《Advanced Robotics Research》：TreeSpider: In-Canopy Exploration With Tether-Based Aerial Modular Arms
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本文介绍了一种创新的系留无人机系统（TreeSpider），它通过环形系留机构（Ring-Tether Mechanism）和柔性栖息臂（Perching Arms）实现了在复杂森林冠层环境中的稳定锚定、多角度移动和物理交互。该系统能显著降低能耗（最高达2.5倍）和噪音干扰，并集成叶片采样工具，为森林生态监测、生物多样性研究及微气候数据采集提供了高效、可持续的机器人解决方案。
1 引言
森林冠层作为生物多样性热点和碳汇区域，其生态监测一直面临巨大挑战。传统数据收集方法依赖人工攀爬，效率低且危险。多旋翼无人机虽能抵达高处，但在茂密枝叶间机动性差，且持续飞行噪音大、能耗高。TreeSpider系统应运而生，它是一种受蜘蛛启发的系留-栖息混合式空中机器人，旨在实现稳定、低干扰的冠层内长期作业。
该系统核心是一个环形系留机构，允许无人机在锚定到树枝后，能围绕系留点进行360度自由移动和俯仰（Pitch）控制。配合可收放系留索（Tether）和四个柔性栖息臂，无人机可像蜘蛛一样，在以一个树枝为锚点的同时，用“腿”（栖息臂）去抓握其他树枝，实现多树间连续感知与操作。集成的小型叶片采样器则支持对叶片及附生微生物进行原位采集，为生态研究提供关键样本。
2 设计与分析
2.1 任务框架
TreeSpider的任务流程为半自主模式。无人机首先由操作员遥控飞至目标树枝附近进行系留锚定（Tether Perching）。锚定后，无人机可在GPS拒止环境中，在以系留点为球心、系留长度为半径的球形空间内自主或遥控移动。栖息臂的抓取与释放通过遥控通道触发。这种设计允许无人机从不同角度接近树枝，即使栖息失败，系留装置也能确保其安全，允许重复尝试。
2.2 系统设计
系统主要由三部分组成：
- 1.
环形与卷绕系统（Ring & Winding System）：双环结构配合滚轴，使搭载卷绕机构的无人机平台能围绕环自由旋转。内置磁铁有效抑制了飞行中的摆锤效应。卷绕系统通过伺服电机动态调整系留索长度，优化无人机位姿和能耗。
- 2.
栖息臂（Perching Arms）：四条安装在机身下方的柔性臂，采用聚乳酸（PLA）段和热塑性聚氨酯（TPU）关节制成，由缆绳驱动。仿生爪钩结构可适应不同粗细和形状的树枝，提供稳固抓握。双通道线轴设计可同时驱动一对臂，简化了结构和控制。
- 3.
采样工具（Sampling Tool）：集成在机身侧面的叶片采样器，包含刀片和带齿夹具，能在旋停或栖息状态下精确切割并夹持叶片样本。
无人机采用H型机架，以适应向前栖息的构型，确保推进器在栖息过程中始终保持向上方向。
2.3 动力学与建模
通过拉格朗日力学建立了系留状态下的无人机动力学模型。分析表明，当系留索张紧时，通过控制无人机的俯仰角，可使推力方向与系留索方向正交，从而用最小的推力平衡重力分量。数值优化显示，在小系留角（Tether Angle, θ）下，此方法能显著降低推力需求，但控制精度对节能效果至关重要。实验验证了模型的有效性。
2.4 能量分析
功耗测试表明，在系留角θ较小时（例如30°），系统能耗比自由悬停降低约2.5倍。但随着θ增大（例如接近60°），能耗优势减弱甚至可能超过自由悬停。因此，操作中应优先选择较小的系留角以实现最大能效。
2.5 噪音分析
降低能耗直接导致推进器转速（RPM）降低，这是主要的噪音源。在气动声学风洞中的测量证实，较低的RPM能显著降低整体声压级（OASPL）。在栖息状态下关闭电机更能彻底消除噪音干扰，这对于避免惊扰野生动物至关重要。
2.6 控制系统
控制系统支持两种模式：
- •
静态模式（Static Mode）：用于控制无人机到达并维持特定的系留角（θ）和方位角（Azimuth Angle），实现定点悬停。基于负载传感器估算系留张力，并利用非线性控制器进行俯仰和推力控制。
- •
动态模式（Dynamic Mode）：在静态模式基础上，引入滚转（Roll）控制，使无人机能够执行绕锚点的圆周运动，并控制切向速度（Tangential Velocity, vt），可用于环境DNA（eDNA）采集等任务。
3 测试与结果
3.1 保持力（Retention Force）
测试评估了栖息臂在不同拉扯角度（α）和树枝直径下的保持力。结果显示，保持力随拉扯角增大而增加，最大可达10 N。更大的树枝直径和更陡的拉扯角能提供更大的接触面积和摩擦力，增强栖息稳定性。
3.2 控制
室内实验验证了控制器性能。静态控制器能有效跟踪15°至40°的系留角参考指令，但在大角度（>40°）时，因推力与系留方向接近平行，导致张力传感器测量出现奇异点，控制性能下降。动态控制器能成功实现圆周轨迹跟踪，但树枝的不规则形状会引起周期性波动。
3.3 户外测试
户外任务成功演示了从飞行、系留锚定、调整姿态、栖息臂抓取、到最终解栖和返回的完整流程。功耗记录显示，在成功栖息后，功耗显著降低（从悬停约300 W降至很低水平），证明了其能源效率。系统成功实现了在自然环境中最大达50°倾角的树枝抓取，并定性验证了叶片采样功能。
4 结论
TreeSpider成功展示了一种用于森林冠层探测的系留-栖息无人机解决方案。其在能耗、噪音和物理交互能力方面的优势，为长期、微观尺度的森林生态监测提供了新的技术路径。未来工作将集中于提升机载感知能力以改善在复杂环境中的控制精度，并开展定量化采样实验以评估其性能。
