《Agriculture》：Review of Research on Landing Gear Design for Multi-Rotor UAV Platforms
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作为连接多旋翼无人机（UAV）机体与地面的关键承载系统，起落架的设计质量直接影响复杂环境中起飞和着陆的飞行安全与作业稳定性。本综述对多旋翼无人机起落架设计的最新进展进行了系统性回顾，并在相关处与固定翼方案进行了比较参考。首先，通过明确且可复现的文献检索协议，研
作为连接多旋翼无人机（UAV）机体与地面的关键承载系统，起落架的设计质量直接影响复杂环境中起飞和着陆的飞行安全与作业稳定性。本综述对多旋翼无人机起落架设计的最新进展进行了系统性回顾，并在相关处与固定翼方案进行了比较参考。首先，通过明确且可复现的文献检索协议，研究人员审查了2014年至2025年间发表的86篇同行评审文献。对不同应用场景下的结构构型——包括传统固定支柱、伸缩式起落架、仿生自适应系统、模块化设计、充气式支撑以及智能主动控制架构——进行了批判性分析，特别强调了稻田农业监测。深入讨论了关键技术挑战，包括轻量化设计、多环境适应性、智能控制和先进材料。鉴于农业无人机在田间作业中的特定要求，本综述评估了前沿研究方向，如防侧翻机制、防下陷能力和无损监测，并辅以定量地形-力学分析。综述进一步扩展了智能着陆系统的讨论，详细介绍了传感器融合架构（视觉、LiDAR、IMU/GNSS-RTK、土壤压力传感器）和模型预测自适应着陆决策。最后概述了未来发展趋势，提出了向智能化、仿生化、多功能集成方向发展的轨迹，从而为精准农业中起落架设计的优化提供理论指导。
1. 引言
随着多旋翼无人机（UAV）技术的快速发展，其凭借高机动性、低成本和易部署等优势，在农业植保、环境监测、灾害响应等领域得到广泛应用。起落架作为连接机体与地面的关键承载界面，其功能包括吸收触地冲击能量、维持地面作业稳定性以及防止机体与地形直接接触。与固定翼无人机依赖跑道或弹射等起降方式不同，多旋翼无人机采用垂直起降（VTOL）方式，因此其起落架主要作为静态支撑和能量吸收接口。在稻田监测应用中，土壤高含水率、作物高度变化大（成熟期可达120–150 cm）以及地形复杂等因素，对起落架提出了防下陷、防侧翻、无损监测等特殊设计约束。现有综述多面向通用起落架设计，缺乏针对稻田农业场景的系统分析，本文旨在填补这一空白。
2. 文献检索策略与研究现状
2.1 文献检索策略与筛选标准
本综述按照PRISMA框架，制定了明确可复现的检索协议。检索数据库包括Web of Science、Scopus、IEEE Xplore、CNKI和万方数据，检索时间范围为2014年1月至2025年12月。通过主题词组合（如“unmanned aerial vehicle”与“landing gear”等）及中英文检索式，经去重、标题/摘要筛选、全文评估后，最终纳入86篇同行评审研究（英文52篇，中文34篇），用于定性综合和文献计量分析。
2.2 国外研究现状
国外起落架研究起步较早，主要聚焦三个方面：一是仿生自适应起落架，例如瑞士EPFL团队研究的鸟腿启发式主动柔顺腿结构，可实现跳跃起飞和自适应着陆；二是智能着陆平台技术，如基于锥形漏斗的自动对准平台和V形板被动定位系统；三是充气式起落架，利用ANSYS仿真验证了其在缓冲性能和地形适应性上的优势。此外，国外还开展了无人机飞行机构与机械结构的系统性综述研究。
2.3 国内研究现状
国内近年研究发展迅速，特点包括：结构优化与轻量化设计方面，采用拓扑优化方法实现减重20–30%；新材料应用方面，开展了碳纤维复合材料成型工艺研究；农业应用场景方面，研究了稻田病虫害监测信息采集技术以及稻田土壤力学行为仿真；系统与标准化方面，探讨了低空无人机交通管理框架和基于数据驱动的模型参数辨识。
2.4 国内外对比分析
国外在仿生腿式起落架、智能控制等前沿领域保持领先，技术成熟度普遍较高；国内在结构优化、复合材料应用和农业场景适配方面具有特色，但仿生设计和智能控制方向与国外仍存在1–2级技术就绪度（TRL）差距。近年来，螳螂启发式多四连杆被动自适应起落架的出现，展示了通过机械自适应实现地形顺应、减少执行器数量的潜力，但其在软质饱和稻田土壤上的性能尚未得到现场验证。
3. 多旋翼无人机起落架的基本功能与设计要求
3.1 基本功能
起落架的基本功能包括：承载支撑功能，承受无人机全部重量并传递至地面；减震缓冲功能，吸收着陆冲击能量，保护机载设备；稳定性维持功能，防止因地面不平或风力作用导致倾覆；环境适应功能，适应水面、雪地、沙地等多种复杂环境。
3.2 田间作业场景的特殊设计要求
稻田环境对起落架提出了特殊设计要求：防下陷要求增大接地面积或降低整机重量，但需避免对作物造成物理损伤；防侧翻要求扩大支撑多边形、降低重心和保证可靠抓地；无损监测要求结构细长光滑，尽量减少对稻株的干涉；高度和角度调节要求适配不同生长时期作物的监测需求；轻量化便携要求采用模块化可折叠结构。稻田土壤体积含水率波动大（30%–90%），承载力低（0.02–0.15 MPa），且存在0–15°坡度和3–6级风载，构成多物理场耦合约束。
4. 多旋翼无人机平台起落架结构类型与研究现状
4.1 传统固定式起落架
传统固定式包括支柱式和滑橇式。支柱式结构简单轻便，但接地面积小，在软土上易下陷，且在不平地面稳定性差；滑橇式接地面积较大，但要求地形相对平坦，在需要精确停驻的农业监测场景中，其滑动特性成为劣势。近年来通过拓扑优化和碳纤维复合材料应用，固定式结构在轻量化方面取得进展。
4.2 伸缩式起落架
伸缩式起落架通过机械或电动方式调节长度，分为手动和自动两类。手动式结构简单可靠，但需人工干预；自动式采用电动推杆、液压缸等执行器，结合传感器实现自动调平，但存在重量大、性能不稳定的问题，限制了其在农业高频作业中的应用。
4.3 仿生自适应起落架
仿生自适应起落架模仿鸟类、昆虫等生物的腿部结构，分为被动缓冲和主动柔顺控制两种技术路线。被动型采用弹簧、阻尼器及多连杆机构吸收能量，结构简单但自适应能力有限；主动柔顺型集成执行器与阻抗控制，可实时调节刚度与阻尼，仿真和台架试验表明其能有效抑制冲击过载，但长期农田环境可靠性和成本问题仍未解决。
4.4 模块化起落架
模块化设计强调标准化、可更换性和可扩展性。基于栖息地原理的模块化起落架可抓握路灯、树枝等结构，拓展无人机作业范围。农业应用中，模块化体现在腿端形式可更换、设备平台可扩展、高度可调节等方面，提高了灵活性和维护便利性。
4.5 充气式与漂浮式起落架
充气式起落架采用气囊作为缓冲支撑元件，具有重量轻、缓冲性能好和可折叠收纳的优点，但需要气源系统，且易被尖锐物刺穿。漂浮式结构专为水面起降设计，通过浮筒提供浮力，有望用于有积水的稻田，但可靠性问题仍需解决。
4.6 智能主动控制起落架
智能主动控制起落架集成传感器、执行器和控制系统，实现实时环境感知和主动姿态调整。姿态感知与主动调平系统融合惯性测量单元（IMU）、倾角计和压力传感器，通过闭环控制驱动电动支腿恢复平台水平。地形感知与自适应着陆决策依赖多模态传感器套件（单目/双目视觉、LiDAR、超声波/ToF测距、GNSS-RTK、土壤压力传感器等），构建着陆适宜性图（LSM），并采用模型预测控制（MPC）优化着陆轨迹。分层传感器融合架构形成五层感知-行动闭环，可实现着陆点选择和危险中止。
4.7 固定翼无人机的替代起降策略
固定翼无人机可采用腹部着陆、弹射/弹力绳发射、火箭助推（RATO）、降落伞回收和拦阻网回收等方式，但这些方式在稻田环境中存在基础设施依赖、着陆精度差或作物损伤等局限。垂直起降固定翼混合构型（VTOL）结合了固定翼航程和旋翼起降能力，但其起落架仍面临与多旋翼相同的软土下陷、坡地侧翻等下洗流问题，因此本综述中的仿生多腿和智能主动控制方案可直接迁移至该平台。
5. 农业监测起落架关键设计技术
5.1 防侧翻设计技术
防侧翻能力是农田作业起落架的核心问题。根据刚体静力学原理，支撑多边形与重心投影的相对位置决定静态稳定性。扩大支撑多边形、降低整机重心以及采用外倾支撑腿布局是三种主要技术途径。自适应多腿结构在硬质斜面条件下可容忍10°–20°的坡度，但在可变形泥浆土壤中的实际性能仍需现场验证。
5.2 防下陷设计技术
稻田土壤软湿，起落架下陷是失稳主因。优化接地面积是根本手段，可采用多点小面积接触替代单一大面积接触，或设计可收放的辅助支撑脚。应用Bekker压力-沉陷模型可定量分析下陷深度，多点分布式支撑和浮力辅助结构被证明能有效减少水饱和稻田中的下陷。光滑表面处理和耐腐蚀材料有助于脱泥和延长寿命。
5.3 无损监测设计技术
无损监测要求起落架尽量不干扰稻株。细腿设计可减小接触面积，例如薄壁铝合金管（内径10 mm，外径20 mm）能兼顾强度与压力控制。高度可调设计使设备平台适应不同生育期株高（80–150 cm），角度可调设计通过球铰机构实现多传感器姿态调整。此外，旋翼下洗气流管理至关重要，动量理论估算下洗速度可达8–10 m/s，通过优化起落架高度和腿布局，使无人机悬停在作物高度1.2倍以上再缓慢下降，可减少倒伏。
5.4 轻量化设计技术
轻量化直接影响续航和载荷能力。拓扑优化方法可实现减重20%–30%且应力低于屈服强度；点阵结构通过非均匀微观构型高效利用材料；碳纤维复合材料比强度高，可较铝合金减重30%–40%；多功能集成设计将线缆、传感器等嵌入起落架结构以减少独立部件。实际工程中需综合运用这些策略，平衡结构效率与制造成本。
6. 多旋翼无人机平台起落架仿真与试验验证方法
6.1 力学仿真分析方法
力学仿真包括静力分析（评估静态载荷下的应力应变分布）、动力分析（模拟冲击载荷下的响应）和多体系统仿真（分析起落架-无人机系统动力学）。对于稻田软土环境，需考虑土壤本构关系，已有研究利用COMSOL等软件将稻田建模为弹性地基并耦合达西渗流多孔介质模型，以实现多物理场仿真。
6.2 试验验证方法
试验验证包括实验室台架试验和现场试验。台架试验涵盖静态载荷试验、落锤冲击试验、疲劳试验和环境试验（高低温、湿热、盐雾）。田间试验则验证真实环境下的稳定性（记录下陷/倾斜/侧翻）、作物损伤程度（倒伏率和损伤率）、起降成功率、以及高度/角度调节机构的精度和便利性。
7. 多旋翼无人机平台起落架发展趋势
7.1 智能化与自主化
未来起落架将深度融合机器视觉、深度学习、多传感器融合和物联网技术，实现地形识别、最优着陆点选择、参数自适应调整和远程故障诊断，显著减少对操作员的依赖。
7.2 仿生化与仿生设计
仿生设计将继续提供创新灵感，包括哺乳动物腿部肌肉骨骼系统启发的柔性驱动、蜘蛛协调运动启发的中枢控制策略、植物根系锚固机制启发的土壤相互作用优化，以及蜂窝结构启发的轻质多孔设计。螳螂启发式被动自适应四连杆机构代表了机械自适应与减重结合的方向。
7.3 多功能集成
起落架将发展为集承载、缓冲、感知、供能和通信于一体的综合平台，例如将支腿设计为天线、覆盖太阳能电池板、集成微型气象站或土壤传感器，从而显著增强信息获取能力。
7.4 新材料与先进制造技术
形状记忆合金可实现主动变形与自修复，自传感材料可实时监测结构健康，4D打印可制造时变特性智能结构，连续纤维复合材料3D打印能实现复杂拓扑结构的快速制造，这些技术将推动起落架性能的革命性提升。
7.5 标准化与模块化生态
统一接口、载荷和测试标准将促进不同厂商产品互操作，“一个平台，多种任务”的模块化生态将使用户可根据任务灵活配置起落架模块，推动行业规模化应用。
8. 结论
本综述基于86篇文献，系统总结了多旋翼无人机起落架的研究进展，得出以下结论：（1）起落架结构经历了从传统固定式到伸缩式、仿生式、模块化、智能型的演化，各类型具有不同适用场景；（2）稻田监测应用要求起落架同时满足防侧翻、防下陷、无损监测、高度/角度调节和轻量化等要求，传统结构难以胜任；（3）被动自适应仿生连杆、智能主动控制和拓扑优化轻量化是提升性能的有效途径；（4）未来趋势将向智能化、仿生化、多功能集成、新材料应用和标准化发展；（5）地形感知传感器融合（视觉、LiDAR、IMU/GNSS-RTK、土壤压力传感）与模型预测自适应着陆决策集成的智能起落架，是当前研究前沿，并可拓展至垂直起降固定翼混合平台。后续研究需进一步开展田间环境力学建模、智能控制算法优化及新型仿生结构的工程应用验证。
