摘 要：微型无人机栖息设计研究对提升微型无人机续航、增强微型无人机环境适应性和提高微型无人机长时间侦察监视能力具有重要的意义。随着人们对微型无人机续航性能和复杂环境的适应性要求越来越高，科研工作者对微型无人机的栖息设计技术进行了深入研究，并取得了显著成果。主要梳理了微型无人机的栖息原理、栖息机构、栖息方法，分析了栖息机构的特点与发展趋势。同时介绍了变体无人机在栖息领域的研究，并阐述了无人机栖息与抓取和爬壁之间的联系。此外将无人机分为多旋翼和固定翼2 大类来进行栖息方法的研究分析，内容主要包括无人机的栖息位置选择、基于时间接触理论的仿生轨迹设计、视觉栖息导航、无人机的气动分析和动力学建模以及相应的栖落机动控制等。通过对无人机栖息设计技术的研究归纳分析，可为后续从事该方面的研究人员提供参考和借鉴。

微型无人机具有体积小、质量轻、成本低、可操作性强等优点，广泛应用于航空摄像［1］、电力巡检［1］、地理测绘［2］、火情侦察［2］、桥梁检测［3］等场景。但因其气动效率低、所携带的电池能源有限等，微型无人机的续航性能较差。科研人员为了解决微型无人机续航较短的问题，对微型无人机进行了基于不同栖息原理的栖息机构和栖息方法研究，并得到一系列研究成果。本文主要对近年发展的微型无人机栖息原理、机构设计和栖息方法进行总结，重点分析微型无人机栖息机构的特点与发展趋势，同时也对变体无人机在栖息方面进行了研究和综述，最后阐述了无人机栖息与抓取和爬壁之间的联系。

 1 微型无人机栖息原理

微型无人机主要靠栖息机构栖息到目标物体上，栖息机构的作用原理也不尽相同。文献［4］将爬壁机器人的吸附机理主要分为4 大类，负压吸附、磁吸附、抓扣式吸附和仿生吸附。本文则在此基础上将微型无人机的栖息原理进一步发展归纳为7 类，主要为：

1）机械抓扣式：通过伺服电机驱动机械抓扣机构使无人机完成主动或被动栖息。

2）仿生机械抓扣式：以鸟类为原型设计的仿生机械抓扣机构使无人机完成栖息。

3）仿生针刺、微棘式：通过模仿生物刚毛而设计的微型针刺、微棘钩刺到粗糙的表面来栖息。

4）负压吸盘式：利用吸盘产生的负压使无人机栖息到目标物体上。

5）螺旋桨式：利用旋翼电机产生的吸附力使无人机完成栖息。

6）粘胶式：利用干胶产生的粘附力使无人机完成栖息。

7）电磁式：利用强磁铁或电磁器件产生的电磁力使无人机完成栖息。

通过将栖息过程分为栖息前、栖息中、栖息后3 个部分来分别阐述不同栖息机构的原理。

1.1 机械抓扣式、仿生机械抓扣式栖息过程

栖息前：无人机首先选择目标栖息物体，然后伺服电机打开机械抓扣机构，使抓扣机构保持张开状态。

栖息中：无人机调整姿态，使抓扣机构对准目标栖息物体，依靠自身重力完成被动栖息或者通过自身动力实现主动栖息，抓扣机构闭合的同时锁死机构，完成栖息。

栖息后：打开锁死机构，然后再打开抓扣机构，调整无人机姿态，准备复飞。

1. 2 仿生针刺、微棘式栖息过程

栖息前：无人机首先选择目标栖息物体，然后探测物体表面。

栖息中：无人机调整姿态，降低水平和垂直速度，进行超机动挂壁，使针刺或微棘机构钩刺到壁面并将机构锁死，最后完成栖息。

栖息后：打开锁死机构，使针刺或微棘机构回归初始位置，调整无人机姿态，准备复飞。

1. 3 负压吸盘式栖息过程

栖息前：无人机首先选择目标栖息物体，探测无人机到栖息物体表面的距离。

栖息中：无人机调整姿态，使负压吸盘对准目标栖息物体表面，操纵无人机撞击目标栖息物体表面，通过撞击排出吸盘内部空气进而形成负压，同时将机构锁死，完成栖息。

栖息后：先对锁死的机构释放，然后通过伺服电机打开吸盘一角，使空气进入吸盘解除负压，调整无人机姿态，准备复飞。

1. 4 螺旋桨式栖息过程

栖息前：无人机首先选择目标栖息物体，然后对壁面探测并分析，为超机动壁面吸附做准备。

栖息中：无人机调整姿态，进行超机动壁面吸附，通过旋翼产生的吸附力使无人机完成倾斜或垂直表面上的栖息。

栖息后：通过改变旋翼转速或旋翼电机倾斜角调整无人机姿态，实现无人机从倾斜或垂直表面分离，准备复飞。

1. 5 粘胶、电磁式栖息过程

栖息前：无人机首先选择目标栖息物体，电磁式机构要对其充电、充磁。

栖息中：调整无人机姿态，使粘胶或电磁机构对准目标栖息物体，操纵无人机对目标栖息物表面撞击，通过撞击力使粘胶粘附到物体表面完成栖息并锁死机构，或电磁机构对目标物体的电磁与静电力来吸附完成栖息。

栖息后：粘胶式则是打开锁死机构，消除切向力或伺服电机拉开粘胶垫与壁面，使无人机与栖息物体分离，电磁式则进行消磁或断电来使无人机与栖息物体分离，最后调整无人机姿态，准备复飞。

不同栖息原理所对应的机构首先需要选择目标栖息物体，再对栖息物的表面探测，调整飞机姿态使栖息机构对准目标栖息物体，然后设定栖息轨迹操纵无人机靠近目标栖息物体，借助栖息机构完成栖息。无人机栖息过程的主要执行者基于不同栖息原理机构，再通过其他技术方法如栖息轨迹设计、气动分析与栖息控制等来辅助无人机完成整个栖息动作。

 2 微型无人机栖息机构 

2. 1 机械抓扣式栖息机构

机械抓扣式栖息是借助伺服电机驱动机械抓扣机构抓扣到被栖息物体，进而使无人机完成栖息。机械抓扣式栖息飞行平台主要是多旋翼无人机，少数是固定翼无人机和直升机。最早出现的机械抓扣机构由富兰克林•欧林工程学院Culler 等［5］提出，该起落架机构可使四旋翼无人机栖息在树枝状结构上，是一种咬爪机制，该机制在着陆时被触发，并给出了飞行和滑索试验结果，证明了该机构的性能，机构如图1 所示［5］。南安普敦大学Erbil 等［6］提出了一种替代现有起落架可重构栖息元件设计参数的方法，主要针对最大起飞质量小于1.5 kg 的垂直起降无人机。这些参数用于创建概念及各种不同的抓取策略，设计和优化过程采用加权矩阵方法，精心选择标准和权重可使无人机栖息在灯柱上，机械抓扣机构如图2 所示［6］。南洋理工大学Chi 等［7-8］进一步提出了一种四旋翼自主栖息控制策略，并进行了样机设计和试验验证。以自然界鸟类的栖息过程为基础，无人机栖息时与目标结合、结合后锁定目标和解除栖息时从目标释放的步骤推导出自主控制策略，将其集成到抓取机构，抓取机构如图3 所示［7-8］，并对该机构的抓取能力、可靠性及在自主栖息控制中的有效性进行了试验研究，结果表明该栖息机构能产生足够的抓持力，最终有效、可靠地实现了四旋翼对目标杆的自主栖息，且该控制策略也能使四旋翼自主栖息到目标极点。

图1 富兰克林•欧林工程学院机械抓扣机构［5］

Fig.1 Mechanical grasping mechanism of Franklin Erlin School of Engineering［5］

图2 南安普敦大学机械抓扣机构［6］

Fig.2 Mechanical grasping mechanism of University of Southampton［6］

图3 南洋理工大学机械抓扣机构［7-8］

Fig.3 Mechanical grasping mechanism of Nanyang Technological University［7-8］

中国石油大学（华东）Luo 等［9］在充分考虑飞行器结构和栖息原理的基础上，设计了一种由飞行和栖息子系统组成的仿生空中机器人。基于实时着陆速度和姿态，提出了一种新型柔性抓取机构，提供吸附力和吸收冲击力，机构如图4 所示［9］，结果证明了该抓取机构的有效性。泰勒大学Phang 等［10］出了一种多旋翼无人机监控解决方案，通过栖息在目标附近的屋顶边缘，实现长时间的监控。为解决无人机机械设计和自主边缘检测方面的挑战，讨论了可能的解决方案，机械抓扣机构如图5 所示［10］。奥克兰大学Lin 等［11］为提升多旋翼无人机在农业等领域长时间的监视能力，设计了一种可将无人机栖息在农场柱子上的机构并进行了试验验证，机构如图6 所示［11］。该机构的静态试验和飞行测试表明无人机一旦悬停，该设计可以承受风力，并且无人机栖息控制精度决定其能否栖息成功。

图4 中国石油大学（华东）机械抓扣机构［9］

Fig.4 Mechanical grasping mechanism of China University of Petroleum（East China）［9］

图5 泰勒大学机械抓扣机构［10］

Fig.5 Mechanical grasping mechanism of Taylor’s University［10］

图6 奥克兰大学机械抓扣机构［11］

Fig.6 Mechanical grasping mechanism of University of Auckland［11］

约翰•霍普金斯大学应用物理试验室Popek等［12］开发了一种集成机器人感知、机械抓取和基于视觉路径规划的无人机，可使无人机在复杂环境中栖息。创新设计的机械抓取机构结合了被动和主动抓取，使电源在关闭的情况下也能保持对栖息目标物体的抓取，机械抓取机构如图7 所示［12］。耶鲁大学Hang 等［13］提出了一个模块化驱动的起落架框架，通过栖息将无人机稳定在各种不同的结构上。试验结果表明，该框架可用于无人机在一组常见结构的栖息，该设计能有效降低功耗、提高姿势的稳定性，并在高处栖息时可保持较大的视野范围，结构如图8 所示［13］。科罗拉多州立大学Zhang 等［14］提出了一种可抓取在圆柱物体上的柔顺双稳抓取机构，该抓取机构易于关闭、调整、保持稳定，在栖息过程中通过冲击力直接启动抓取机构，试验结果表明该抓取机构能成功实现无人机在圆柱物体上栖息以及抓取物体，结构如图9 所示［14］。同时Zhang 等［15］提出了另一种抓取机构—新型双稳态抓取机构，适用于范围更广的栖息物体，对于高度较小的物体可采用环绕法来包围物体实现栖息，对于高度较大的物体采用夹持法并利用摩擦力进行栖息，机构如图10 所示［15］。