盖世汽车讯 仅有一个活动部件的飞行机器人听起来似乎很简单，但要对其进行精确控制却绝非易事。大多数传统无人机依靠多个旋翼来控制升降、转向和移动；相比之下，对于仅配备单个致动器的机器人而言，当其偏离航向、遭遇干扰或达到电机性能极限时，可用于自我修正的手段要少得多。

据外媒报道，新加坡科技设计大学（SUTD）的研究人员开发出一种控制方法，使这种极简设计的飞行机器人能够预判后续动作，并更精确地沿复杂路径飞行。

图片来源：SUTD

这项发表于期刊《IEEE机器人学汇刊》（IEEE Transactions on Robotics）的研究题为《基于混合旋转动力学与INDI的单执行器单旋翼飞行器非线性模型预测控制》，其所提出的方法在SAM（即“受枫树种子启发的单执行器单旋翼飞行器”）上得到了验证。

SAM的设计灵感源自枫树种子下落时的自旋运动；它通过高速旋转产生升力以维持飞行，并仅利用单个执行器同时实现升力与方向控制。这种紧凑轻便的设计也带来了一项工程权衡：由于仅靠单个执行器控制运动，实现精确的轨迹跟踪变得尤为困难。

利用单个执行器预测运动

该方法的核心在于非线性模型预测控制（NMPC）。NMPC 不会等到 SAM 偏离预定路径后再进行修正，而是预测机器人接下来短时间内的运动趋势，并据此规划控制动作。

研究人员将该方法与增量非线性动态逆（INDI）相结合；INDI 利用实时反馈，在机器人遭遇扰动或存在建模误差时能够迅速进行修正。

此外，团队还开发了一种混合模型，能更准确地捕捉 SAM 快速旋转与倾斜运动之间的相互作用，从而为预测控制器提供符合物理规律的 SAM 运动表征。

“这项工作体现了 SUTD 的工程设计理念：我们从真实的物理原理——即本例中枫树种子的被动旋转运动——出发，将其与先进的控制技术相结合，从而赋予该系统实际应用价值。我们面临的挑战不仅仅在于制造一个小型飞行机器人，更在于理解设计、动力学与计算如何在高度受限的系统内协同运作，” SUTD 工程产品开发（EPD）学科群副主任冯绍辉（Foong Shaohui）教授说道。

测试不同机翼设计

为了验证该方法，研究人员利用三种版本的 SAM（短翼、长翼和超轻翼变体）进行了飞行试验。每种版本都带来了不同的挑战，包括升力效率较低、机翼发生形变，以及推力和控制能力受限等问题。

短翼和长翼 SAM 在圆形、8字形及高架圆形路径上进行了测试，其中包括某些飞行点所需的致动器输入超出了平台物理极限的轨迹；此外，它们还在由风扇产生的气流扰动环境下进行了测试。超轻翼 SAM 则在圆形轨迹上进行了评估，并测试了其携带 5 克有效载荷时的表现。

在严苛工况下实现更精准的轨迹跟踪

在各项实验中，所提出的 NMPC+INDI 方法的表现优于以 INDI 为基准的“基于微分平坦性（Differential Flatness）的控制器”。对于长翼型 SAM，位置均方根误差（RMSE）最多降低了 39.5%；短翼型 SAM 的该项误差降低了 37.2%；而超轻翼型 SAM 的速度误差降幅则高达 43.5%。

该研究的主要作者 Emmanuel Tang 博士表示：“SAM 仅有一个运动部件，从机械结构上看十分简单，但这种简洁性却给控制带来了极大的挑战。”

“由于整个系统仅依赖单一执行器，因此必须精确规划并把控每一个电机指令的执行时机。我们的研究表明，通过赋予机器人预测性规划能力，即便在面对复杂飞行轨迹、风力干扰或额外负载的情况下，也能让这一高度欠驱动系统实现更精准的飞行。”

走出实验室的步伐

研究结果表明，通过更有效的控制手段，无需增加电机或活动部件，即可提升机械结构简单的空中机器人的性能。从长远来看，此类平台有望应用于环境感知和气候监测等领域，特别是在需要设备紧凑且便于规模化部署的场景中。

该技术目前仍处于实验阶段。现有的飞行测试是在室内进行的，采用了 OptiTrack 动作捕捉系统并依赖外部算力。未来的研究将致力于降低平台对外部动作捕捉系统的依赖，并将更多计算任务转移至机载系统上；这些都是推动此类系统走出实验室、走向实际应用的关键步骤。

“SAM 的魅力在于它将极简的机械结构与旋转枫树种子般的被动稳定性结合在了一起。这使它成为一种独特的空中机器人：既高效、轻便且具备潜在的规模化应用能力，又极难控制。通过改进对这种极简平台的操控方式，我们正为未来的空中系统铺平道路——这些系统有望大规模部署，用于环境感知和气候监测等任务，”Foong 补充道。