作 者：周乐, 尹乔之, 魏小辉, 孙文宇, 梁伟华, 聂宏
单 位：南京航空航天大学
文章亮点：旋翼无人机在民用和军用领域被广泛应用，但传统橇式起落架在复杂地形下难以起降，为了扩大旋翼无人机的降落面积和应用范围，设计一种仿人腿式两级缓冲自适应起落架。通过对仿生腿的正逆运动学分析，提出一种自适应起落架姿态调整策略；建立仿生四足六旋翼无人机着陆动力学模型，基于多体动力学软件simcenter 3D开展着陆动力学仿真，并与传统橇式起落架进行着陆性能对比研究。结果表明：着陆腿式的两级缓冲自适应起落架及其姿态调整策略，能够使滚转角减小95.69%，过载系数降低34.06%，两级缓冲自适应起落架在面对复杂地形时具备主动调节姿态安全着陆的地形适应能力和极好的减震缓冲能力。
研究背景：旋翼无人机具有易部署、低成本、垂直起降和定点悬停等优势，在野外探测、灾害救援和边境巡逻等民用和军用领域都被广泛应用。
起落架作为飞行器地空交接的核心部件，是保证飞行器起飞和着陆安全的关键。与固定翼飞行器相比，旋翼无人机不需要长而直的跑道，但需要在平坦的区域进行起降。平整场地降低了起落架的设计要求，但限制了飞行器在自然复杂地形环境下的起降能力。传统的旋翼无人机起落架常采用橇式设计，其结构简单、重量较轻，但对于着陆地形的要求比较高，需要地面平坦且倾斜角度小，因此传统无人机起落架在面对砾石、斜坡等复杂地形时通常无法正常起降。现有的解决办法是建造专门的起降平台使无人机往返来完成起降过程，但对于灾难救援和野外探测等任务，需要无人机在倾斜地形或野外不平的地面上起降，这种解决办法严重限制了无人机的使用范围。
随着执行任务的现代化和复杂化的程度不断提高，对飞行器的要求越来越高。为适应复杂野外环境着陆和复杂应用场景的需求，提高旋翼无人机的地形和环境适应能力，国内外开展了自适应起落架的研究来克服着陆地形对其的限制，拓宽旋翼飞行器的适用范围。Boix等设计出一种利用比例铰接式的起落架，通过驱动电机主动调节起落架的结构以适应复杂地形；Stolz等提出了一种结构简单的四腿单自由度起落架，电机和制动器并联布置以减轻硬着陆期间电机的冲击力；桑喆等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；张伟哲等在传统无人机起落架设计方案的基础上提出了设计更改方案，验证了其工程可行性和地形自适应方面的改善作用；刘昊林等设计了一种基于多连杆机构的仿生腿式起落架系统，实现了其在复杂地形上的平稳着陆。
目前研究的自适应起落架大多数采用简单连杆的可移动起落架，刚性框架的固定设计会产生较大冲击力，但是大多数小型无人机设计中很少考虑冲击力的影响，针对小型无人机的自适应起落架缓冲结构设计比较简单。随着旋翼无人机用途的不断拓展，无人机的重量和下沉速度也逐渐增大，对自适应起落架的设计要求也越来越高。Zhang K等将Sarrus减震器和软着陆垫与一自由度驱动机构集成在一起构成起落架系统以适应不同的表面结构，并降低冲击载荷；Ni X等设计了一种新型的带被动缓冲结构的多旋翼无人机四腿起落架，验证了其自适应着陆和缓冲能力。为了促进旋翼无人机在各种地形结构、天气条件、着陆模式和速度下的动态着陆，着陆机构不仅需要适应不同的地形结构，还应该具有较好的吸收冲击能量的缓冲功能。
本文基于形态仿生的理念设计一种新型两级缓冲自适应仿生腿式起落架，据此建立六旋翼无人机着陆动力学模型，基于simcenter 3D开展着陆动力学仿真，并与传统橇式起落架进行着陆性能对比。
结束语：
1） 本文设计的具有两级缓冲的自适应起落架，提高了旋翼无人机在复杂自然地形环境下的起降能力。
