空中变形技术助力飞行滚动机器人实现平滑过渡

这种新型机器人名为ATMO（空中变形机器人），使用四个推进器飞行，但保护推进器的护罩在替代驱动配置中成为系统的轮子。整个变换依靠一个单一电机移动中心关节，将ATMO的推进器抬起进入无人机模式或放下进入驱动模式。

研究人员在一篇最近发表在期刊通讯工程上的论文中描述了这种机器人和驱动它的复杂控制系统。

“我们设计并建造了一种新的机器人系统，灵感来自自然——动物如何用它们的身体以不同方式实现不同类型的运动，”Ioannis Mandralis (MS '22)，加州理工学院航空航天系的研究生和该论文的主要作者说。例如，他说，鸟类飞行然后改变它们的身体形态以减速和避开障碍。“在空中变形的能力释放了许多改进自主性和鲁棒性的可能性，”Mandralis说。

但空中变形也带来挑战。复杂的空气动力发挥作用，因为机器人靠近地面，并且它在变形时改变形状。

“尽管当你看到一只鸟着陆然后奔跑时似乎很简单，但现实中这是航空航天行业可能已经努力解决超过50年的问题，”Mory Gharib (PhD '83)，航空与医学工程Hans W. Liepmann教授，加州理工学院自主系统与技术中心(CAST)主任和Booth-Kresa领导席位主席，以及加州理工学院研究生航空航天实验室(GALCIT)主任说。所有飞行器在靠近地面时都会经历复杂的力量。以直升机为例。当它着陆时，它的推进器向下推动大量空气。当空气撞击地面时，部分空气向上反弹；如果直升机着陆太快，它可能会被吸入由反射空气形成的涡流中，导致飞行器失速。

在ATMO的情况下，难度水平更大。机器人不仅要应对复杂的近地面力量，还有四个喷射器不断改变它们相互喷射的程度，产生额外的湍流和不稳定性。

为了更好地理解这些复杂的空气动力，研究人员在CAST的无人机实验室进行了测试。他们使用所谓的载荷单元实验来观察机器人着陆时改变配置如何影响其推力。他们还进行了烟雾可视化实验，以揭示导致这些动力学变化的根本现象。

然后，研究人员将这些见解输入到他们为ATMO创建的新控制系统背后的算法中。该系统使用一种称为模型预测控制的先进控制方法，它通过不断预测系统在不久的将来将如何行为并调整其行动以保持在轨道上而工作。

“控制算法是这篇论文中最大的创新，”Mandralis说。“四旋翼机使用特定控制器，因为它们的推进器放置方式和飞行方式。在这里，我们引入了一个以前未被研究过的动态系统。一旦机器人开始变形，你就会得到不同的动态耦合——不同的力量相互交互。控制系统必须能够快速响应所有这些。”