多足地形自适应起落装置关键技术与研究进展

关键词：垂直起降飞行器；地形自适应；起落装置；应用；进展；关键技术

中图分类号：V285 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.10.001

目前，典型的垂直起降飞行器普遍采用滑橇式和机轮式起落架[1]，这些传统的起落架对着陆环境的要求比较苛刻，通常情况下需要坚固、平坦和稳定的起降平台。而事实上，在野外陆地作战环境（如山丘地形、乱石地面等）中经常无法找到合适的起降地点。此外，在民用灾害事故救援落区，也多为极端复杂的非结构地形，如崎岖山地、地震灾害破坏地形等，均会造成垂直起降飞行器的着陆困难。在海洋环境下，大风海浪导致的舰面晃动也会对舰载垂直起降飞行器安全着舰和停放产生不良影响[2]。

近年来，垂直起降飞行器因为拥有机动灵活、对起降场地要求小、可做低空低速飞行等特点，已在军用、民用领域被广泛应用[3]。随着执行任务的现代化和复杂化程度的提高，如战场侦察、危险搜救、野外起降、复杂海况着舰等，对飞行器起降技术的要求越来越高[4-5]。美国对发展垂直起降飞行器有了更深刻的体会和认识，将能够适应复杂地形环境的垂直起降飞行器列为美军十大未来关键装备的第一项[6]。所以，多用途、智能化和复杂环境适应性成为未来垂直起降飞行器研制的重要趋势，对于起落架技术而言，复杂地形自适应起降、高海况的着舰与停靠能力、着陆/着舰智能化水平和高生存力抗坠毁成为领域研究的热点和重点。

显然，传统的滑橇式和机轮式起落架并不能满足垂直起降飞行器的应用场景需求，着陆场地的限制条件会造成垂直起降飞行器难以降落，甚至是无法抵近，极大地限制了垂直起降飞行器的适用范围和智能化发展。所以，研制满足复杂地形自适应起降的新型起落架，成为当前垂直起降飞行器设计亟待攻破的技术难题，也是未来智能化方向发展的关键技术。

基于以上迫切需求，需要寻求新型结构的起落架，满足特殊任务的需求。研究发现，蝗虫、蜻蜓等自然界中的飞行昆虫，它们栖落时均采用多点触地的方式，通过复眼观察、足部感知和腿部伸展的协调与配合，实现了身体在地面、枝头、叶片等复杂环境下的稳定停靠[7]。近些年来，在腿式机器人领域，由于在复杂环境下具有更高的灵活性与环境适应性，多足机器人具有明显的优势[8-9]，多足机器人的腿部拓扑结构和驱动方式大都参照了动物腿部构造特点，更容易实现复杂地形的稳定行走与爬行。所以，考虑垂直起降飞行器的着陆特点与飞行昆虫栖落具有诸多相似性，依托足式机器人腿部设计技术，本文提出一种基于仿生结构的多足地形自适应起落装置设计方法，可实现垂直起降飞行器的野外复杂地形自适应和地面移动。安装仿生多足起落装置的垂直起降飞行器可适应多种野外地形起降、具有短距离运动能力，提高了出勤率和生存性，增强了其在野外探测、救援、高海况情况下舰船上起降的实用价值。

近年来，国内外相关机构相继开展多足地形自适应起落装置的研究工作，并取得了一定的进展。国外研究机构较早开展相关研究，也取得了较为成熟的研究成果。2013年，昆士兰大学刘刚峰等[10]设计了一种被动自适应调整机构，采用腿式起落架设计，利用不同的载荷调节机构高度，在不平坦地形上能够实现悬挂和稳定性。2015 年，在美国国防部高级研究计划局（DARPA）专项经费支持下，佐治亚技术学院Costello 等[11-12]设计了四足式仿生腿起落架，可在飞行时折叠于机腹、着陆时伸展支撑地面，配备足底压力感知设备，保证地形自适应性和机身平衡调节能力。2017年，英国爱丁堡龙比亚大学Boix 等[13-14]设计了一种通过一个基座连接的足端带有直杆的双腿结构起落架，由两个自由度的比例-积分-微分（PID）联合控制器提供稳定的着陆。同年，俄罗斯索尔科沃科技学院Sarkisov 等[15]设计了“蜂腿”式四旋翼无人机起落架，为足端安装惯性单元的四腿式八自由度起落架，能够适应一般复杂地形。2018 年，苏黎世联邦理工大学Stolz 等[16]采用电动丝杠驱动设计了四自由度仿生腿，每条腿采用单独力控，可实现最佳负载分布避免侧翻，在着陆阶段实现各个腿的自主控制。以上研究成果在完成方法论述的基础上，完成了样机的研制，并且在不同重量级的无人直升机或多旋翼无人机上进行测试试验，可以达到技术成熟度4 级（TRL4）。近几年来，约克大学、肯特州立大学、东京大学也在以往研究的基础上开展新的尝试，针对旋翼无人机开展自适应起落架的研制，并构建了实物样机，正在逐步开展实验室测试。在国外研究的启发下，国内的研究机构也逐渐开展自适应起落装置的研制，航空工业哈飞杜荃等[17]最早提出了“自适应全地形直升机起落架装置”的概念：由三个液压支腿构成；南京航空航天大学王晓晖等[18]设计了一种带有三个液压伸缩杆的起落架结构；合肥工业大学桑哲等[19]采用单自由度四杆机构设计了一种针对小型无人直升机的仿生起落架；郑州大学孟祥睿等[20]提出了与DARPA类似的方案，由控制器、支撑框架和支撑腿三部分构成。航天神舟飞行器有限公司[21]、哈尔滨工业大学[22]等都提出了自适应地形起落架的设计方案，相关研究机构近年来也搭建了研究平台，并研制了演示物理样机，完成了功能测试。目前，中国飞机强度研究所刘小川等[23-24]针对多旋翼无人机和无人直升机平台开展多连杆混联式起落架单腿设计和试验，开发了两套物理样机并完成真实地形着陆验证。可以看出，多足地形自适应起落装置作为一个热点研究领域正在吸引越来越多的研究机构，但目前的研究成果还处于起步阶段，各研究单位以构型设计和研究性试验为主，成熟度并不高。

在以上研究成果中，国外最有名的DARPA自适应起落架目前已完成模型飞机的装机验证，并提出要针对250kg级平台进行样机设计和复杂海况着舰验证，最终针对3500kg 级有人直升机进行仿生起落架设计与验证。但该项目的具体设计参数和目前进展情况鲜有文字资料报道。中国飞机强度研究所完成了样机的设计和试验，并且在研究成果的基础上，提出了相应的优化设计方案以及针对小型无人直升机、重载无人直升机到有人直升机验证平台的长期设计研究规划。

多足地形自适应起落装置的研究颠覆了传统的滑橇式和机轮式起落架设计理念，具有先进的混联机构构型设计和主动柔顺自适应地形控制的功能。未来，多足地形自适应起落装置将是一项融合激光雷达主动地形辨识、惯性测量单元＼全球定位系统（IMU＼GPS）机身位置姿态监控等诸多前沿技术的突破性成果，是垂直起降飞行器智能化发展的关键技术。本文基于以往研究经验，并结合多足地形自适应起落装置的未来发展方向和进一步研究规划，总结了多足地形自适应起落装置在研制过程中的关键技术和研究成果，并基于关键技术对多足地形自适应起落装置的设计方法和流程展开详细的说明与讨论。

1 多足地形自适应起落装置的总体设计方法

依据使用场景需求，开展多足地形自适应起落装置的研制工作，其研制过程要完成起落装置的总体设计，在总体设计的基础上识别研制过程中的关键技术，并开展相应的工作。

1.1 构型设计方法

多足地形自适应起落装置的设计构型与功能需求和运动能力有着直接关系。腿部结构不能过于复杂，杆件太多会造成自由度冗余，增加逆运动学和逆动力学解算的难度。腿部关节不能太多，否则会增加结构重量，降低腿部的刚度，从而降低起落装置的着陆稳定性。

安装自适应起落装置后，垂直起降飞行器具备满载条件下在非结构地面稳定起降及行走的能力，能够抗外界冲击（横向除外）扰动，其应用场景如图1所示。

因此，其构型设计主要考虑腿部数量、腿的分布以及单腿结构等几个部分。从需求出发，综合考虑起落装置的着陆稳定性、承载能力、能耗性等方面，给出多足地形自适应起落装置的仿生腿数量、分布、自由度配置和结构的选定方法[25]。

参考机器人领域研究结果，单足和双足机器人由于腿数较少，在实际使用中受到很大限制，机器人的承载性和稳定性都很难得到保证。考虑步态有效性，机器人为对称结构，腿数一般是偶数条，最吸引人类去模仿制造的机器人主要包括四足机器人、六足机器人和八足机器人[26-28]。因为机器人可以使用至少三条腿站立，这三个足端可以在地面构成支撑三角形，若机器人重心落入了该支撑三角形中，机器人就可以形成稳定的状态，不会倾覆[29]。

在选择多足地形自适应起落装置整体构型时，考虑着陆路面环境崎岖的条件，起落装置本身存在设计重量和使用功能的要求，结合机器人研制经验，最合适应用的为四足和六足的构型，这样既保证了支撑的稳定性，又能保证设计重量的限制。鉴于目前研究成果，已成功研制的自适应起落装置样机大多应用于载重100kg 以下的小型旋翼式无人机/无人直升机系统，其构型模仿多连杆结构的四足机器人的腿部构型，如图2 所示。因此，对于小型垂直起降飞行器，四足构型的自适应起落架具有明显优势，在满足承载能力和功能要求的前提下，具有良好的仿生学借鉴特性[30]。

但对于较大载重的垂直起降飞行器而言，四足式自适应起落架由于承载能力受限，在设计重量条件下难以满足垂直起降飞行器的载重要求，此时可选用六足构型。参照六足机器人的腿部构型和步态分布，中国飞机强度研究所任佳等[31]针对200kg 无人直升机完成六足式仿生起落架设计并实现物理样机验证，如图3 所示。在满足无人直升机最大起飞重量非结构地形着陆和模拟晃动舰面着舰的试验前提下，完成了无人直升机的自主行走测试。

在确定自适应起落装置多条腿的总体构型与布置后，需要考虑平台承载能力、关节驱动配置、整机功率消耗、能量利用率、足端工作空间和腿部质量要求等因素，结合垂直起降飞行器的使用工况，合理选择单腿的腿部构型。常见的构型有以下几种。

（1） 串联式机构[32]

原理类似生物腿部行走机构，腿部工作空间较大，等效机械增益小，关节受力状况良好，可有效提高承载能力，但各关节间存在运动耦合，运动学解算存在一定难度。

（2） 运动解耦式机构[33-34]

该机构可实现水平运动和竖直运动的解耦，运动解算直接。竖直方向执行器能够克服重力但速度低；水平方向执行器运动速度大，但所需的牵引力较小，因而支撑相对能耗小。

但执行机构受侧向力作用，须增加额外承载机构，关节尺寸与质量较大。

（3） 混联式机构[35-36]

腿在矢状面的足端轨迹为闭合的曲线，控制复杂度较低，但工作空间小，承载能力小，腿部质量偏大，行走过程中惯性力对稳定性的影响较大。

（4） 并联式机构[32，37]

腿的承载能力较大，腿部工作空间小，越障能力低，正运动学求解复杂。

通过以上分析可以看出，并联式机构难以满足多足地形自适应起落装置的设计需求，混联式机构、串联式机构和运动解耦式机构可以满足设计需求，同时在机构设计和驱动实现上需要根据使用平台和性能指标进行优化和突破。

1.2 研制关键技术

通过垂直起降飞行器在军用和民用领域的应用需求论证，基于应用场景，开展多足地形自适应起落装置的研制工作，在此基础上提出其研制过程中的关键技术。关键技术主要集中在腿部轻量化结构与驱动一体化技术、地形识别-腿部闭环控制-飞控系统的协同控制技术、机体集成与试验技术三个方面。

（1） 腿部轻量化结构与驱动一体化技术

不同于多足机器人，垂直起降飞行器自身重量大，着陆时具有较大的冲击力，且对起落装置结构重量有严格限制。起落装置安装尺寸空间是有限的，要求腿部机械结构和驱动单元尺寸小、重量轻，在满足结构重量和尺寸需求的同时，还要具有抗着陆冲击的能力及复杂环境下长时间工作的可靠性。所以，腿部轻量化结构与驱动一体化技术为起落装置研制的一项关键技术，该项关键技术主要体现在腿部的结构轻量化设计与优化、驱动系统的一体化设计和抗坠毁技术等几个方面。

（2） 地形识别-腿部闭环控制-飞控系统的协同控制技术

多足地形自适应起落装置在设计时，腿部闭环控制系统和地形识别系统作为起落装置控制系统设计的两个主要部分，需要实现两者的协同工作和融合设计。在考虑实际环境地形特征时，应充分考虑着陆控制算法地形适应性和着陆可靠性问题，并评估真实使用环境下可能出现的侧风、地面效应、着陆下降速度、松软地质、复杂地形等因素带来的不确定性影响。在算法实现的基础上，且需要匹配垂直起降飞行器验证平台的飞行控制系统，完成三者的数据共享、信号传输和协同作业。因此，需要完成地形识别-腿部闭环控制-飞控系统三大控制系统的融合设计原理与协同工作方法设计，实现数据通信与协同方法设计是一大技术难点，也是多足地形自适应起落装置的关键技术。

（3）机体集成与试验技术

为实现多足地形自适应起落装置的工程化应用，起落装置的设计还需进一步考虑系统的可靠性和不确定环境干扰的鲁棒性。因此需要对多足地形自适应起落装置与垂直起降飞行器的验证平台机体集成和试验技术展开研究，在此基础上形成标准规范，该方面技术突破也是多足地形自适应起落装置的关键技术。针对应用需要，该项关键技术从机体集成、全机振动特性测试和地面共振分析及开展着陆性能试验等方面展开说明。

下面将对已提出的多足地形自适应起落装置的关键技术展开详细的论述与说明。

2 腿部轻量化结构与驱动一体化技术

2.1 轻量化优化

不同于多足机器人，多足地形自适应起落装置应用于垂直起降飞行器，对自身重量有着严格的限制。受垂直起降飞行器执行任务时带负载能力的要求和垂直起降飞行器自身尺寸及连接接口尺寸的限制，自适应起落架装置既要有尽可能轻的质量，也要满足地形适应的尺寸需求，又要匹配机体尺寸以收于机身下方。这需要对腿部结构进行优化，实现轻量化设计，以增加垂直起降飞行器的挂载能力。

多足地形自适应起落装置的单腿包含机械结构和关节驱动单元两个方面。所以单腿轻量化优化需要从单腿机械结构本身和关节驱动单元两个方面进行，形成腿部结构和驱动单元的一体化设计优化，整个过程如图4 所示。

在机械结构优化过程中，确定验证平台的载荷参数和使用场景，以各杆件的长度、安装角度、关节运动范围为优化变量，以足底运动范围满足设计使用场景的设计着陆地形要求为约束条件，以驱动杆的输出驱动力矩最小为优化目标进行优化，还应适当考虑安装干涉，获得相应设计参数。另外，要考虑到材料的轻质、高比强度的要求[38]，以及加工成本因素，结合构成腿部结构的材料轻量化设计，完成腿部结构设计。

目前阶段各机构对自适应起落装置的研究主要集中在功能实现和地形适应方面，少见针对轻量化设计方面的研究进展报道。中国飞机强度研究所在该方面做了尝试与探索，完成三代单腿样机的轻量化优化，如图5 所示。在单腿承载F=1000N、适应30°斜坡和高差200mm台阶着陆的情况下，开展结构的轻量化设计与优化，目标是尽可能减小驱动扭矩，并减轻结构重量，满足结构轻量化的需求。先后研发的三代物理样机的基本情况和性能参数见表1。

在轻量化优化过程中，发现关节驱动单元的重量在结构重量中占比较大，后续研究工作中，主要实现关节驱动单元的一体化技术，以达到减重的目的，或者通过新结构的设计，以减少关节驱动单元的数量，达到减重的目的。

本节主要论述机械结构本身的轻量化优化方法，关节驱动单元的一体化优化方法则在下一节中进行说明。

2.2 驱动一体化

应用于多足地形自适应起落装置的关节驱动单元多由电机驱动，匹配单腿结构优化后的最大输出扭矩，需要具有低转速大扭矩、转角可控和断电锁死的功能。采用电机驱动的关节驱动单元主要由伺服电机、减速机、制动器、编码器、传动轴、法兰盘和保护罩等组成，其原理图如图6所示。在对关节驱动单元控制过程中，需要通过小型高能量密度的伺服驱动器实现伺服电机的控制。

中国飞机强度研究所为了实现三代单腿物理样机的结构减重，在驱动一体化技术方面进行了尝试，实现三代关节驱动单元的迭代优化，如图7 所示。在输出扭矩约220N·m的情况下，重量分别为11.5kg、6.2kg 和4.3kg，通过迭代优化使得重量降低了62.6%。

上海交通大学高峰等[39]在驱动一体化技术方面也有了新的突破，创新地设计了一种力控驱动单元，并应用于六足机器人中。这里采用一种柔顺力控集成驱动单元，如图8所示，外部为铝制机架，内部由输入端至输出端分别是编码器、电机定子、电机转子、谐波减速器、扭矩传感器、输出端连接件（可选法兰盘或联轴器），通过增加电机输出扭矩，轻量化设计，有效增加了扭矩自重比，重量为1.3kg，输出扭矩大于200N·m。

此外，也有其他形式的驱动单元应用于该起落装置的设计中。出于总体构型承载大、重量轻的考虑，除了采用电机伺服驱动的形式外，2018年，哈尔滨工业大学刘刚峰等[22]提出采用两个电动缸驱动起落架自适应收放的驱动形式，2020 年提出了采用铰链式结构的液压驱动[17]，同时实现承载与缓冲。还有通过驱动液压电磁阀实现起落架伸缩的驱动形式。但是液压式系统要求垂直起降飞行器能够提供液压源，或者需要背负液压源，不利于系统减重。

通过以上论述说明，采用电机组成关节驱动单元，并且尽可能提高其中元件的集成化程度是驱动一体化技术的关键，关节驱动单元的轻量化优化经历了成品件组装应用、初步集成设计、定制化集成设计和优化设计定制等过程，基本实现了驱动一体化技术。在后续工作中，为了进一步减轻腿部重量，需要从材料选型优化和结构设计集成化的方面进一步提升各元件的集成化程度。

2.3 抗坠毁技术

垂直起降飞行器的抗坠毁着陆设计时，起落装置的抗坠毁设计占有重要地位，而且是抗坠毁吸能设计中的第一环，吸能可达到全机坠撞总量的60%以上[40]，相关标准也对起落装置的吸收撞击能量做出了明确规定。如早期规范[41]规定起落架吸收6m/s 垂直撞击速度下的撞击能量且机身不触地；MIL-STD-1920A[42]标准对高性能直升机的起落架抗坠毁吸能性能的要求明显提高。

要实现多足地形自适应起落装置的抗坠毁设计，采用传统的油气缓冲、被动弹性缓冲和主动控制缓冲在响应速度和吸能效率方面无法满足。需要采用具备“承载-吸能”功能的一体化胫节，如图9 所示，合理设定压溃模式阈值，实现正常着陆时的承载和应急着陆时的受控破坏功能。结合使用需求和直升机抗坠毁要求[43]，提出研究指标为设计指标要求10.2m/s 垂直坠撞，腿部吸能能力80%。

在一体化胫节的设计方面，中国飞机强度研究所王彬文等[44]采用蜂窝铝填充的铝管作为胫节，通过其塑性破坏吸能实现抗坠毁设计。针对100kg 承载重量，一体化胫节的长度300mm，直径40mm，重量约为0.4kg，设计过载平台为20～25g。其冲击试验的结果如图10所示。

此外，上海交通大学于哲峰等[45-46]提出了基于内翻复合材料管的冲击吸能器，该方法可应用于一体化胫节的缓冲器设计中。中国飞机强度研究所与上海交通大学合作设计了基于复合材料管受控内翻的仿生腿胫节，并建立了其设计分析方法，通过复合材料的结构弯折破坏吸收能量。同样针对100kg 的承载重量，符合材料管的长度300mm，直径40mm、50mm和60mm，重量约为0.3kg，设计过载平台为20～30g。其冲击试验的结果如图11 所示。

3 地形识别-腿部闭环控制-飞控系统的协同控制技术

垂直起降飞行器的飞控系统与地形识别系统及腿部闭环控制系统组成统一的电控系统，有利于数据的交互与协同通信，也可共用供电系统，为多足地形自适应起落装置的工作带来诸多的便利。通过飞控系统、腿部闭环控制系统和地形识别系统的协同控制与融合设计实现起落装置的自主着陆/着舰功能。在三个系统均可靠工作的条件下，通过建立系统通信和数据链路实现协同控制与融合设计。

垂直起降飞行器的飞控系统[47-48]为一项较为成熟的产品，不是本文的研究重点，飞控系统多为分布式系统，即由多个模块通过接口模块进行集中管理，将每个设备的供电和信号整合到独立的接插件上，有效解决飞控系统复杂的电气和信号连接。根据规定好的接口协议通过双向串口实现与地形识别系统和腿部闭环控制系统的通信。飞控系统将地形识别系统计算的着陆地形模型和决策信号通过数传与腿部闭环控制系统通信。

地形识别系统与腿部闭环控制系统的构成原理与实现技术在后面的章节中详细说明，并在分系统实现技术的基础上，说明协同控制与融合设计的实现方法。

3.1 地形识别技术

地形识别技术对多足地形自适应起落装置的着陆非常重要，其地形识别与辨识的结果直接影响着陆的效果，为垂直起降飞行器的落区选择和起落装置的姿态预摆提供重要依据。地形识别技术即通过相机、传感器、雷达等测试系统感知地面的形态，计算着陆区域的大小、坡度、地质等信息，完成安全停机区域的自动识别，取得着陆的基础，进而通过自适应起落装置实现垂直起降飞行器的自主着陆。经过十几年的研究，地形识别技术也有了大量的研究成果。

按使用传感器的区别，地形识别技术可以通过三类方法实现，分别为基于单目相机的着陆区域识别、基于双目相机的着陆区域识别、基于三维激光雷达的着陆区域识别。基于单目相机的着陆区域识别技术可以通过两种方法实现。一种方法是通过飞行器搭载的相机传感器拍摄飞行器所在位置下方地面的环境单帧图像信息，再利用飞行器自身搭载的处理器确定该区域位置是否可用于着陆，即根据单帧图像序列实现可降落区域的识别[49-51]。另一种方法是利用运动的单目相机得到的图像数据云图，通过动态立体视觉算法建立密集的三维环境地形点云地图，计算着陆区域，实现可降落区域的识别[52-54]。基于双目相机的着陆区域识别则通过双目相机的外参数据和双目图像的差别直接估计地面图像的深度信息，然后根据深度信息判断着陆区域，最终实现飞行器的可降落区域识别[55-56]。基于三维激光雷达的着陆区域识别首先利用激光雷达建立较稠密的三维点云地图，然后再从三维点云地图中识别着陆区域，最终实现无人机可降落区域的识别[57-58]。

将地形识别技术应用于垂直起降飞行器的着陆区域识别方面，南京航空航天大学韩家明等[59]提出了一种基于视觉的无人机着陆标识的检测方法，复旦大学李睿康等[60]提出了一种针对旋翼无人机在无准备的崎岖地表上的自主安全着陆系统，西北工业大学李靖等[61]提出了一种基于视觉的无人机着陆地标实时检测跟踪方法，这些方法在某些特定的场景下都有不错的表现，对于常规情况，均能应用于垂直起降飞行器的着陆区域识别。为了解决在一些更复杂的场景或光照较差时难以准确且稳定地完成可降落区域识别的问题，东北大学提出基于多传感器融合的无人机可降落区域识别方法[62]，充分利用相机所拍摄图像的色彩信息和激光雷达的深度信息，通过无人机搭载的处理器实现对其下方可降落区域的识别与跟踪，引导无人机实现安全自主着陆。

结合以上说明，应用于多足地形自适应起落装置的地形识别系统所包含的硬件系统有激光雷达、相机、GNSS、处理器和网卡等。在高度20～100m时，通过相机提取地面图像特征，搭建孪生网络作为整体网络的基本架构，采用基于图像的语义分割方法实现地形识别与跟踪[63]；在高度0～20m时，通过雷达获取环境信息，提取点云的特征点集，结合IMU 数据和GPS 数据，实现实时建图与坡度识别[64]，最终通过处理器实现着陆决策和复飞预判。地形识别系统的软件实现原理如图12 所示。该项技术方面的研究较为充分，也是一项目前研究较为成熟的技术。

3.2 腿部闭环控制技术

腿部闭环控制即通过阻抗控制、自适应控制等算法实现所有腿部机构足端依赖接触力反馈的在线跟随[65-68]。多足地形自适应起落装置的腿部机构控制系统是通过一台安装控制软件的模组化工控机实现，通过总线与扭矩传感器信号采集卡以及电机的伺服驱动器通信，通过串行总线与IMU通信[69]。扭矩传感器信号采集卡分别与关节驱动单元中的扭矩传感器连接，采样扭矩信号。通过上位机的人机交互界面完成任务调度，实现动力学运算、硬件驱动、系统通信等功能。系统的网络拓扑结构如图13所示。

目前看来，对于智能起落装置控制的研究，只是处于初步探索的阶段，面向复杂地形的自适应着陆过程研究，并没有形成理论体系。结合多足机器人的研究方法，根据现有研究经验，在垂直起降飞行器着陆过程中，实现多足地形自适应起落装置的腿部闭环控制，需要完成接触力采集与触碰判断、独立关节控制、单腿随动控制和多腿自适应控制4个控制过程。

（1）接触力采集与触碰判断过程

垂直起降飞行器在下降过程中，起落装置的足端与地面是否发生接触以及何时接触，是完成自适应稳定着陆的关键之一[70-71]。为了避免接触力传感器采集信号波动，采用单一阈值方法造成误判影响实际控制效果，通过低通滤波算法[72]以消除信号波动对单腿运动的影响。

（2）独立关节控制[73]

通过各个关节驱动单元的驱动器实现，建立独立关节的电机动力学模型[74]，接收传感器的接触力信号、扭矩信号，实现状态估计[75]，通过补偿控制器[76]实现独立关节的控制。独立关节控制是单腿随动控制和多腿自适应控制的基础。

（3）单腿随动控制

通过接触力传感器判定单腿着地的情形下，存在其他腿悬空状态，需要继续下降机体。在实现独立关节控制功能的基础上，触地单腿需要配合机身进行跟随运动，以保持机体的平稳性[77]。

（4）多腿自适应控制

在所有腿未完全触地前，触地腿协同运动使机体平稳下降[78]。处于着地状态的腿与机体构成一个并联机构平台，任何两腿间的运动均是相互耦合的，可严格控制关节运动误差，使得多腿协同运动，消除机械上的运动干涉现象，实现垂直起降飞行器平滑柔顺着陆[79-80]。通过多足地形自适应起落装置的腿部闭环控制，可实现垂直起降飞行器在人工控制条件下的自适应着陆，完成腿部控制功能。

3.3 多系统协同控制技术

随着智能传感器技术与传感器数据融合技术的发展[81]，垂直起降飞行器的自主着陆是建立在接收飞控系统和地形识别系统的传感器监测信号基础上，飞控系统、地形识别系统和腿部闭环控制系统三部分是在实现融合设计与协同控制[82]的基础上完成的，综合实现了自适应着陆功能。在多系统协同控制与融合设计过程中，将三部分系统通过数据交互与通信实现，其工作原理描述如图14所示。

通过地形识别系统完成垂直起降飞行器在自主起降/人工操纵过程中的地形识别与建模，以复杂地形“感知-测量-评估”为牵引，基于点云信息获得降落区域的大小、坡度、地质等信息[83]，采用多元传感信息融合[84]的方法对复杂的落区进行辨识，并通过串口通信将其传递给飞控系统和腿部闭环控制系统，取得着陆的基础。

腿部闭环控制系统用于实现足-地接触力动态调控与自适应控制、单腿随动控制、多腿协同控制和稳定位姿调节的过程，控制多足地形自适应起落装置在完成足端接触力分配的基础上实现着陆柔顺控制[85]，综合实现垂直起降飞行器的自适应着陆。

飞控系统则在接收地形识别系统传输信号的基础上通过地面站实现垂直起降飞行器的起降操纵及航线确定，以完成飞行任务，并在完成起落装置自适应着陆后实现垂直起降飞行器的控制，系统之间通过数据传输及通信实现协同控制。

在三个系统均可靠工作的条件下，通过建立系统通信和数据链路实现协同控制与融合设计，设计框图如图15所示。

针对地形自适应起落装置与垂直起降飞行器机体的多系统融合设计方面的研究还很少，并未形成相关的可借鉴研究成果。目前阶段，各部分在数据融合的基础上实现了垂直起降飞行器自主着陆的功能，系统之间实现了协同控制和初步的融合，即数据的共享和信息的融合。由于系统的硬件兼容性，尚未实现控制系统硬件的融合设计，后续的研究过程中，将逐步实现硬件系统的融合，用单一的控制系统代替三个子控制系统。

4 机体集成与试验技术

多足地形自适应起落装置完成垂直起降飞行器的集成后，需要通过全机振动特性测试与共振分析，然后在实验室及外场实现着陆性能测试，以实现自适应着陆能力的验证。

4.1 机体集成

考虑多足地形自适应起落装置与垂直起降飞行器的连接匹配问题，需要设计垂直起降飞行器的机身连接件以实现机体集成。机身连接件具备连接接口转换、自适应起落装置安装、驱动控制系统收纳和飞行/着陆减振隔振等功能。

为了保留垂直起降飞行器带负载的能力，减轻连接件的重量，将机身连接件的主体通过两层碳纤维板设计，两层碳纤维板中间采用支撑杆形成空腔，用于驱动/控制系统的存放。机身连接件和飞机螺接的部分为铝合金设计，通过在连接件和机身之间安装橡胶块的方式起到减振隔振的作用。

机体集成时，须根据多旋翼无人机/无人直升机等垂直起降飞行器验证平台的特点，对连接件的尺寸、接口和隔振橡胶块的数量进行设计。以中国飞机强度研究所为某型无人直升机设计的机身连接件为例，其设计结构如图16所示。

为使无人直升机在着陆与行走过程中保持稳定，自适应起落装置的多条腿分布于机身连接件的两侧及前后部。该无人直升机在起飞与飞行过程中，通过连接接头处的螺栓吊起连接件及自适应起落装置部分。无人直升机在着陆时，通过连接接头上方的减振隔振橡胶垫托起机身的底部，起到减振和缓冲的作用。

4.2 全机振动特性测试和地面共振分析

垂直起降飞行器，特别是铰接式旋翼桨叶直升机，本身具有桨叶绕垂直铰的摆振系统和机身-起落装置组成的振动系统，在自身因素有或受到外界初始干扰后存在“地面共振”的问题[86-87]。所以，在安装多足地形自适应起落装置系统后，需要对垂直起降飞行器-多足地形自适应起落装置的地面共振稳定性进行全机振动特性测试试验和共振分析。

为了进行地面共振分析，首先需要测试垂直起降飞行器的旋翼桨叶固有特性和机体固有特性。旋翼桨叶固有特性测量[88]内容包括桨叶质量和展向质心位置（重心至垂直铰的距离）、测量桨叶绕垂直铰的转动惯量和桨叶摆振固有频率。机体固有特性[89]即为机体在自适应起落装置上的振动特性，主要包括横向和侧向两个方向上的振动频率以及结构阻尼系数。以获得机体在侧向平动、航向平动、航向俯仰和侧向滚转4个模态的振动特性。

在此基础上进行地面共振分析。经典地面共振分析[90-91]只需要考虑旋翼在旋转平面内的运动，所以仅研究桨毂中心在旋转平面内的运动特性，只有这个运动特性才对旋翼的平面运动产生影响。于是，对应机体振动系统的任何振动模态，都可以变换为旋翼旋转平面内的平面当量模型来进行地面共振分析。

平面动力模型（当量二维模型）进行地面共振分析[92]时，机体动力特性分析中一般采用如下假设：机体作为刚体，通过弹性的起落装置与机体相连；考虑机体的4 个自由度（纵向位移、侧向位移、俯仰运动、横滚运动）。按照机体的振频振型根据机体以其固有频率振动时的最大动能与位能及耗散的能量均与当量系统相等的原则在桨毂中心处对机体进行当量化处理，得出机体的当量质量、当量刚度[87，92]。机体振动系统就简化为旋翼旋转平面内桨毂中心处的当量化的质量−刚度系统。最后建立旋翼−机体耦合运动方程并进行稳定性分析。

4.3 着陆性能实验室测试

着陆性能试验是验证多足地形自适应起落装置的系统设计效果和控制算法的必要手段，考察其在着陆环境下的起降安全性和稳定性[93]。通过在实验室条件下构建典型的结构地形（包括平地、斜坡、复杂地形）以及六自由度运动平台模拟舰面运动，在实验室完成仿生腿起落架的着陆性能测试。

在实验室构建典型结构地形测试时，需要从几何维度和物性维度两个层次进行：几何维度主要指地貌的高低起伏、地质的松软硬实、颗粒度大小粗细等参数，影响起落装置的着陆点位置，进而影响机身的静态稳定性；物性维度主要指待降落区的等效刚度、阻尼系数、密度、含水率、容量、黏度等参数，对起降的动态稳定性有影响，也是共振抑制的重要外部影响因素。所以，构建模拟着陆环境[94]的落区工况，应模拟地面起伏的形貌数据和局部刚度-阻尼数据组合，模拟尽可能真实的着陆环境特征。

在模拟结构地形条件下，开展自适应起落装置的落震等效试验[95]，测试起落装置在不同的着陆接地速度、着陆重量、接地姿态下的缓冲能力，对载荷情况进行分析，并验证起落装置的设计参数、结构强度和刚度是否满足设计要求。自适应起落装置的落震等效试验的原理如图17所示。

如图17所示，将起落自适应起落装置系统安装于具有足够强度和刚度的模拟机身上，并按设计承载能力对模拟机身进行配重，将起落装置及模拟机身从规定高度释放，使其撞击模拟结构地形，测量撞击过程的加速度、应变、位移，并同步记录模拟着陆撞击过程，以分析自适应起落装置系统的着陆性能，为系统优化和外场真实地形着陆试验奠定基础。

4.4 着陆性能飞行测试

在通过实验室落震等效试验的测试与验证后，说明多足地形自适应起落装置具有一定的着陆稳定性，将自适应起落装置通过机身连接件安装在垂直起降飞行器的下方，在外场真实非结构地形条件下开展着陆测试。外场试验用于测试起落装置在不同非结构地形条件下的着陆缓冲能力，以及地形识别-腿部闭环控制-飞控系统的协同控制效果。

对于多足地形自适应起落装置的着陆性能飞行测试，目前没有形成标准的方法。各仿生多足起落装置研究机构均是在外场环境中构建一些典型的斜坡、台阶地形或借助已有的台阶地面进行飞行着陆试验，看是否能够完成自适应着陆[11， 15-16]。多足地形自适应起落装置在适当保护下进行试验，通过数据链路，观察垂直起降飞行器能否可以保持在初始位置，能否保证不产生沿斜面向下的运动。着陆性能飞行测试时，需要完成垂直起降飞行器的外场飞行试验[96]，然后进行多足地形自适应起落装置装机飞行，需要完成垂直起降飞行器的姿态观测与多足地形自适应起落装置数据监测。测试时的数据监测逻辑关系如图18所示。

此时，通过机载数传/图传，可以用地面站监测垂直起降飞行器的飞行状态，并监测地形识别系统传递给垂直起降飞行器飞控系统的地形建模数据。多足地形自适应起落装置的工作状态，如关节扭矩、足端位置、力矩等数据信息通过上位机监测，起落装置腿部闭环控制系统的控制器由垂直起降飞行器搭载，通过无线路由器与上位机通信。

5 总结与展望

多足地形自适应起落装置所具有的地形适应性强、智能化水平高、不受起降地面限制等优势，是传统的滑橇式与机轮式起落架无法比拟的，将有效提高垂直起降飞行器对复杂极端着陆地形的适应能力，拓展垂直起降飞行器的应用范围。所以，针对多足地形自适应起落装置的研究将会吸引更多的科研机构投入研发，设计方法和研究体系也将逐渐趋于完善。

目前，多足地形自适应起落装置作为一项新的研究领域，基于多足机器人的研究经验和传统起落架的测试与试验方法拓展，目前还处于方法与体系的探索阶段，只有初步的研究成果，未形成体系化的研究方法，更无相关的研究标准。基于现有研究经验，本文讨论了腿部轻量化结构与驱动一体化技术、地形识别-腿部闭环控制-飞控系统的协同控制技术、机体集成与试验验证技术等关键技术，也基于关键技术说明了自适应起落装置的设计与研究方法。这些关键技术是多足地形自适应起落装置技术突破的关键点，也是未来研究中需要突破的技术壁垒。所以，在多足地形自适应起落装置研究中，其发展方向可以总结为：

（1） 系统重量控制轻量化：目前腿部系统重量占最大起飞重量的比值较高，需要进一步减重，为垂直起降飞行器留出更多的载重能力空间。

（2） 驱动功率控制高效化：无论是电驱动还是液压驱动，都需要能量供给，进一步降低能耗，提升驱动系统的功率密度，提升自适应起落装置的承载能力和续航能力。

（3） 腿控飞控融合智能化：地形识别-腿部闭环控制-飞控集成一体控制，是实现自动、自主、智能的关键环节，需要进一步提升控制品质和自主能力。

（4） 综合性能评估实用化：自适应起落装置的试验与验证方法需要形成完整的评价体系，特别是系统的可靠性、测试性、保障性、环境适应性等的评价标准与测试方法需要综合提升。