稳准狠! 斯坦福无人机空中捕猎，12毫秒精准捕获，猎鹰附身一抓一个准

无人机又多了一项逆天技能——空中捕猎！

前方一架小无人机正常飞行，突然身后冲出一架“猛禽”无人机，像被猎鹰附体般以迅雷不及掩耳之势，一把抓住小无人机，然后带着它迅速飞走……

好家伙，用无人机来抓无人机，而且没有网兜，直接上爪，这是哪位大神做出来的？

还记得之前登上Science子刊封面的那个带爪子的「仿生鸟」无人机吗？由斯坦福大学的科研团队研发，能栖息在许多不同的表面上，号称无人机中的“蜘蛛侠”。

而这次学会空中捕猎的无人机正是「仿生鸟」的延续版，斯坦福大学的研究人员将重心从“栖息”转移到“抓捕”上，设计了更轻快的爪子，虽然没有了“大长腿”，但空中抓捕的技术有了更大的突破！

这个最新的爪子能在12毫秒内迅速捕获“猎物”；无人机整机重550g，能够以1 m/s到2.7 m/s的不同速度抓捕85g重的小无人机猎物！

▍12毫秒抓捕稳准狠，比“大长腿”更强的爪子怎么设计？

能稳准狠地抓住飞行中的无人机，究竟是如何做到的呢？

首先要清楚的是，空中抓捕包括三个不同的阶段：碰撞前追逐目标、捕获、然后成功飞行。其中，最大的挑战是最后一步——捕获后的成功飞行。

之前的长腿「仿生鸟」无人机也能实现一些简单的抓捕任务，例如：抓住一个小球。

抓取静态物体对无人机产生的干扰较小，因此相对简单；相比之下，抓取动态的物体就完全不同了，无人机非常容易被目标带“跑偏”，一不小心就会翻车。

为了尽可能地减少干扰，使无人机在抓捕目标后保持稳定，爪子的设计非常重要！关键词是「轻」和「快」：重量减轻可以使惯性最小化，而快速抓握能够避免目标逃跑！

抱着这样的目的，研究人员开发了一个安装在柔性悬架上的被动触发抓取器，与传感器监测方式相比，被动触发机制能够让抓取器利用存储的势能快速闭合，而且也更轻。最终，他们设计的无人机爪子仅重 23 克，可以在和目标碰撞后的 12 毫秒内快速闭合！

除此之外，无人机的爪子还模仿了猎鹰的特点：在抓到猎物后向后摆腿。这个机制有两种功能：第一个是在撞击点降低无人机和猎物之间的相对速度；第二个是将猎物的重心从无人机的前方移动到无人机的正下方。这大大增加了成功捕获后的稳定性。

▍精确控制三大要素

除了爪子外，无人机的控制方案也至关重要，包括三个关键元素：板载控制器、轨迹模块和PID控制器。

1.      机载控制器用于命令电机速率，以保持所需的速度。它由一个自动驾驶板、一个配套的计算机和马达控制器组成。

2.      轨迹模块计算起始位置、目标位置和结束位置之间的直线轨迹。为了在整个飞行过程中保持恒定的俯距，模块被设计成在目标位置前后有一个恒定的速度缓冲。

3.      PID控制器模块命令抓取无人机跟随所需的轨迹。控制器获取无人机的位置和所需的位置来计算PX4自动驾驶仪跟踪的所需速度。PX4的低电平控制器计算以所命令的速度飞行所需的转子速率。

控制回路如图所示。轨迹模块（橙色）会将所需的位置发送给PID控制器模块，然后该模块会将该值与mo-cap系统所确定的位置（紫色）进行比较。

这些飞行数据（粉红色）然后在各模块之间发送。通过该控制方案，实现了无人机与目标无人机撞击时速度的精确控制。

▍首次探索空中抓捕，未来还有更多空间

这项研究获得了IROS2022 机制与设计最佳论文奖，发表在《IEEE Robotics and Automation Letter》期刊中，标题为“Aerial Grasping and the Velocity Sufficiency Region”。

在论文结尾，研究人员表示这项研究是对无人机空中捕猎的初步探索，未来还有很多进步的空间：比如可以对“无人机猎物”进行视觉跟踪，实现全面的空中追踪和捕获；再者，爪子的摆动机制还可以进一步开发和测试，达到更高的相对速度；

还有一种提升的方法是在夹持器的底部增加一个主动控制的关节，或包含更复杂的飞行动作，来解耦俯仰角和夹持器机制。

来源：机器人大讲堂