仿生“機器鳥”上天，為無人機行業注入新活力
世界上沒有兩片相同的雪花，樹枝亦然。樹枝的大小、形狀和紋理各不相同，有些可能是濕的，有的布滿苔蘚，有的長滿枝丫。然而，鳥類幾乎可以在任何一種樹枝上停落。這種能力引起了美國斯坦福大學的研究者馬克·卡特科斯基（Mark Cutkosky ）和大衛·蘭亭克（David Lentink）的極大興趣。 Cutkosky實驗室、Lentink實驗室通過深入研究鳥爪的構造和著陸機理，研發出一套名為“Stereotyped Nature-Inspired Aerial Grasper (SNAG)”的仿生機械鳥爪系統，并將其安裝在旋翼無人機平臺上，構造出一個既能在任何復雜表面上起降，又能動態抓取不規則物體的空中機器人，這一創新對于鳥類的生物學研究和無人機的工程應用來說都是極大的突破。
仿生無人機處于研究初始階段，受到理論研究成果匱乏、工程技術上材料結構強度、機械加工精度的限制，所有的機械結構都是從零開始設計，無人機技術始終未能在仿生飛行模式下取得突破。
近期，山東先進院人機智能協同系統研究中心穆新星博士成功復現并優化仿生無人機，大幅提高了仿生無人機的飛行性能，擴展了其應用范圍，取得了良好的成效。
近年來，無人機技術和機器人技術飛速發展，仿生無人機作為二者的結合產物成為了研究領域的熱點對象，由于新穎的外觀設計，獨特的性能優勢，在軍事偵察、科技教育、環境監測、影視拍攝、流量監控、安全巡邏等領域有著廣泛的需求空間。作為一種借鑒生物飛行特點設計的新型無人機，仿生無人機往往具備可撲動的翅膀，可調節方向的尾翼等仿生結構（圖1）。
圖1 仿生結構設計示意圖
(a)信鴿生理結構示意圖 (b)翅膀收合結構示意圖 (c)尾翼收合扭轉結構示意圖 (d)仿生鳥爪結構示意圖
通過對鳥類生理結構所具有的功能原理和作用機理進行研究，設計翅膀驅動結構和雙側獨立收合結構，尾翼收合和扭轉結構，通過設計機器人結構自由度進一步提高仿生程度，在多自由度仿生結構基礎下，探究結構尺寸參數對仿生偵察機飛行性能的作用關系，優化仿生結構的能量利用效率，提高機器人飛行機動能力。同時，結合鳥爪結構設計，探究仿生無人機降落停歇和自主起飛的自穩平衡算法，提高環境適應能力和續航能力。
圖2 仿生視覺感知系統結構示意圖
此外，結合航拍視覺雙軸云臺結構設計，將微型航拍攝像頭集成于機體頭部，實現視頻圖像信息的采集，基于視頻消抖的圖像處理算法，提高航拍視頻質量，實現目標的識別跟蹤功能（圖2）。
基于博士期間研究成果，穆博團隊已搭建仿生偵察無人機，其最大續航時間≥50分鐘，最大負載能力≥100g，可搭載GPS、微型航拍攝像頭、圖傳模塊和數傳模塊，能夠實現定點航拍偵察任務（圖3）。
圖3 已搭建仿生撲翼機器人系統拆解圖
該樣機參照獵隼實際尺寸設計外形參數，考慮了獵隼翅膀弧面特性和撲動翅膀折疊特性，設計了剛柔耦合弧面折翼結構，由翅膀撲動產生前向動力和向上的升力，由雙側尾翼差動控制實現姿態的自穩調節；同時借鑒生物間歇撲翼飛行的特點，采用棘輪棘爪的結構變體設計了撲滑切換結構，能夠實現撲翼模式與滑翔模式的自由切換，提高空氣動力學效率。
研究初始階段，無人機技術未能在仿生飛行模式下取得突破，經過一段時間的調研，研究團隊另辟蹊徑，從模仿到精進，實現了技術創新和價值創新。
研究團隊利用國外視頻網絡平臺聯系到國外從事仿生無人機的研究者，并采購1臺仿生無人機樣機
收到樣機后，研究團隊對其結構進行了充分的拆解，分析每一零部件的結構尺寸和功能，并成功復現了該樣機
研究團隊基于前期的理論研究成果，結合樣機硬件結構，提出了驅動結構、翅膀參數以及氣動布局的優化措施，大幅提高了樣機的飛行性能
搭載了開源飛控PX4，在此基礎上進行了二次開發，使其具備了一定程度的自主飛行功能，大大擴展了樣機的應用范圍，取得了良好的成效
研究團隊擬對現有樣機進一步優化，縮小無人機尺寸，采用螺旋槳+撲翼的復合驅動方式，提高整機的負載能力和續航時間。
在結構設計方面
參考伊利諾伊大學的Bat Bot2仿生蝙蝠機器人、斯坦福真羽毛無人機PigeonBot以及SNAG無人機仿生鳥爪，通過分析鳥類的生理特征，提取實現功能的主要自由度進行工程化設計，在保留翅膀撲動、收合，尾翼扭轉、擺動以及鳥爪抓取和彈跳的基礎上，參考實際生物的運動規律，選取合適的傳感器和執行單元設計仿生結構，做到運動仿生
在視覺感知方面
研究團隊參考現階段手機行業旗艦機配備的“微云臺+電子消抖”技術，設計適用于撲翼的“雙軸微云臺+電子消抖”穩像技術，解決撲動飛行引起的大部分圖像抖動問題
在飛行控制方面
充分多自由度復雜結構的解耦控制，設計自主起飛、自主停靠的變模態控制策略，實現仿生結構無人機的全流程無人控制
擬采取的實施方案和技術路線為項目團隊的前期研究成果和研究思路的體現和延續，并借鑒了國際當前仿生撲翼機器人設計方法、機器人導航控制算法、機器視覺處理算法的研究思路和發展趨勢，必將為新型仿生無人機行業帶來新的活力。
大量的市場需求催生了仿生無人機的發展，仿生無人機可以借助仿生優勢執行特殊的任務，如軍事偵查和作戰，機場、農場驅鳥，科教娛樂等。仿生撲翼機器人將會彌補傳統飛行器的不足，拓展更為廣闊的市場。
穆新星，北京科技大學博士，山東中科先進技術研究院人機智能協同系統研究中心研究員。主要從事仿生撲翼無人機系統的研發，發表相關論文6篇，入選“ESI熱點論文”1篇，授權國家發明專利5項，授權美國發明專利1項，參與與仿生撲翼機器人研究相關的國家、省部級項目5項，包括國家自然科學基金重點項目、軍科委重點項目、國防科技創新特區項目、科技部重大研發計劃等。
