摘要：东京大学工学院赵漠居课题组提出了关于可在空中自由合体分离的组合式无人机的结构设计、控制及动作规划的理论，并通过真机实验实现了该无人机群在实现合体、分离功能及在组合状态下的作业能力。

  无人机因其高机动性和稳定能力，正渗透到社会的方方面面，目前在空中摄影等领域已经被大范围的应用。为了进一步拓宽其应用场景，近年来具有各种高级功能的机体正不断被开发研究。其中,利用无人机在高处进行危险作业的方向非常关注。但是，在将无人机作为可操作机器人使用这一方面，有一个重要的问题尚未解决。即在大型机体的高出力和小型机体的高机动性之间进行取舍。以利用无人机在工厂，高空管道等场景下进行高空作业为例，上述的情况下常常会存在各种复杂的建筑构造，因此大型无人机的自由移动非常难以实现。另一方面，小型无人机因为输出功率和自由度不足等问题，难以完成既定任务。

  我们课题组针对以上问题提出了相对简单且有效的解决方案。如图一所示，在我们研究并开发出了首先由小型无人机进行移动，在执行相应任务时合体构成大型无人机的系统。在该项目中，我们重点研究了可合体和分离的组合式无人机相关的结构设计、控制及动作规划，并在实验中验证了该系统在实现合体、分离功能及在组合状态下的作业能力。该成果已经发表于 Advanced Intelligent Systems 。

  该机器人被命名为TRADY(Tilted-Rotor-Equipped Aerial Robot With Autonomous In-Flight Assembly and Disassembly Ability)。为实现合体动作和提高组合后的机体性能，其搭载了倾斜式四旋翼。虽然其在未组合时以欠驱动系统来进行控制。但通过组合，对整体进行全驱动控制变得可能。此外，团队从战斗机空中加油中受到启发、为各个模块的无人机配备了能轻松实现稳定合体和平滑分离的链接机构。通过上述系统，TRADY可以如图2(A)、2(B)所示进行高鲁棒性的空中合体和分离动作。

  在空中合体动作方面，如何设计使得两机在规避危险区域的同时到达合置的动作规划十分重要。在该研究中，我们利用了FSM（有限状态机）进行动作规划。在该方法中，两机在不断接近合置的过程中如果进入了危险区域，会立即进入躲避状态并做出相应动作。借此，两个机体可以在避免撞机的同时实现合体。

  同时，我们想简单说明在控制方面采用的技巧。即处于组合状态下两个无人机之间不进行通信，而是仅利用各机体搭载的传感器进行姿态控制。这样在组合前后就不必完全改变控制模型，不过这也会导致控制器的离散化。通常而言，这种剧烈的变化可能会对无人机的飞控产生致命影响。该研究中，我们在切换单体飞行和组合飞行状态下的控制模型时逐渐改变控制作用的强弱。通过上述独特的过度方法，实现了抑制电机输出力矩过大和稳定切换控制模型的功能。

  在实际验证了该系统的空中合体能力后，我们同样针对合体状态下TRADY的工作上的能力进行了实验。为了验证图3(A)中的位置追踪功能，我们尝试利用无人机将细长钉插入到管道中。虽然在通常状态下，四旋翼无人机在进行平面运动时机身会倾斜，使得上述插入动作变的十分困难。但是在合体后，通过全驱动控制，插入动作得以实现。此外，为了验证图3(B)中机体的输出力矩，我们利用其进行工业阀门的开关。在上述实验中，我们得知组合状态下的机器可以输出约9倍于单体无人机的力矩。相对于两台无人机分离进行协同作业展现出了明显的优势。

  本次开发的空中合体系统不但可以扩展无人机的应用场景范围，并能实现无人机的相互组合，在高层建筑的建造方面具有十分可观的应用前景。

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