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空中变形技术助飞行滚动机器人实现平稳过渡

本站发布时间:2025-07-01 05:47:17
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这款名为ATMO(空中变形机器人)的新型机器人使用四个推进器飞行,但其保护推进器的壳体在驱动模式下可转变为系统的轮子。整个变形过程仅依靠单一电机驱动中央关节,将ATMO的推进器向上抬升进入无人机模式或向下转入行驶模式。

研究团队在最近发表于《通讯-工程》期刊的论文中描述了该机器人及其精密控制系统。

论文第一作者、加州理工学院航空航天专业研究生扬尼斯·曼德拉里斯(Ioannis Mandralis,22届硕士)表示:"我们受自然界启发设计建造了这个新型机器人系统——动物能运用身体实现不同运动方式。例如鸟类在飞行中改变身体形态以减速避障。"曼德拉里斯指出:"空中变形能力为提升自主性和鲁棒性解锁诸多可能性。"

但空中变形同时带来挑战。因机器人贴近地面且变形时持续改变形态,复杂空气动力作用随之产生。

加州理工学院航空与医学工程汉斯·利普曼讲席教授、自主系统与技术中心(CAST)主任兼布斯-克雷萨领导力讲席教授、加州理工学院研究生航空航天实验室(GALCIT)主任莫里·加里布(Mory Gharib,83届博士)解释道:"虽然鸟类着陆奔跑看似简单,实则是航空航天领域逾五十年来持续攻坚的难题。"所有飞行器近地时都会经历复杂受力,以直升机为例:着陆过程中推进器向下大量喷气,气流撞击地面后部分向上反弹;若下降过快,直升机可能被反射气流形成的涡旋吸入导致升力丧失。

ATMO面临更大挑战:不仅要应对复杂的近地力场,其四组喷气装置持续改变互射角度,更会引发额外湍流与不稳定性。

为解析这些复杂空气动力,研究团队在CAST无人机实验室开展测试。通过测力计实验观测机器人着陆形态变化对推力的影响,并借助烟雾可视化实验揭示导致动力学变化的深层现象。

基于这些发现,团队为ATMO开发的新型控制系统算法得以优化。该系统采用名为"模型预测控制"的先进方法,通过持续预测系统近期行为并实时调整动作维持预定轨迹。

"控制算法是本文最大创新点,"曼德拉里斯强调,"四旋翼飞行器的特定控制器由其推进器布局和飞行方式决定。而我们引入的是前所未见的动态系统——机器人开始变形瞬间会产生不同动态耦合效应(各类相互作用力),控制系统必须对此做出快速响应。"

Story Source:

Materialsprovided byCalifornia Institute of Technology.Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Ioannis Mandralis, Reza Nemovi, Alireza Ramezani, Richard M. Murray, Morteza Gharib.ATMO: an aerially transforming morphobot for dynamic ground-aerial transition.Communications Engineering, 2025; 4 (1) DOI:10.1038/s44172-025-00413-6

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