空中变形技术助力飞行滚动机器人实现平稳过渡

这款名为ATMO（空中变形机器人，aerially transforming morphobot）的新型机器人，使用四个推进器进行飞行，但其保护推进器的护罩在另一种驱动配置中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的推进器抬升进入无人机模式或降下切换为行驶模式。

研究人员在最近发表于《通讯工程》(Communications Engineering)期刊的论文中描述了该机器人及其驱动系统采用的精密控制系统。

论文主要作者、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，MS '22）指出："我们受自然界启发设计建造了这个新型机器人系统——动物能够运用身体实现不同运动方式。例如鸟类在飞行中调整身体形态减速避障。"曼德拉里斯强调："空中变形能力为提升自主性和鲁棒性开启了众多可能性。"

但空中变形也带来挑战。由于机器人临近地面且变形时持续改变形态，复杂的空气动力效应随之产生。

加州理工学院汉斯·W·利普曼航空与医学工程教授、自主系统与技术中心（CAST）主任及布斯-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，PhD '83）解释道："尽管观察鸟类着陆奔跑看似简单，但这实则是航空航天领域五十余年来持续攻坚的难题。"所有飞行器临近地面时都会经历复杂力场。以直升机为例：着陆时推进器向下喷射大量气流。气流撞击地面后部分向上反弹；若下降过快，飞行器可能被反射气流形成的涡流吸入导致升力丧失。

ATMO面临的挑战更为严峻：不仅需应对复杂的近地力场，其四组喷射器不断改变相互间的喷射角度，还会产生额外湍流和不稳定性。

为深入解析这些复杂空气动力，研究团队在CAST无人机实验室展开测试。通过测力计实验观测机器人着陆形态变化对推力的影响，并采用烟雾可视化实验揭示导致动力学改变的深层机制。

研究人员将这些发现植入为ATMO开发的新型控制系统算法。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以维持预定轨迹。

"控制算法是本文最大创新点，"曼德拉里斯阐释道，"四旋翼飞行器因其推进器布局和飞行方式采用特定控制器。而我们引入的是前所未有的动态系统——机器人启动变形时会产生动态耦合效应，即不同力场相互干涉。控制系统必须对此作出快速响应。"