空地两用机器人发展的背景与意义

康瑶+刘动+谢孟喆+何卓林

摘 要：各种越障机器人已经研究很久，越障机器人有了长足的发展，但是，越障机器人受到轮子直径或者外伸机械结构尺寸的限制，所能越过的障碍只是一般的地面的凸起物和一些体积比较小的瓦砾等障碍物，障碍物共同点是上下高度落差不大，否则，机器人就无法实现越障，机器人的通行受到限制。空地两用机器人很好的解决了这个问题，能在大的高度落差情况下实现越障。

关键词：机器人；越障；空地两用；旋翼

现在主流地面机器人侦察系统主要可分轮式、履带式和特殊行走机构三类平台，其中轮式结构由于其结构成熟、控制简便、行进速度和传动效率高等优点，为地面机器人最常采用的形式。然轮式机器人在安防巡逻和军事侦察等领域已经崭露头角，是执行外星球探测任务的种种着陆器的主要类型。轮式结构主要应用于从微型到大型的多种规格的机器人，又可分为两轮、三轮、四轮和多轮等结构，履带式结构有很好的越障和在复杂恶劣地面上保持机动性的能力，且具备良好的承载能力，因而成为军用地面机器人常采用的形式之一，多用于排爆、巡逻和辅助作战等重要方面。履带式结构多见于中小型机器人，有单节、双节、多节和多种特殊结构。

此外，地面机器人还有腿式、轮腿式等特殊结构。腿式机器人对各种地形的适应性比较强，稳定性较高，然而机械结构设计和控制系统算法都相当复杂，且仿生腿机器人的机动性较自然界的节肢动物有较大差距。但因其具有独特的结构优势，腿式机器人仍然是未来机器人的一个重要研究方向；轮腿式机器人多为轮式机器人的变型，在机械结构变化不太大的情况下显著提高了其越障能力，但机器人稳定性比较差，且控制相对与普通轮式机器人更复杂。

无人机侦察系统包括固定翼、旋翼和涵道等多种形式。其中固定翼无人机巡航具有速度较快，滞空时间较长，可用载荷大，是如今优先发展的无人机系统，如今固定翼无人机已经涵盖从大型长航时无人机到小型抛投式无人机的多种型号，无人机在战场上得到了充分的应用。相比较固定翼无人机，旋翼式无人机体积比较小，隐蔽性较强，对起降条件要求低，便于操作，能够在不便于固定翼无人机应用的复杂环境中取得良好的使用效果，在当前的战术侦察中具有不可替代的地位。涵道式无人机也可看做旋翼式无人机的特别加强版，除了结构紧凑，速度快等优点以外还具有噪音低、隐蔽性好，可以在复杂情况中发挥灵活机动等突出特点，具有广阔的发展和应用前景。

随着经济的快速增长，世界各国的城市化进程正在加速推进。城市，尤其是大中型城市的军事经济地位越来越重要，其已经成为当前各种军事活动的重要争夺目标，城市作战已经逐渐演变成一种新的军事行动样式。

城区中心和室内环境下的作战样式，即巷战，是现代陆军的重要作战样式之一，也是陆军作战的难点重点，城区具有非常复杂的地理环境，除了城市所在地域的地形特点外，作为城市作战的主战场，城市具有地理环境复杂的特征 .除了城市所在地域的地形特点外，城市环境还具有下列明显特征：建筑物密集、高大、坚固，空间小，只能沿纵横交错的道路行动；地下工程设施多，结构复杂，立体环境复杂；人口密度。城区环境的特点使得侦察任务举步维艰，且异常危险，而无人系统由其零伤亡、实时性强和隐蔽性好等特点，相比于传统的侦察方式有独特的优势。小型陆空两栖机器人，由单人操作，在城区环境下工作时，能以地面移动模式长时间伴随部队，进入室内进行侦察，而在遇到楼梯、高台等障碍时，可以以飞行模式越过障碍继续任务，或者在部队急需大范围快速侦察时，以飞行模式在短时间内代替无人机，以满足大范围部署、快速侦察的要求，做为介于地面机器人和无人机之间的“多面手”，填补现有机器人体系的不足。

空地两用机器人已经发展一段时间，比较具有代表性的有以下几种。

HyTAQ Robot（Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor，陆空两栖四旋翼机器人），由伊利诺理工大学的机器人实验室研制，是一种创新的，可以在空中和地面移动的机器人。空中移动由四旋翼完成，而通过安装一个笼罩，便可以在地面上滚动。外层的笼罩除了起到陆行轮子的作用外，还有保护内部旋翼的作用。笼罩的材质是聚碳酸酯与碳素纤维的聚合体，其通过一个主轴与内部的四旋翼相连。在地面移动时，机器人仅需克服滚动阻力，因而较空中飞行时消耗的能量大大减少，实验结果显示，机器人在地面模式下可以运行 27 分钟，移动约 2400 米的距离而在飞行模式下则分别仅为 5 分钟，航程约 600 米。机器人尺寸为 24×21.5×21.5mm，搭载一个微型摄像头。HyTAQ 机器人充分利用了现有的四旋翼技术，结构简单，然而其在地面移动时存在着操作困难，无法精确移动的问题，严重影响地面移动性能

Hybrid Land-Air Robot此机器人由明尼苏达大学的机器人研究所于 2009 年研制，能实现地面移动和空中移动，并且可以垂直起降。机器人本体是该研究所成熟的哑铃型机器人，通过巧妙的把一组共轴双旋翼安装在机器人一端，就构成了这台两栖机器人。地面移动时，旋翼轴向的折叠在哑铃型机器人中间，需要起飞时，机器人升出一个支架将其支起到竖直，电机驱动旋翼旋转利用离心力先后将上下将两片旋翼、四个桨叶甩开，加大旋翼转速即可起飞。2011 年，研究人员进一步改进了设计，将共轴双旋翼改为主旋翼-尾桨结构，从而简化了结构，提升了飞行性能。2011 年版的 Hybrid Robot 地面模式下的尺寸为 259×90×205mm，飞行模式下旋翼直径为 468mm，高 278mm，机器人全重 433 克，升力-质量比为 1.35。论文中没有提及此机器人的其他能力，不过由于此项目是由美国军出资的，可以预期未来会有实用型号出现。

此外，微小型陆空两栖机器人还有多种形式。瑞士洛桑联邦理工学院所属的智能系统实验室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陆两用勘探机器人） ，为飞翼-翼腿式结构[26]。Richard J. Bachmann 和 Frank J.Boria 等人研制的“MMALV”（Morphing Micro Air-Land Vehicle，變形微小型陆空机器人），为飞翼-轮腿式结构。也有学者在研究扑翼-轮式结构的机器人，但尚未成熟。

未来无人机将更趋向于小型化、安全化、智能化、速度可控化、集群化等特点

参考文献

[1] 苏鑫鑫，王永寿. 美军无人机系统研发现状与动向[J].飞航导弹，2009，（12）：47-49.

[2] 赵建辉，徐友春，李伟等. 美军战场无人地面机器人研究现状[J].军事交通学院学报.2011，（10）：80-83.

[3] 陈欣，王立操，李联邦等. 美军无人地面车辆发展综述[J].军事交通学院学报，2012，14（12）：72-76.

[4] 文苏丽，张冬青，蒋琪. 美国军用无人机的作战使用[J].飞航导弹，2009，（11）：10-15.

[5] 张元涛，黄永胜. 美军城市作战研究的新动向[J].现代军事，2000，（11）：44-45.

[6] 张兵志，郝为利. 适应未来城市作战的装甲装备发展分析[J].车辆与动力技术，2008（1）：61-64

康瑶 刘动 谢孟喆 何卓林

摘 要：各种越障机器人已经研究很久，越障机器人有了长足的发展，但是，越障机器人受到轮子直径或者外伸机械结构尺寸的限制，所能越过的障碍只是一般的地面的凸起物和一些体积比较小的瓦砾等障碍物，障碍物共同点是上下高度落差不大，否则，机器人就无法实现越障，机器人的通行受到限制。空地两用机器人很好的解决了这个问题，能在大的高度落差情况下实现越障。

关键词：机器人；越障；空地两用；旋翼

现在主流地面机器人侦察系统主要可分轮式、履带式和特殊行走机构三类平台，其中轮式结构由于其结构成熟、控制简便、行进速度和传动效率高等优点，为地面机器人最常采用的形式。然轮式机器人在安防巡逻和军事侦察等领域已经崭露头角，是执行外星球探测任务的种种着陆器的主要类型。轮式结构主要应用于从微型到大型的多种规格的机器人，又可分为两轮、三轮、四轮和多轮等结构，履带式结构有很好的越障和在复杂恶劣地面上保持机动性的能力，且具备良好的承载能力，因而成为军用地面机器人常采用的形式之一，多用于排爆、巡逻和辅助作战等重要方面。履带式结构多见于中小型机器人，有单节、双节、多节和多种特殊结构。

此外，地面机器人还有腿式、轮腿式等特殊结构。腿式机器人对各种地形的适应性比较强，稳定性较高，然而机械结构设计和控制系统算法都相当复杂，且仿生腿机器人的机动性较自然界的节肢动物有较大差距。但因其具有独特的结构优势，腿式机器人仍然是未来机器人的一个重要研究方向；轮腿式机器人多为轮式机器人的变型，在机械结构变化不太大的情况下显著提高了其越障能力，但机器人稳定性比较差，且控制相对与普通轮式机器人更复杂。

无人机侦察系统包括固定翼、旋翼和涵道等多种形式。其中固定翼无人机巡航具有速度较快，滞空时间较长，可用载荷大，是如今优先发展的无人机系统，如今固定翼无人机已经涵盖从大型长航时无人机到小型抛投式无人机的多种型号，无人机在战场上得到了充分的应用。相比较固定翼无人机，旋翼式无人机体积比较小，隐蔽性较强，对起降条件要求低，便于操作，能够在不便于固定翼无人机应用的复杂环境中取得良好的使用效果，在当前的战术侦察中具有不可替代的地位。涵道式无人机也可看做旋翼式无人机的特別加强版，除了结构紧凑，速度快等优点以外还具有噪音低、隐蔽性好，可以在复杂情况中发挥灵活机动等突出特点，具有广阔的发展和应用前景。

随着经济的快速增长，世界各国的城市化进程正在加速推进。城市，尤其是大中型城市的军事经济地位越来越重要，其已经成为当前各种军事活动的重要争夺目标，城市作战已经逐渐演变成一种新的军事行动样式。

城区中心和室内环境下的作战样式，即巷战，是现代陆军的重要作战样式之一，也是陆军作战的难点重点，城区具有非常复杂的地理环境，除了城市所在地域的地形特点外，作为城市作战的主战场，城市具有地理环境复杂的特征 .除了城市所在地域的地形特点外，城市环境还具有下列明显特征：建筑物密集、高大、坚固，空间小，只能沿纵横交错的道路行动；地下工程设施多，结构复杂，立体环境复杂；人口密度。城区环境的特点使得侦察任务举步维艰，且异常危险，而无人系统由其零伤亡、实时性强和隐蔽性好等特点，相比于传统的侦察方式有独特的优势。小型陆空两栖机器人，由单人操作，在城区环境下工作时，能以地面移动模式长时间伴随部队，进入室内进行侦察，而在遇到楼梯、高台等障碍时，可以以飞行模式越过障碍继续任务，或者在部队急需大范围快速侦察时，以飞行模式在短时间内代替无人机，以满足大范围部署、快速侦察的要求，做为介于地面机器人和无人机之间的“多面手”，填补现有机器人体系的不足。

空地两用机器人已经发展一段时间，比较具有代表性的有以下几种。

HyTAQ Robot（Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor，陆空两栖四旋翼机器人），由伊利诺理工大学的机器人实验室研制，是一种创新的，可以在空中和地面移动的机器人。空中移动由四旋翼完成，而通过安装一个笼罩，便可以在地面上滚动。外层的笼罩除了起到陆行轮子的作用外，还有保护内部旋翼的作用。笼罩的材质是聚碳酸酯与碳素纤维的聚合体，其通过一个主轴与内部的四旋翼相连。在地面移动时，机器人仅需克服滚动阻力，因而较空中飞行时消耗的能量大大减少，实验结果显示，机器人在地面模式下可以运行 27 分钟，移动约 2400 米的距离而在飞行模式下则分别仅为 5 分钟，航程约 600 米。机器人尺寸为 24×21.5×21.5mm，搭载一个微型摄像头。HyTAQ 机器人充分利用了现有的四旋翼技术，结构简单，然而其在地面移动时存在着操作困难，无法精确移动的问题，严重影响地面移动性能

Hybrid Land-Air Robot此机器人由明尼苏达大学的机器人研究所于 2009 年研制，能实现地面移动和空中移动，并且可以垂直起降。机器人本体是该研究所成熟的哑铃型机器人，通过巧妙的把一组共轴双旋翼安装在机器人一端，就构成了这台两栖机器人。地面移动时，旋翼轴向的折叠在哑铃型机器人中间，需要起飞时，机器人升出一个支架将其支起到竖直，电机驱动旋翼旋转利用离心力先后将上下将两片旋翼、四个桨叶甩开，加大旋翼转速即可起飞。2011 年，研究人员进一步改进了设计，将共轴双旋翼改为主旋翼-尾桨结构，从而简化了结构，提升了飞行性能。2011 年版的 Hybrid Robot 地面模式下的尺寸为 259×90×205mm，飞行模式下旋翼直径为 468mm，高 278mm，机器人全重 433 克，升力-质量比为 1.35。论文中没有提及此机器人的其他能力，不过由于此项目是由美国军出资的，可以预期未来会有实用型号出现。

此外，微小型陆空两栖机器人还有多种形式。瑞士洛桑联邦理工学院所属的智能系统实验室研制的“DALER”（DeployableAir Land Exploration Robot，可部署空陆两用勘探机器人） ，为飞翼-翼腿式结构[26]。Richard J. Bachmann 和 Frank J.Boria 等人研制的“MMALV”（Morphing Micro Air-Land Vehicle，变形微小型陆空机器人），为飞翼-轮腿式结构。也有学者在研究扑翼-轮式结构的机器人，但尚未成熟。

未来无人机将更趋向于小型化、安全化、智能化、速度可控化、集群化等特点

参考文献

[1] 苏鑫鑫，王永寿. 美军无人机系统研发现状与动向[J].飞航导弹，2009，（12）：47-49.

[2] 赵建辉，徐友春，李伟等. 美军战场无人地面机器人研究现状[J].军事交通学院学报.2011，（10）：80-83.

[3] 陈欣，王立操，李联邦等. 美军无人地面车辆发展综述[J].军事交通学院学报，2012，14（12）：72-76.

[4] 文苏丽，张冬青，蒋琪. 美国军用无人机的作战使用[J].飞航导弹，2009，（11）：10-15.

[5] 张元涛，黄永胜. 美军城市作战研究的新动向[J].现代军事，2000，（11）：44-45.

[6] 张兵志，郝为利. 适应未来城市作战的装甲装备发展分析[J].车辆与动力技术，2008（1）：61-64