SpiderMAV：無人機棲息和穩定飛行解決方案

憑藉改裝的DJI Matrice 100 無人機，英國倫敦帝國理工學院空中機器人實驗室的研究人員完成了一種全新棲息技術的概念驗證，並於2017年末在溫哥華舉行的智慧型機器人和系統（IROS）會議上展示了該技術。

SpiderMAV類比了一種蛛網支撐結構，其附加模組能夠射出類似於蛛絲的繩索，幫助無人機懸浮在附近表面上。

為什麼棲息功能有價值？

對於無人機而言，風速變化時保持飛行穩定是一項艱巨的任務，演算法處理的內容非常多，需要消耗大量能量。節能研究通常並不那麼令人激動，然而Mirko Kovač博士解釋說：“空中機器人技術的主要挑戰之一是飛行時的高能耗，這不僅限制了系統重量——低於2千克（或4.4磅），而且限制了飛行時間——通常只有幾十分鐘。”延長飛行時間對於今天的無人機技術以及未來飛行機器人的可能性來說無疑具有巨大的價值。

棲息技術不僅可以節省能量，而且還可以讓無人機懸浮在空中，從而獲得穩定性和精確度。風的變化不利於感測、檢驗或攝影無人機的運行。

棲息功能的另一個價值是允許無人機在危險或不安全的條件下更加自主。“該技術的一個核心應用領域是深礦，比如無人機可以在礦井中執行測繪任務、取樣任務，以及查找貴金屬位置等”，Kovač表示。

研究人員還在考慮如何能夠讓飛行機器人進行增材製造，比如3D列印或ad-hoc構造，以修復受損表面。只有棲息技術能夠同時提供飛行穩定性和能效時，人們才能實現這種類型的機器人無人機技術。

近期潛在應用包括：天氣條件變化時（比如暴風雨的強風）實現無衝擊影片拍攝。我們不建議在強風中飛行無人機，但是以下視訊描述了在大風中導航無人機的一些注意事項。

piderMAV如何棲息？

SpiderMAV利用兩個附加模組實現穩定的空中棲息。安裝在無人機頂部的是棲息模組，安裝在無人機底部的是穩定模組。兩個模組採用了相同的射極和錨固技術，不同的是頂部的棲息模組豎直向上射極繩索以固定無人機的垂直方向，而底部的穩定模組使用水平錨線固定機身。

模組利用壓縮氣體射極一塊栓有聚苯乙烯繩索的磁鐵。將磁鐵固定到諸如梁或金屬片之類的磁性表面之後，機器的捲繞系統將繩索捲入，從而將繩索拉緊。無人機穩固後，可以降低馬達速度，或者完全斷路馬達。

在測試中，研究人員用風扇類比側風，在沒有任何穩定繩索的情況下，懸停的DJI在x軸上偏移了5.4英寸，在y軸上偏移了15.2英寸，在z軸上偏移了4.2英寸。風扇類比條件不變，測試SpiderMAV時，由於配備了穩定功能，其空間偏移在x軸上減小到1.9英寸，在y軸上減小到3.1英寸，在z軸上減小到2.9英寸。除了穩定性顯著增加之外，電池消耗也幾乎降低到了零。

SpiderMAV的靈感

裝置名稱含有“Spider”（蜘蛛）字樣，顯而易見，研究人員從蜘蛛身上獲得了靈感。

為SpiderMAV帶來靈感的蜘蛛叫做達爾文樹皮蜘蛛。在這個展示運動中的蜘蛛視訊中，您可以看到蜘蛛如何吐絲，然後透過風形成一條82英尺長的錨線。這種動物用蛛絲製作強力支撐結構的能力為研究團隊帶來了靈感。

倫敦帝國理工學院的研究人員正在將仿生作為許多設計的核心功能。“仿生設計成功的核心是從生物學中抽象基本設計原則，以及如何使用最先進的技術在機器人領域實現相應設計”，Kovač表示。

當然，靈感來自自然界的技術並不是什麼新鮮事，比如飛行蝙蝠機器人（Bat Bot），還有由各種動物啟發的六足機器人等等。

未來研究

到目前為止，SpiderMAV仍然是一個概念驗證，只是展示了這種功能研究所帶來的直接好處。雖然錨固機制有了技術原型，但是研究人員尚未研究出SpiderMAV如何脫離其棲息位置——這是實現全功能模組的重要部分。

此外，研究團隊正致力於研發其他錨固系統（非磁力）。雖然磁鐵對金屬表面非常有效，但為了讓錨定功能在現實世界中使用，系統需要適應金屬以外的其他材料。

為了說明這種錨線製造技術如何用於機器人無人機，研究團隊用兩架無人機合作編織了一個支撐網，並拍攝了相關視訊。“透過這種方法，繩索就像一個智慧結構，可以纏繞到任何幾何體上”，Kovač表示。