仿生撲翼飛行器的控制系統(tǒng)

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2023年7月31日 14:59

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撲翼飛行器是非線性非定常的復(fù)雜系統(tǒng)，其體型小且多采用柔性結(jié)構(gòu)，易受擾動的影響，傳感器和執(zhí)行機構(gòu)隨著尺寸的減小性能急劇下降，需要更穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。

撲翼控制方法

撲翼飛行器的自主飛行離不開姿態(tài)控制及位置控制。

與傳統(tǒng)的固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛機不同，撲翼飛行器姿態(tài)的控制主要依靠撲翼運動方式的改變，并配合尾翼的輔助調(diào)節(jié)。撲翼控制方法可以分為主動或被動兩類，能控制機翼滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航運動。

（1）機翼旋轉(zhuǎn)調(diào)制（被動）：空氣動力產(chǎn)生機翼推動，使其與氣流對齊。機翼在空氣動力和慣性載荷下的無限運動受到兩個可調(diào)節(jié)止動器的限制。撲翼飛行器的攻角由機翼旋轉(zhuǎn)角的變化控制，從而影響升力和阻力參數(shù)。但存在機翼效率降低、噪聲和控制精度問題。

（2）機翼扭轉(zhuǎn)調(diào)制（主動）：基于扭轉(zhuǎn)對升力和阻力參數(shù)的影響原理，通過控制俯仰實現(xiàn)。柔性翼膜是被動變形的，但扭轉(zhuǎn)分布是通過擰緊/松動膜來控制的。翼膜附著在一個剛性的前緣上，翼尖的角度被調(diào)節(jié)以收緊或松開翼膜，以改變在中間沖程附近的膜的松弛度。從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、俯仰和偏航力矩。主要優(yōu)點是使用較小的控制輸入，即可產(chǎn)生有效力矩。

撲翼控制方法示意（Nano Humming Bird頂視圖）

（a)機翼旋轉(zhuǎn)調(diào)制；（b）機翼扭轉(zhuǎn)調(diào)制。

左翼的攻角比右翼高于右翼，飛行器向右旋轉(zhuǎn)。

兩翼在行進方向前部增加攻角，飛行器俯仰。

撲翼飛行器Nano Humming Bird

無線控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)撲翼微型飛行器飛行姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，主要是通過控制信號實現(xiàn)直流電動機轉(zhuǎn)速和扭矩的改變，進而實現(xiàn)對撲動頻率和撲動扭矩的控制；同時其還具備對電磁方向舵的控制功能進而實現(xiàn)飛行方向的轉(zhuǎn)變，即實現(xiàn)飛行器偏航。

撲翼飛行器大部分需額外增加控制系統(tǒng)進行機翼驅(qū)動和控制。

對于固定翼和旋翼的飛行器，最簡單的控制方法就是多通道遙控器與接收機的開源控制。

但由于撲翼飛行器本身易受擾動，當(dāng)飛行環(huán)境的變化對機身產(chǎn)生額外的擾動時，飛行器本身不能及時自穩(wěn)，只能依靠操縱手來手動修正飛行姿態(tài)，該方法對操作經(jīng)驗提出了很高的要求。

此外，國內(nèi)外已存在一些較為成熟的飛控系統(tǒng)，其中典型的是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）推出的開源多功能飛控板Pixhawk，但其總重大（25g）、功能多，不完全適應(yīng)撲翼飛行器的控制要求。

智能控制與自主飛行

在航空領(lǐng)域常見的多種飛行器控制系統(tǒng)中，技術(shù)最成熟的方法為比例積分微分控制法（Proportion Integral Differential，PID）。

飛行器控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

但由于撲翼飛行器質(zhì)量小，易受陣風(fēng)干擾而呈強烈的非線性和大幅度的非定常飛行動力學(xué)問題，常規(guī)的PID控制方法已不適用，必須根據(jù)不同的微型撲翼飛行器類型、甚至不同的特定飛行器，建立智能飛行控制方法。撲翼飛行器所設(shè)定的一些任務(wù)模式?jīng)Q定它常常需要在操縱者的視線之外飛行，也對撲翼飛行器自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)提出了相應(yīng)要求。

但鮮有研究能夠?qū)崿F(xiàn)基于仿生撲翼飛行器的自主飛行。

DelFly Explorer搭載了0.98g自主飛行單元和4.0g機載立體視覺系統(tǒng)，結(jié)合立體視覺算法，實現(xiàn)自主避障與自主飛行，但無法進行室外飛行。

撲翼飛行器DelFly

（a）撲翼飛行器整體；(b)DelFly Explorer緩慢前進飛行；(c)立體視覺系統(tǒng)；

(d)自主飛行單元，使用8位微控制器和MPU9050 IMU；(e)參考坐標(biāo)系。

馬里蘭大學(xué)迭代設(shè)計的Robo Raven IV搭載了ArduPilot Mega 2.5自動駕駛控制系統(tǒng)，結(jié)合GPS進行自主巡航，但是自主飛行效果并不理想。

西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計的信鴿撲翼飛行器飛行較為穩(wěn)定，在自主飛行實驗中實現(xiàn)了較好的效果。

北京科技大學(xué)設(shè)計的USTBird，采用兩個舵機實現(xiàn)了左右翅膀的獨立控制，并在機身搭載IMU、GPS、氣壓計等傳感器，實現(xiàn)了室外半徑10～40 m圓形范圍內(nèi)的自主巡航飛行；并迭代完成仿獵鷹撲翼飛行器的自主定高圓弧軌跡跟蹤任務(wù)。

仿獵鷹飛行器

(a)仿獵鷹撲翼飛行器的整體結(jié)構(gòu)；(b)仿獵鷹撲翼飛行器

整體來說，當(dāng)前撲翼系統(tǒng)的自主水平和飛行特性不高，難以在復(fù)雜多變的場景和極端環(huán)境中進行導(dǎo)航和探索，仍需研究者們共同努力、突破難題。

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文章來源：風(fēng)羽飛行器

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