基于Kresling折纸结构双稳态空间的无人机着陆系统新结构

摘要：本文利用动捕技术对无人机着陆系统模型进行动力学分析，对折纸结构双稳态着陆系统性能进行测试，为无人机着陆系统结构设计提供创新方法。

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近期，一篇关于无人机着陆系统的研究论文“Evolution of UAV landing structures in the bistable space of Kresling origami structures”在《IEEE机器人与自动化快报》IEEE Robotics and Automation Letters上发表。

可靠的着陆系统能够辅助无人机完成复杂任务，为昂贵的机载设备提供保护。现有的多数无人机着陆系统仅能满足特定场景下的使用需求，而在多种不同场景下的适应能力欠佳。

研究团队受到折纸结构启发，设计了一套基于Kresling折纸结构双稳态的无人机着陆系统算法模型。

借助动作捕捉系统获取着陆结构位姿数据，验证了新结构的性能。该系统能够通过约束生成过程自动生成无人机着陆时所需的结构，适应多种复杂地形。

对实物模型的室内及室外实验验证显示，这种新结构能够显著提升无人机着陆过程中的减震能力，提高安全性。

无人机着陆室外实验

折纸结构

折纸是一种古老的艺术。许多研究者对折纸中的双稳态特性进行过研究，并广泛应用在机器人系统、医疗、建筑等领域。

研究团队以具有四个折痕的Kresling管的双稳态空间为基础，应用图语法规则和刚性构件的二元规则简化折纸结构的空间图表示。利用图启发式搜索算法建立了一种新的空间搜索框架。

图1：折纸结构的图形信息

对比实验

研究团队根据模拟设计结构制造实物模型，以NOKOV光学动作捕捉系统作为分析工具，对实物模型进行动力学分析，分别在室内以及多种室外环境中对着陆系统的性能进行了测试。

选取了三种无人机着陆系统模型进行对比实验：一种是传统的无人机，没有单独安装着陆系统；第二种是加装了着陆系统，但没有采用双稳态结构设计；第三种是加装了本实验团队所设计的着陆系统，使用双稳态结构设计。

1、室内实验：

室内实验中，对三种着陆结构进行室内性能验证试验20次。下图展示了室内实验中三种着陆系统在接触地面2.5秒内的速度和加速度变化。

图2：不同着陆结构的速度和加速度比较

双稳态着陆结构将集中的冲击力转化为分散的较小的冲击力。该设计依靠折纸结构的变形将向下的冲击力转化为弹簧中的能量，提高了着陆过程中对无人机的保护。

表1：不同着陆结构的参数比较

2、室外实验：

为了进一步验证双稳态着陆结构的综合性能，研究团队在室外的平地、草地和坡度为15度的不平整地面上分别进行了实验。双稳态着陆结构在所有地形下的表现都优于另外两种结构，能够在无人机降落时根据当时所处的地形条件，选择最适宜的结构形态，以实现更平稳着陆，加强减震效果。

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参考文献：

Haichuan Li, Zhenpeng Du, Cai Luo, Evolution of UAV Landing Structures in the Bistable Space of Kresling Origami Structures, IEEE Robotics and Automation Letters, Volume: 8, Issue: 4, April 2023, ISSN: 2377-3766

原文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10048537