撲翼飛行器
關注創建者：我愛飛機 創建時間：2023-09-27
撲翼飛行器的實例教程
飛行器控制系統的優缺點
但由于撲翼飛行器質量小，易受陣風干擾而呈強烈的非線性和大幅度的非定常飛行動力學問題，常規的PID控制方法已不適用，必須根據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。撲翼飛行器所設定的一些任務模式決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航系統提出了相應要求。
但鮮有研究能夠實現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，結合立體視覺算法，實現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；
(d)自主飛行單元，使用8位微控制器和MPU9050 IMU；(e)參考坐標系。
馬里蘭大學迭代設計的Robo Raven IV搭載了ArduPilot Mega 2.5自動駕駛控制系統，結合GPS進行自主巡航，但是自主飛行效果并不理想。
西北工業大學設計的信鴿撲翼飛行器飛行較為穩定，在自主飛行實驗中實現了較好的效果。
北京科技大學設計的USTBird，采用兩個舵機實現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，實現了室外半徑10～40 m圓形范圍內的自主巡航飛行；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。
展開 作者：劉錦波，特立書院
背景知識
撲翼飛行器背景介紹
撲翼飛行器，是指像鳥—樣通過機翼主動運動產生升力和前行力的飛行器，又稱振翼機。人們的飛天夢想就是從模仿鳥類的撲翼機開始的。撲翼機以它無需跑道、機械效率高等優點吸引了人們的注意，但由于目前對撲翼空氣動力學研究不足、材料和結構研究較少等，發展尚不成熟。但正因為不夠成熟，出現了政府、民間、專業、業余呈百家爭鳴的局面。只要完成對幾大難點的破解工作，撲翼飛行器的上天便指日可待了。
撲翼飛行器早期歷史研究
人類對撲翼飛行器最早的創意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。而最早符合現代工程學的撲翼飛行器設計圖的出現則直到文藝復興時期，由意大利畫家達·芬奇模仿鳥類飛行而繪制的。1874年，法國科學家馬雷以連續拍照的方式記錄下了鳥類在撲翼時的復雜動作，以當時的技術水平是不可能完成的。
1878年倫敦博覽會上，兩架撲翼機首次獲得展示。當時考夫曼設計的帶有蒸汽機的撲翼機方案引起了人們的極大興趣；英國人哈爾格萊夫制成了一架帶有發動機的撲翼機實用模型；德國人李林塔爾研制的撲翼機上裝了一臺小型發動機，為人力提供輔助力量；他們的理論和實踐成為撲翼機發展史上重要的里程碑。
早期人類對撲翼機的探索可謂不遺余力，但由于空氣動力學、控制裝置的研究尚不成熟，制作撲翼機的材料也比較單一，撲翼機的研究進展并不順利。隨著現代電子計算機、新型復合材料、控制技術等高科技領域的迅速發展，研制撲翼機也有了新的動力。
人類對撲翼飛行器最早的創意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。
展開 根據翼展和機身質量，所有常見的FWAVs通常可分為微型級飛行器（Micro Air Vehicle，MAV，翼展<1 m，質量<2 kg）、納級飛行器（Nano Air Vehicle，NAV，翼展<75 mm，質量<10 g）和皮級飛行器（Pico Air Vehicle，PAV，翼展<50 mm，質量<500 mg）［8］。MAV尺度撲翼飛行器可定點盤旋，部分能實現懸停及豎直飛行；NAV尺度基本以小型鳥類和大型昆蟲作為研究對象，能實現懸停和垂直起降；PAV尺度以昆蟲作為研究對象，目前可實現克服重力起飛，但距離完全自主飛行仍有較大差距。本文將根據不同尺度類別對世界上著名研究機構的撲翼飛行器進行介紹。
2.1 MAV尺度下的懸停撲翼飛行器
MAV尺度下的懸停飛行器根據翅膀布局分為八翅撲翼、四翅撲翼和雙翅撲翼。多翅撲翼載荷更大，飛行時間更長，具備靈活飛行的潛力，在世界范圍引起廣泛關注。荷蘭代爾夫特大學在2018 年模仿果蠅的飛行特點制作了一種連桿驅動四翅撲翼飛行器［9］。盡管最終的樣機尺寸是果蠅的55倍，但該款飛行器可以成功模仿果蠅靈活的飛行機制。該樣機質量為28 g，翼展為33 cm，翅膀長度14 cm，懸停時撲翼頻率約為17 Hz，能實現7 m/s的最大速度和4 m/s的側向飛行。如圖1所示，樣機由左右兩套撲翼機構組成，每套撲翼機構由一個電機驅動，電機通過減速齒輪將動力輸出至兩個曲柄上，通過曲柄搖桿機構實現每套撲翼機構上的兩個翅膀的往復運動。
展開 在小尺寸的情況下，沒有運動部件有一項優點，因為你不必擔心將機械設備（如變速器）按比例縮小至何等規模，離子傳感器能夠在 0.35 mA 的電流下以 2,000 伏的輸入電壓對飛行器（包括 IMU 有效載荷在內）進行起飛和懸停控制。
不可思議，對嗎？沒有活動部件，完全無聲，卻能實現飛行！大尺寸的 EHD 推進器可能是不切實際的，但實際上縮小尺寸會使 EHD 推進器發揮更好的作用，因為靜電力具有縮放不變性。這意味著較小的推進器具有更高的推重比，以及較低的電壓要求。在小尺寸下，離子傳感器相比于相同大小的撲翼微型飛行器具有一個優勢，你可以設計一個以四旋翼飛行器為起點的控制器，因為離子傳感器使用四個類似配置的推進器。由于它沒有旋轉的螺旋槳，它不能利用角動量的變化來實現偏航，但事實證明“只要你有一點擺動的空間，快速，重復的俯仰，然后滾動”，可以導致偏航運動。
與我們所見過的其他微型飛行器一樣，現在最大的問題是我們是否可以實現有效載荷的自主運行控制。目前，離子傳感器攜帶的負載比它能承受的還要重，但此外它還需要 7 根外部電線來供電、數據傳輸和接地。加州大學伯克利分校的研究人員非常明確地表示，他們認為自主控制是可以實現的。
盡管最初的受控飛行演示肯定是在室內實驗室環境下進行的，但我們設想未來的離子飛行器將是一個能夠在室外飛行的全自動機器人。要想實現全自動需要在許多相互依賴的領域上取得進展，包括：系統開發，以便納入更多的機載計算、控制和傳感電子；進一步對 EHD 執行機構進行工程改進，在較低的工作電壓下提供更高的推力密度和效率；并進一步開發仿真環境和小型飛行規模的飛行測試設置，以開始開發更強大的具有高級功能的控制器。
研究人員認為，對于配備 IMU、控制 ASIC、驅動電路和光流傳感器的離子飛行器來說，100 毫克的有效載荷是合理的。光流傳感器可以僅在動力的情況下控制自主飛行。
展開 01
仿生雨燕
首先我們看一下BionicSwift仿生雨燕
仿生雨燕無需人工操控，便能完全協調地成群自主飛行。通過帶超寬帶技術（UWB）的室內無線GPS，仿生雨燕在障礙物視覺接觸中斷時，也能進行精確的識別位置。
仿生雨燕身長44.5cm，翼展68cm，重量只有42g，能靈活地在空域內以協調的方式自主控制飛行。
羽片采用超輕量化、高彈性、高強度的發泡材料，一根碳纖維翎羽管連接手翼和臂翼，相比之前的撲翼飛行器有著更好的飛行運動曲線。
在向上飛行時，每片羽毛會向外張開，讓氣流穿過翅膀，減少功耗。在向下飛行時，羽片向內收緊，增加BionicSwift的飛行力。
身上集成了緊湊的機械系統和電機，通過智能交互精確調節振翅的頻率以及各種機動飛行的升降舵。
通過和之前咱們分享的蝙蝠機器人—BionicFlyingFox相比看一下，BionicFlyingFox的運動由多個不同型號的電機控制，并采用機械耦合的形式結合在一起。
較大的無刷直流電機可以控制機器人翅膀的拍打動作，小型電機們分別調節翅膀的每個關節，來達到控制飛行高度與方向的目的。
BionicFlyingFox通過集成機載電子板與一個外置運動追蹤系統的相互配合，超輕型飛行物能夠在特定空間內進行半自主飛行，而仿生雨燕可以自主飛行了。
而2011年推出的Smartbird智能飛鳥，明顯看起來簡單太多了。
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撲翼飛行器的最新內容
本文介紹了可懸停撲翼飛行器的國內外研究現狀，并從升力產生原理、飛行穩定性分析、功耗效率優化、續航能力等方面對可懸停撲翼飛行器的關鍵技術進行了分析。
飛行器控制系統的優缺點
但由于撲翼飛行器質量小，易受陣風干擾而呈強烈的非線性和大幅度的非定常飛行動力學問題，常規的PID控制方法已不適用，必須根據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。撲翼飛行器所設定的一些任務模式決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航系統提出了相應要求。
撲翼飛行器國外研究成果
進入21世紀，微型撲翼飛行器開始興起。
特別是在飛控與航電方面，公司具有飛控與導航系統、地面指控系統、綜合航電系統的自主設計研發能力，掌握了總能量飛行控制、基于神經網絡的自適應控制、L1模型參考自適應控制等前沿控制技術，相關產品具有高智能性、高適應性和高可靠性的特點，以一種軟硬件架構實現了固定翼、直升機、多旋翼以及撲翼等多種飛行器類型的自動適配，對于常規布局的無人機幾乎無需調整參數就能滿足全程自主飛行控制。
羽片采用超輕量化、高彈性、高強度的發泡材料，一根碳纖維翎羽管連接手翼和臂翼，相比之前的撲翼飛行器有著更好的飛行運動曲線。
在向上飛行時，每片羽毛會向外張開，讓氣流穿過翅膀，減少功耗。在向下飛行時，羽片向內收緊，增加BionicSwift的飛行力。
身上集成了緊湊的機械系統和電機，通過智能交互精確調節振翅的頻率以及各種機動飛行的升降舵。
DelFly讓我看到了一款卓越、無尾、無繩、自動、可編程、小型（28 g）撲翼飛行器的設計。
該飛行器具有出色的靈活性，能夠進行360°側傾和俯仰翻轉，角加速度高達5000°s-2。
雖然它是果蠅大小的50倍以上，并且不模仿任何特定天然飛行物的機翼形態或運動學。
但機器人可以作為一種新的物理模型，來測試飛行生物如何進行飛行控制。
這種撲翼微型飛行器 (FMAVs) 接近真實昆蟲的大小，一些蜜蜂大小的機器人表演令人印象深刻，它們可以起飛、懸停，甚至可以去游泳。然而，制造一個帶有扇動翅膀的小機器人，讓它能夠在空間內自由運動并保持可控性，是一件棘手的事情，因為這需要極其復雜的機械傳輸和軟件設計。
DelFly讓我看到了一款卓越、無尾、無繩、自動、可編程、小型（28 g）撲翼飛行器的設計。
該飛行器具有出色的靈活性，能夠進行360°側傾和俯仰翻轉，角加速度高達5000°s-2。
雖然它是果蠅大小的50倍以上，并且不模仿任何特定天然飛行物的機翼形態或運動學。
但機器人可以作為一種新的物理模型，來測試飛行生物如何進行飛行控制。
