空中变换技术助力飞行和滚动机器人实现平稳过渡

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，但在另一种驾驶配置中，保护它们的整流罩成为系统的轮子。整个变形过程依靠一个单一电机移动中央关节，该关节将ATMO的推进器提升至无人机模式或降至驾驶模式。

研究人员在最近发表于期刊Communications Engineering的一篇论文中描述了该机器人及其驱动它的复杂控制系统。

"我们设计并建造了一个受自然启发的机器人系统——通过这种方式，动物可以用不同方式使用身体实现不同类型运动，"加州理工学院航空航天研究生、新论文主要作者Ioannis Mandralis (MS '22) 说。例如，他指出鸟类飞行后改变身体形态减速并避开障碍。"在空中变形的能力为提升自主性和鲁棒性开启了许多可能性，" Mandralis 表示。

但空中变形也带来挑战。复杂气动力开始发挥作用，因为机器人靠近地面且变形时改变形状。

"尽管观察鸟类着陆后奔跑看似简单，但实际上这是航空航天业可能已努力解决超过50年的问题，" Hans W. Liepmann航空与医学工程教授、加州理工学院自主系统与技术中心 (CAST) 主任兼Booth-Kresa领导主席、加州理工学院研究生航空航天实验室 (GALCIT) 主任Mory Gharib (PhD '83) 说。所有飞行器在接近地面时都会经历复杂力。以直升机为例，当它降落时，其推进器向下推动大量空气；空气撞击地面后部分反弹上升；若直升机降落过快，可能被吸入反射空气形成的涡流，导致飞行器失去升力。

对ATMO而言，难度级别更高。机器人不仅要应对复杂近地面力，还有四个喷射器不断改变彼此喷射角度，产生额外湍流和不稳定性。

为更好理解这些复杂气动力，研究人员在CAST的无人机实验室进行了测试。他们使用载荷单元实验观察机器人降落时配置变化如何影响推力，并执行烟雾可视化实验以揭示导致动力学变化的底层现象。

研究人员随后将这些见解输入为ATMO创建的新控制系统算法。该系统采用名为模型预测控制的先进控制方法，该方法通过持续预测系统在不久的将来如何行为并调整行动以保持在正确轨道。

"控制算法是这篇论文的最大创新，" Mandralis 说。"四旋翼因推进器放置和飞行方式使用特定控制器。在此我们引入一个前所未研究的动态系统：一旦机器人开始变形，会出现不同动态耦合——不同力相互作用。控制系统必须能快速响应所有这些。"