哈工大雙模微型機(jī)器人登上IEEE，會(huì)省電還會(huì)雜技？

在科幻電影中，空間站里常有一種靈巧穿梭、自主作業(yè)的小型飛行器。如今，這種想象正逐漸照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，一款重量?jī)H600克、直徑9厘米的微型自主飛行機(jī)器人，剛剛在學(xué)術(shù)舞臺(tái)上驚艷亮相。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表論文，提出一種名為FRDP的新型空間站自由飛行機(jī)器人。與以往同類機(jī)器人相比，它不僅體積小、重量輕，還獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了雙模態(tài)推進(jìn)系統(tǒng)：既能像節(jié)能車一樣安靜巡航，又能像特技飛行器一樣靈活機(jī)動(dòng)。

這意味著，未來(lái)在空間站狹小環(huán)境中，機(jī)器人既可以執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的巡檢任務(wù)，也能完成高精度、多角度的拍攝與檢測(cè)工作。而這背后，隱藏著一套精巧的機(jī)械與算法智慧。

▍空間站的新員工：從冗余設(shè)計(jì)到矢量推進(jìn)

人類探索太空的步伐不斷加快，航天員在軌參與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)也日益增多。然而，許多日常、重復(fù)性的工作如果由航天員手動(dòng)完成，在有限的在軌時(shí)間內(nèi)效率并不高。

過(guò)去十余年，利用自由飛行機(jī)器人進(jìn)行巡檢、傳感器讀數(shù)等遠(yuǎn)程作業(yè)，逐漸成為空間站運(yùn)維的有效方式。早期的飛行機(jī)器人大多依賴壓縮空氣推力器，但其需要人工更換消耗品，使用不夠便利。后來(lái)，采用風(fēng)扇推進(jìn)的機(jī)器人逐漸發(fā)展起來(lái)。

例如，國(guó)際空間站上的Int-Ball機(jī)器人，雖然能夠全方位移動(dòng)、執(zhí)行拍攝和巡檢，但由于過(guò)分追求小型化，其負(fù)載能力有限，自主避障和定位能力也受到制約；Astrobee雖然自主能力強(qiáng)，但體積和重量也相對(duì)較大等等。

五種不同?由??機(jī)器?與FRDP的?較

航天器載荷寸土寸金，空間站內(nèi)部空間同樣寶貴。如何在小型化與高性能之間取得平衡，成為自由飛行機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)推進(jìn)器通常只能產(chǎn)生單一方向的推力，為了實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)控制，大多數(shù)機(jī)器人采用多個(gè)推力器+飛輪的冗余配置方案，但這不可避免地增加了機(jī)器人的重量與體積。

更關(guān)鍵的是，在執(zhí)行特定方向的移動(dòng)或姿態(tài)調(diào)整時(shí)，往往只有少數(shù)推進(jìn)器在工作，其余則處于閑置狀態(tài)，這導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的利用率不高，也造成了能源的浪費(fèi)。

有沒(méi)有可能減少推進(jìn)系統(tǒng)的冗余，同時(shí)保持甚至增強(qiáng)其機(jī)動(dòng)性？研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了矢量推進(jìn)技術(shù)。

▍靈感來(lái)自直升機(jī)：雙矢量推進(jìn)結(jié)構(gòu)如何工作？

矢量推進(jìn)并非新概念，直升機(jī)的旋翼槳距調(diào)節(jié)就是典型例子：通過(guò)改變槳葉角度，即可調(diào)整推力的方向與大小。

但傳統(tǒng)直升機(jī)那樣的結(jié)構(gòu)對(duì)于微型空間機(jī)器人來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜脆弱。

哈工大團(tuán)隊(duì)提出了一種更簡(jiǎn)潔、可靠的雙矢量推進(jìn)模塊，并將其集成在直徑僅9厘米的圓柱形機(jī)身兩側(cè)。

每個(gè)推進(jìn)模塊主要由一個(gè)涵道風(fēng)扇、一個(gè)導(dǎo)流片、一個(gè)齒輪電機(jī)和一個(gè)磁編碼器組成。涵道風(fēng)扇負(fù)責(zé)產(chǎn)生基礎(chǔ)推力，而導(dǎo)流片則像一扇可以轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)向門(mén)，通過(guò)改變氣流噴射方向，從而控制推力輸出的方向。

關(guān)鍵在于，每個(gè)推進(jìn)模塊產(chǎn)生的推力方向與大小均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。通過(guò)左右兩個(gè)模塊的協(xié)同配合，即可合成出三維空間中的力與力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人六自由度（前后、左右、上下、俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)）的精確控制。

此外，導(dǎo)流片外表面還設(shè)計(jì)有葉片，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣阻力，從而額外產(chǎn)生俯仰方向的控制力矩，進(jìn)一步增強(qiáng)了姿態(tài)調(diào)整能力。

在這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)加持下，僅用四個(gè)執(zhí)行器（兩個(gè)風(fēng)扇+兩個(gè)伺服電機(jī)）就能實(shí)現(xiàn)六自由度的全向控制，大幅減少了推進(jìn)系統(tǒng)的冗余與重量。

FRDP的分解圖和機(jī)械設(shè)計(jì)

▍兩種模式，一種機(jī)器人：能省電還會(huì)耍雜技

如果說(shuō)創(chuàng)新的機(jī)械設(shè)計(jì)賦予了FRDP一身好筋骨，那么雙模態(tài)控制策略則為其注入了能適應(yīng)不同任務(wù)的智慧大腦。

研究團(tuán)隊(duì)為FRDP設(shè)計(jì)了兩種可切換的工作模式：

節(jié)能模式：適用于長(zhǎng)距離巡航、巡檢等任務(wù)。在該模式下，導(dǎo)流片保持固定角度，引導(dǎo)氣流集中沿機(jī)器人主軸線方向噴射，形成聚焦、定向的氣流場(chǎng)。這種方式能量利用效率最高，能最大程度延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，猶如機(jī)器人的巡航模式。

性能模式：適用于需要高機(jī)動(dòng)性、精確位姿控制的任務(wù)，如跟蹤拍攝、設(shè)備近距離檢測(cè)等。此時(shí)，兩個(gè)推進(jìn)模塊的導(dǎo)流片保持連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)精準(zhǔn)控制風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)周期特定時(shí)刻的開(kāi)關(guān)，可在特定方向上產(chǎn)生等效推力。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)流片與空氣摩擦產(chǎn)生額外氣動(dòng)扭矩，進(jìn)一步增強(qiáng)姿態(tài)調(diào)整能力。

這好比機(jī)器人的特技模式，雖然能耗較高，但獲得了更寬廣的推力矢量調(diào)節(jié)范圍和更敏捷的機(jī)動(dòng)能力，甚至能實(shí)現(xiàn)類似原地轉(zhuǎn)向、橫向平移等復(fù)雜動(dòng)作。

FRDP的?流場(chǎng)。(a) FRDP在節(jié)能模式下的?流場(chǎng)。(b) FRDP在性能模式下的?流場(chǎng)。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真與理論分析證明：對(duì)于同樣的實(shí)際推力輸出，性能模式在機(jī)器人主平面內(nèi)能產(chǎn)生的最大等效推力僅為節(jié)能模式的約1/π，機(jī)動(dòng)性的提升確實(shí)以犧牲能量效率為代價(jià)。因此，在實(shí)際任務(wù)中可根據(jù)需求智能切換模式，達(dá)到續(xù)航與性能的最佳平衡。

▍大腦與小腦：分層智能控制如何實(shí)現(xiàn)？

要讓這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)新穎、模態(tài)可變的機(jī)器人穩(wěn)定自主飛行，離不開(kāi)強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)為其設(shè)計(jì)了一套結(jié)合非線性模型預(yù)測(cè)控制（NMPC）與PID控制的雙層控制器架構(gòu)。

上層大腦（NMPC）負(fù)責(zé)規(guī)劃。它根據(jù)任務(wù)要求（如設(shè)定的飛行軌跡），在考慮機(jī)器人復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型和各種約束條件下，在線實(shí)時(shí)求解優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)所需的理想推力與角速度指令。這種預(yù)測(cè)控制方法讓機(jī)器人行動(dòng)更具前瞻性。

下層小腦（PID控制與分配器）負(fù)責(zé)執(zhí)行。PID控制器接收NMPC下發(fā)的角速度指令，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)計(jì)算出實(shí)現(xiàn)該姿態(tài)變化所需的精確控制力矩。

隨后，控制分配器這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)登場(chǎng)。它需要解決一個(gè)核心問(wèn)題：如何將上層計(jì)算出的“合力與合力矩”指令，最優(yōu)地分解并分配給兩個(gè)推進(jìn)模塊的四個(gè)執(zhí)行器（兩個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、兩個(gè)導(dǎo)流片的角度或轉(zhuǎn)速）？

針對(duì)兩種不同模式，分配器的算法也截然不同。在節(jié)能模式中，它求解一個(gè)非線性規(guī)劃問(wèn)題，找出合適的推力大小和固定導(dǎo)流角。在性能模式中，問(wèn)題更復(fù)雜，需要同時(shí)求解風(fēng)扇開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)、導(dǎo)流片旋轉(zhuǎn)速度等八個(gè)控制變量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間力和力矩的精準(zhǔn)跟蹤。

這套分層、分模態(tài)的控制體系，確保了FRDP無(wú)論在哪種模式下，都能將高層的任務(wù)指令，轉(zhuǎn)化為底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的動(dòng)作。

▍從仿真到地面實(shí)驗(yàn)：小身體有大能量

為了驗(yàn)證FRDP的設(shè)計(jì)與控制算法的有效性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列仿真與物理實(shí)驗(yàn)。

在仿真模擬環(huán)境中，F(xiàn)RDP成功完成了復(fù)雜的三維軌跡跟蹤任務(wù)。數(shù)據(jù)顯示，性能模式的軌跡跟蹤精度顯著高于節(jié)能模式（例如在X方向平均絕對(duì)誤差從2.94厘米降至0.55厘米），但同時(shí)其能耗也更高，印證了“性能-能效”的權(quán)衡關(guān)系。

在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員測(cè)量了FRDP的真實(shí)推力。在節(jié)能模式下，其主平面內(nèi)最大推力可達(dá)0.82N；在性能模式下，等效最大推力約為0.21N。據(jù)此推算，這臺(tái)僅0.6公斤的機(jī)器人能產(chǎn)生超過(guò)1.3m/s2的最大加速度，機(jī)動(dòng)性優(yōu)于許多現(xiàn)有空間站飛行機(jī)器人。

FRDP的推?測(cè)量結(jié)果。(a)節(jié)能模式下的主推?。(b)性能模式下的主推?。(c)橫向推?

由于難以在地面復(fù)現(xiàn)真實(shí)微重力環(huán)境，團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)地基微重力模擬平臺(tái)。該平臺(tái)通過(guò)水平跟隨系統(tǒng)與垂直重力補(bǔ)償系統(tǒng)，讓?xiě)覓斓腇RDP能在三維空間內(nèi)近似自由飛行。

在該平臺(tái)上，F(xiàn)RDP成功演示了環(huán)繞物體的飛行動(dòng)作，驗(yàn)證了其在實(shí)際物理系統(tǒng)中的控制能力。盡管存在平臺(tái)跟蹤精度和懸吊系統(tǒng)振蕩帶來(lái)的誤差，但實(shí)驗(yàn)充分證明了原型機(jī)和控制系統(tǒng)的可行性。

FRDP地?軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)的快照

從靈巧的雙矢量推進(jìn)結(jié)構(gòu)，到智慧的雙模態(tài)控制策略，F(xiàn)RDP為未來(lái)空間站微型自主機(jī)器人提供了一種全新的設(shè)計(jì)范式。隨著后續(xù)自主路徑規(guī)劃、多模態(tài)智能決策等技術(shù)的融入，這樣的“空間小飛俠”有望在未來(lái)空間站的日常運(yùn)維、科學(xué)實(shí)驗(yàn)支持乃至航天員輔助作業(yè)中，扮演越來(lái)越重要的角色。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11349688