］
Fig.2 Mechanical grasping mechanism of University of Southampton［6］
图3 南洋理工大学机械抓扣机构［7-8］
Fig.3 Mechanical grasping mechanism of Nanyang Technological University［7-8］
中国石油大学（华东）Luo 等［9］在充分考虑飞行器结构和栖息原理的基础上，设计了一种由飞行和栖息子系统组成的仿生空中机器人。基于实时着陆速度和姿态，提出了一种新型柔性抓取机构，提供吸附力和吸收冲击力，机构如图4 所示［9］，结果证明了该抓取机构的有效性。泰勒大学Phang 等［10］出了一种多旋翼无人机监控解决方案，通过栖息在目标附近的屋顶边缘，实现长时间的监控。为解决无人机机械设计和自主边缘检测方面的挑战，讨论了可能的解决方案，机械抓扣机构如图5 所示［10］。奥克兰大学Lin 等［11］为提升多旋翼无人机在农业等领域长时间的监视能力，设计了一种可将无人机栖息在农场柱子上的机构并进行了试验验证，机构如图6 所示［11］。该机构的静态试验和飞行测试表明无人机一旦悬停，该设计可以承受风力，并且无人机栖息控制精度决定其能否栖息成功。
图4 中国石油大学（华东）机械抓扣机构［9］
Fig.4 Mechanical grasping mechanism of China University of Petroleum（East China）［9］
图5 泰勒大学机械抓扣机构［10］
Fig.5 Mechanical grasping mechanism of Taylor’s University［10］
图6 奥克兰大学机械抓扣机构［11］
Fig.6 Mechanical grasping mechanism of University of Auckland［11］
约翰•霍普金斯大学应用物理试验室Popek等［12］开发了一种集成机器人感知、机械抓取和基于视觉路径规划的无人机，可使无人机在复杂环境中栖息。创新设计的机械抓取机构结合了被动和主动抓取，使电源在关闭的情况下也能保持对栖息目标物体的抓取，机械抓取机构如图7 所示［12］。耶鲁大学Hang 等［13］提出了一个模块化驱动的起落架框架，通过栖息将无人机稳定在各种不同的结构上。试验结果表明，该框架可用于无人机在一组常见结构的栖息，该设计能有效降低功耗、提高姿势的稳定性，并在高处栖息时可保持较大的视野范围，结构如图8 所示［13］。科罗拉多州立大学Zhang 等［14］提出了一种可抓取在圆柱物体上的柔顺双稳抓取机构，该抓取机构易于关闭、调整、保持稳定，在栖息过程中通过冲击力直接启动抓取机构，试验结果表明该抓取机构能成功实现无人机在圆柱物体上栖息以及抓取物体，结构如图9 所示［14］。同时Zhang 等［15］提出了另一种抓取机构—新型双稳态抓取机构，适用于范围更广的栖息物体，对于高度较小的物体可采用环绕法来包围物体实现栖息，对于高度较大的物体采用夹持法并利用摩擦力进行栖息，机构如图10 所示［15］。
