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對于四旋翼無人機來說，在垂直墻壁上停靠棲息，并不是一件新鮮事。四旋翼無人機在懸停與滑翔性能上的優越性，使得其能在與地面垂直的墻壁上輕易實現停靠棲息。

但對于固定翼無人機來說，要實現靠墻棲息技術就不那么簡單了。因為無人機要想順利抓住墻壁，需要無人機能能在靠近墻壁的那一剎那實現懸停，且運動速度接近于零，否則容易因為撞擊力度過大而被反彈，導致著陸失敗。

固定翼無人機不像多旋翼無人機那樣可以輕易地懸停在半空，一旦速度降為零，機翼底部的氣流停止，固定翼無人機就也就失去了穩定的升力。只有非常小心的利用好這個「速度降為零」的機會，使得無人機剛好能夠抓住墻壁，穩定的停靠在垂直墻壁上，才能成功實現棲息。

而來自 Sherbrooke 大學的機械工程博士 Alexis Lussier Desbiens 認為：要實現固定翼無人機垂直棲息并不是一定要熄火或是保持低速飛行，關鍵在于能否控制好無人機，使其能像鳥一樣利用翅膀產生的推力來降低飛行速度，并實現軟著陸。

依據這個想法 ，Sherbrooke 大學團隊開發了一款多模式自動無人駕駛機（S-MAD），依據上述類似的著陸技術以及飛機底部一些微型的棘式機構，使得固定翼無人機能可靠地棲息在垂直墻壁上，并能再次起飛。

這里面有幾個技術要點：

第一，提供升力，在無人機靠近墻壁時，固定翼無人機前方螺旋槳開始工作，變成一架臨時直升機；推進器不再向前產生動力，轉而向上產生升力（升力大約為重力的 1.5 倍）；當無人機機身與地表方向形成一定的夾角時，機翼與空氣摩擦產生的阻力能幫助減速，并逐漸靠近墻壁（使用激光測距儀監測無人機與墻壁間的距離）。

第二，要最大限度地擴大「合適的著陸區」，或是能保證無人機的速度足夠穩定，可以在傳感器及底部抓取機構的幫助下安全著陸。

第三，需要一個牢靠的「棲息系統」，例如要有足夠彈性的底部抓取機構，使得無人機在接觸墻壁那一刻能夠穩穩抓住墻壁而不至于跌落。

在室內環境下的測試中 ，S-MAD 在 20 次實驗中均成功實現垂直著陸，未來還將會在墻壁的接觸部位添加更多傳感器，甚至實現無人機在垂直墻壁上進行攀爬移動。

在一次媒體訪問中，Alexis Lussier Desbiens 博士透露了更多的技術細節：

提問 | S-MAD 在棲息機器人中的表現十分突出，其原理是什么呢？這種棲息功能的意義是什么？

盡管現在有不少四軸飛行器能夠停靠在在各種非水平的平面上，但我們也希望固定翼無人機也能做到這一點，因為在長途飛行中，固定翼無人機的飛行效率要比四旋翼無人機高得多。

目前，我們知道的其他具有棲息功能的固定翼無人機僅有兩款，但這些無人機系統只能在很小的區域實現。可停靠區域過小的不足之處在于：隨著測試距離的擴大，無人機飛行速度的增加，產生撞擊而失敗的可能性也越大。

從空氣動力學的角度來看，當無人機高速接近目標點時，需要擴大阻力的作用以消耗動量，將速度降低到合理的范圍，這也是為什么鳥兒在觸地之前會向目標方向大力扇動翅膀，以實現迅速降速的的原因。

提問 | 目前這套無人機系統的棲息技術穩定性怎么樣？有什么樣的故障恢復技術？

在實驗室里的表現很不錯，我們已經實現了 20 多次在不同飛行速率下的連續停靠棲息。通過仿真，我們進行了多樣化的參數設計，并實現了無人機系統的高魯棒性。我們在天氣不錯的情況下也已經完成了十幾次室外飛行，今后會持續進行室外測試，以盡量減少環境中的限制因素。

目前我們也在進行各樣的失敗原因分析，例如進場速度不合適、墻面太光滑等，并分別在觸墻前、觸墻、及觸墻后這三個階段進行故障監測。理論上說在所有情形下，起飛策略都應該允許我們在不同的階段中止機動、增加升力、并能從墻上再次起飛，找到不同的停靠點。

提問 | 如果采用了不同的抓取硬件方案，停靠棲息的方式將會如何變化？

我們喜歡用細長的棘式腿結構，因為它們結構簡單又很輕便。然而，他們有相當嚴格的受力限制，以保證機身能被成功粘附在垂直墻壁上。而在光滑墻壁上，我們可以使用定向干式粘合劑（靈感來自壁虎）。

斯坦福大學機械工程研究實驗室（MERL）的研究員在過去幾年里，基于微型棘式結構和干式粘合劑開發出了許多抓取機構。由于夾抓力大，這些機構具有很大的應用空間。他們能保證無人機不容易因撞擊而反彈，并且適用于無人機像壁虎一樣在墻上棲息，此前這些工具已有應用在四旋翼無人機上，并取得了不錯的試驗效果。

也有一些其他類型的吸附技術，如利用磁力、電力產生吸附力。不管采用哪種，我們最終的目標都是要實現在光滑墻壁上實現低速可控的停靠，這就需要我們將多種解決方案整合在一起。

提問 | 請談一談目前正在研究的無人機攀登爬墻功能

這是我們現階段正在研究的課題。如何能通過多種運動模式結合來實現這個功能呢？我們舉個最簡單的例子。

最簡單的運動模式就是一邊有頭部螺旋槳在轉動的過程中提供升力，一邊允許腿部機構能在墻壁上滑行。當目的地比較遠的時候，我們甚至會讓無人機先飛起來，在離目標點比較近的地方再次停靠然后向目標點滑行。

飛行比攀爬肯定是一個更有效的運動方式，與純粹的攀爬相比，螺旋槳帶來的升力能幫助無人機快速移動。然而如何在不同運動模式之間流暢地切換是一個棘手的問題。這之中需要考慮到成本、速度、敏捷性等問題；除此之外還得考慮一些難以量化的因素，如齒輪效率、飛行及攀爬過程中機械一些機械組件的選用、運動模式間的切換時間，以及螺旋槳尺寸、電池尺寸等等問題。

提問 | 像這樣的設備可以有怎樣的實際應用？

像鳥兒一樣的棲息能力能使得小型無人機具有執行長期任務的能力，例如能在幾天甚至幾周內連續運行而并不需要人工干預。無人機能在指定的站點停靠充電，沖滿電后自動起飛前往下一個站點。這種能力賦予無人機更多的可能性，能用在長期監視、檢查建筑結構、甚至是重構傳感網絡。

注：本文翻譯自 IEEE Spectrum 報道，項目來自加拿大 Sherbrooke 大學由 Alexis Lussier Desbiens 教授主導的實驗室，研究員包括 Dino Mehanovic，John Bass，Thomas Courteau 和 David Rancourt ，項目研究成果已在 2017 年斯坦福大學仿生機器人大會上發表，并獲得了最佳論文獎。