基于線驅(qū)轉(zhuǎn)向的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與控制

　　摘要: 作為一種新型飛行機(jī)器人, 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人模仿自然界蝴蝶的生物結(jié)構(gòu)和飛行方式, 能夠有效地融入并適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境, 在軍民融合領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景. 目前針對仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的研究大多停留在對生物蝴蝶飛行機(jī)理的研究, 鮮有能夠?qū)崿F(xiàn)自由可控飛行的機(jī)器人系統(tǒng). 本文設(shè)計了一款基于線驅(qū)轉(zhuǎn)向的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人, 名為USTButterfly-S, 其翼展50 cm, 重50 g, 可實現(xiàn)長達(dá)5分鐘的自由可控飛行. 首先結(jié)合生物蝴蝶翅膀的撲動特征, 設(shè)計了雙曲柄雙搖桿對稱撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu). 然后模仿鳳蝶的翅翼形狀, 設(shè)計了仿蝴蝶翼型. 對翅膀的幾何學(xué)分析表明, USTButterfly-S的翅膀與鳳蝶具有較好的形態(tài)相似性. 接著針對仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制問題, 首次采用線驅(qū)動機(jī)構(gòu)拉動翅膀調(diào)節(jié)翅翼面積, 進(jìn)而實現(xiàn)了USTButterfly-S的無尾航向控制. 最后集成自主設(shè)計的飛控系統(tǒng), USTButterfly-S能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)盤旋飛行并進(jìn)行實時航拍. 在實際飛行實驗中, USTButterfly-S展現(xiàn)出類似生物蝴蝶的飛行特征.

　　關(guān)鍵詞: 仿生機(jī)器人; 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人; 系統(tǒng)設(shè)計; 無尾控制; 線驅(qū)動

　　黃海豐; 賀威; 鄒堯; 楊昆翰; 孫長銀， 控制理論與應(yīng)用 發(fā)表時間：2021-11-19

　　1 引言

　　仿生撲翼飛行機(jī)器人指的是通過模仿鳥類、昆蟲、蝙蝠等自然界飛行生物, 采用撲翼的方式產(chǎn)生升推力的一類飛行機(jī)器人 [1–2] . 由于其潛在的能耗低、機(jī)動性好、隱蔽性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢, 仿生撲翼飛行機(jī)器人近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注, 并取得一定的研究 進(jìn) 展 [3–4] . 代 表 性 的 研 究 成 果 包 括 哈 佛 大學(xué)Robobee系 列 [5–7]、代 爾 夫 特 理 工 大 學(xué)Delfly系列 [8–9]、 伊 利 諾 伊 大 學(xué) 香 檳 分 校Bat Bot [10]、 德國Festo公 司Smartbird [3]、 馬 里 蘭 大 學(xué)Robo Raven [11]、韓國建國大學(xué)KUBeetle系列 [12–14]、淡江大學(xué)Golden Snitch [15]、西北工業(yè)大學(xué)Dove [16]、哈爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) ( 深 圳 ) 鳳 凰 [17]、 北 京 科 技 大學(xué)USTBird [18]等. 但是目前關(guān)于仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的研究大多停留在對生物蝴蝶飛行機(jī)理的研究 [19–22] , 鮮有能夠?qū)崿F(xiàn)自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng). Tanaka等模仿鳳蝶的翅膀結(jié)構(gòu), 設(shè)計了一款重量僅0.39 g的仿鳳蝶撲翼飛行機(jī)器人, 用以研究鳳蝶的前向飛行特性 [23] . 但是由于采用的橡皮筋驅(qū)動方式, 這款機(jī)器人只能實現(xiàn)簡單的撲翼動作支持短暫的前向飛行, 無法實現(xiàn)爬升飛行、轉(zhuǎn)彎飛行等飛行模式的有效控制. 德國Festo公司設(shè)計了一款翼展50 cm、重32 g、采用兩個獨立舵機(jī)驅(qū)動的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人eMotionButterflies[12] . 借助裝載紅外線攝像機(jī)的室內(nèi)GPS系統(tǒng), eMotionButterflies可以實現(xiàn)多機(jī)的協(xié)調(diào)飛行, 但是舵機(jī)驅(qū)動的方式使得它的翅膀撲動頻率只能維持在1 Hz 到2 Hz, 與真實蝴蝶相差較遠(yuǎn), 而且研究人員并未對eMotionButterflies的飛行控制和仿生特性分析進(jìn)行進(jìn)一步研究. 冷燁等 [24]同樣采用舵機(jī)驅(qū)動設(shè)計了一款翼展為49.8 cm的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人, 但是經(jīng)過測試其升力不能克服重力. 考慮到仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅能夠有效的融入并適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境, 還能為研究生物蝴蝶飛行機(jī)理提供新的研究視角, 研制出一款具有高度仿生性、能夠?qū)崿F(xiàn)自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)具有重要意義. 鳳蝶作為一種常見的蝴蝶種類，已有研究人員對其形態(tài)特征和飛行特征進(jìn)行了大量研究，并取得了一些結(jié)果 [23, 25]，這些研究成果可以為我們樣機(jī)的設(shè)計及與生物的對比分析提供參考，因此我們將鳳蝶作為仿生對象.

　　首先, 撲翼驅(qū)動及仿生翼型設(shè)計一直是仿生撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵. 與鳥類、蜜蜂、果蠅等其它采用一對翅膀撲動的飛行生物不同, 擁有兩對翅膀的蝴蝶有著自己獨特的翅翼結(jié)構(gòu)和撲動模式. 相較于其它的昆蟲, 蝴蝶的撲翼頻率較低, 約為10 Hz(果蠅約為250 Hz). 此外, 蝴蝶翅膀在撲動過程中沒有明顯的翻轉(zhuǎn)運動, 且其前翅和后翅在飛行中一般都是重疊在一起的 [26] . 考慮到這些特點, 我們采用電機(jī)結(jié)合平面四連桿的結(jié)構(gòu)驅(qū)動前翅和后翅一起撲動. 測量結(jié)果表明, 相較于eMotionButterflies的舵機(jī)驅(qū)動方式, 能有效提升撲翼頻率至5 Hz, 且能保證左右翅膀較好的運動對稱性。另一個對撲翼飛行特性產(chǎn)生較大影響的因素是翅膀的翼型結(jié)構(gòu). 與鳥類由肌肉和羽毛組成的帶弧度的翅膀不同, 蝴蝶的翅膀主要由細(xì)小的翅脈和輕薄的翅膜組成. 同時, 與同樣是薄膜翼結(jié)構(gòu)的果蠅等其它昆蟲不同的是, 蝴蝶有著獨特的翼面形狀, 其展弦比較小, 約為果蠅的一半. 考慮到這些特點, 我們模仿鳳蝶的翼面形狀, 采用碳纖維棒組成翼脈骨架并附著厚度僅為0.05 mm的氯化聚乙烯薄膜形成薄膜翼. 通過對翅膀的幾何學(xué)分析, 我們設(shè)計的薄膜翼與生物蝴蝶有著較為接近的展弦比、無量綱一階面積矩回轉(zhuǎn)半徑和無量綱二階面積矩回轉(zhuǎn)半徑, 這意味著我們設(shè)計的翼型具有較高的仿生性.

　　其次, 與通過尾翼控制方向的仿鳥撲翼飛行機(jī)器人不同, 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的無尾結(jié)構(gòu)使得其實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制較為困難. 現(xiàn)有的無尾仿生撲翼飛行機(jī)器人 轉(zhuǎn) 向 控 制 主 要 包 括 兩 種 方 式 ： 一 是 類似eMotionButterflies通過左右翼差動控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)向 [12];二是類似KUBeetle通過舵機(jī)加連桿結(jié)構(gòu)拉動翅膀根部實現(xiàn)轉(zhuǎn)向 [13] . 特別地, Delfly Nimble同時使用了兩種方式實現(xiàn)對三個姿態(tài)角的獨立控制 [9] . 針對我們已經(jīng)設(shè)定好的四連桿撲翼結(jié)構(gòu), 采用第一種方式會大大增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 并且容易造成頭部過重, 影響仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人飛行性能. 而第二種方式則更常見于攻角較大、近似于垂直向上飛行的撲翼飛行機(jī)器人. 在本文中, 我們首次采用了線驅(qū)動的方式實現(xiàn)對仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的航向控制. 具體地, 我們采用電磁舵機(jī)拉動連接彈性繩, 從而改變左右翅膀的面積, 進(jìn)而產(chǎn)生偏航和滾轉(zhuǎn)力矩. 實際飛行實驗驗證了我們所設(shè)計的線驅(qū)動方式能夠有效地實現(xiàn)對仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的航向控制.

　　最后, 通過集成自主設(shè)計的飛控系統(tǒng), 我們設(shè)計的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人翼展50 cm, 重50 g, 可實現(xiàn)5分鐘的可控飛行, 能夠執(zhí)行室內(nèi)盤旋飛行、實時航拍等任務(wù). 通過對實際飛行時的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人身體在飛行時展現(xiàn)出類似于生物蝴蝶的上下俯仰運動. 這些研究結(jié)果表明我們所研制的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅可以用于執(zhí)行真實環(huán)境下的飛行任務(wù), 也可以用于對生物蝴蝶飛行機(jī)理的對比分析研究.

　　本文的主要創(chuàng)新點可以歸納成以下三個部分：1)自主設(shè)計研發(fā)了一款續(xù)航時間可達(dá)5分鐘的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人，包括其驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、仿生翼型設(shè)計和飛控系統(tǒng)設(shè)計等;2)首次設(shè)計和采用線驅(qū)動的方式控制仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)了其自由可控飛行，飛行試驗證明了控制系統(tǒng)的有效性;3)姿態(tài)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人與生物蝴蝶有著類似的身體起伏運動特征，這給研究生物蝴蝶的飛行機(jī)理提供了一種新的思路.

　　2 樣機(jī)系統(tǒng)概述

　　高仿生撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計面臨著驅(qū)動、能源、材料、控制等多方面的挑戰(zhàn) [4] . 在本文的設(shè)計中, 我們旨在模仿生物蝴蝶的核心翅翼形態(tài)與撲動特征, 研制可在真實環(huán)境進(jìn)行自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人. 圖1示出了我們自主設(shè)計的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人USTButterfly-S與其仿生對象鳳蝶的對比. 圖2給出了USTButterfly-S的系統(tǒng)組成與性能參數(shù), 表1給出了其質(zhì)量分布情況.

　　USTButterfly-S包含左右兩對翅膀, 每對翅膀由一個前翅和一個后翅組成. 翅膀通過設(shè)計的3D打印件與驅(qū)動的輸出搖桿連接, 搖桿通過螺絲與3D打印件鉸接, 組成翅膀骨架的碳纖維棒插入3D打印件的圓孔固定. 前后翅的翼緣、翅膀主桿和翼肋分別采用直徑1.3 mm, 1.5 mm和1 mm的碳纖維棒, 碳纖維棒之間通過3D打印件的圓孔固定連接, 最終構(gòu)成翅膀骨架. 翅膀薄膜為0.05 mm厚的氯化聚乙烯薄膜, 原色為乳白色, 翅膀上的花紋通過數(shù)碼直噴印花形成. 機(jī)身外殼也通過3D打印制成, 在實際飛行中可拆卸. 驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用一個無刷電機(jī)結(jié)合微型減速箱和平面四連桿結(jié)構(gòu), 通過PWM信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制撲翼頻率,頻閃儀測量結(jié)果顯示在帶負(fù)載的情況下, 撲翼頻率最大可達(dá)5 Hz. USTButterfly-S的轉(zhuǎn)向采用線驅(qū)方案, 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由電磁舵機(jī)、3D打印的雙層圓盤, 以及纏繞在圓盤上的彈性繩組成, 彈性繩另一端穿過翅膀主桿上的3D打印通道連接翅膀根部, 通過控制電磁舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和角度控制圓盤轉(zhuǎn)動動, 從而拉動彈性繩改變左右前翅的翼面面積, 產(chǎn)生不對稱氣動力進(jìn)行轉(zhuǎn)向, 此方案在仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人設(shè)計中為首次使用. USTButterfly-S搭載了自主設(shè)計的微型飛控板和微型攝像頭. 容量為300 mAh的3.7 V鋰電池為整個系統(tǒng)供電, 可實現(xiàn)持續(xù)飛行5分鐘.

　　3 系統(tǒng)設(shè)計

　　本節(jié)將從撲翼驅(qū)動子系統(tǒng)設(shè)計、仿生翅翼設(shè)計、線驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計、飛控系統(tǒng)設(shè)計四個方面詳述USTButterfly-S的系統(tǒng)組成與設(shè)計方法.

　　3.1 撲翼驅(qū)動子系統(tǒng)設(shè)計

　　驅(qū)動子系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)乎撲翼運動步態(tài)的設(shè)置, 是仿生撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計的核心之一. 如前所述, 生物蝴蝶的翅膀撲動沒有明顯的扭動, 在仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計時只需實現(xiàn)翅膀上下的平動揮拍, 因此對稱性和輕質(zhì)化成為我們關(guān)注的主要指標(biāo). 本文中的撲翼機(jī)構(gòu)采用如圖3 所示的平面四連桿機(jī)構(gòu), 它是由具有良好對稱性的雙曲搖桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成 [27] . 電機(jī)產(chǎn)生的圓周運動經(jīng)過微型減速箱的五級減速后, 驅(qū)動雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)做往復(fù)運動. 其中主、從動齒輪均采用POM(聚甲醛樹脂)材料, 該材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高, 同時兼顧優(yōu)良的滑動性和耐磨性. 曲柄、搖桿以及機(jī)架部分均為自主設(shè)計, 并采用3D打印的方式進(jìn)行加工, 材料為尼龍PA11.

　　圖4給出了左右完全對稱的雙曲柄雙搖桿平面四連桿結(jié)構(gòu)的運動簡圖, 其中O和O ′分別為主從動輪的圓心, N為搖桿的錨點, OO′處于水平方向, ?NOO′形成 腰 長 為a, 底 邊 長 為b的 等 腰 三 角 形, 定義δ = arccos(b/2a)為機(jī)架安裝角, OA和OA′為長度為r1的 曲 柄, AB和A ′ B ′為 長 度 為l的 連 桿, NB和NB ′為長度為r2的搖桿.

　　當(dāng)電機(jī)驅(qū)動主齒輪轉(zhuǎn)動時, 由于嚙合作用, 從動輪同步進(jìn)行轉(zhuǎn)動, 即A點和A ′在圓O和圓O ′上做圓周運動, 進(jìn)而帶動搖桿做往復(fù)撲動. 定義搖桿與水平方向的 夾 角 為 撲 動 角φ, 在 水 平 面 上 方 為 正. 當(dāng)O、A、B三點共線時對應(yīng)著撲翼沖程的最大上撲和下?lián)錁O限位置, 此時的最大撲動角φmax和最小撲動角φmin分別為 [27]根據(jù)Kang等人觀測的數(shù)據(jù) [23] , 生物蝴蝶飛行時的撲 翼 頻 率 在9 Hz 到11 Hz之 間, 拍 幅 角在191?到291?之間. 考慮到電機(jī)輸出功率的限制, 我們設(shè)置USTButterfly-S的撲翼模式為上下等幅撲動, 撲幅角為84? , 也即是φmax = −φmin = 42? . 綜合考慮 齒 輪 加 工 尺 寸 與 安 裝 緊 湊 性, 最終 設(shè) 定l = 15.65 mm, r1 = 4 mm, r2 = 6 mm, a = 16.8 mm, b = 13 mm. 驅(qū)動結(jié)構(gòu)在SolidWorks中的仿真結(jié)果如圖5所示, 其撲動呈正弦規(guī)律變化, 上下幅度為42? , 與預(yù)設(shè)值相同.

　　3.2 仿生翅翼設(shè)計

　　蝴蝶翅膀的幾何構(gòu)型、翅脈和質(zhì)量分布與其氣動特性密切相關(guān). 考慮到仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的翅膀與生物蝴蝶有著不同的大小、形狀、材料和翅脈結(jié)構(gòu), 對仿蝴蝶撲翼飛行翅膀的幾何形狀以及質(zhì)量分布等 特 征 進(jìn) 行 參 數(shù) 化 描 述 是 十 分 必 要 的. 由于USTButterfly-S翅膀厚度較小, 在形態(tài)學(xué)分析時主要考慮平面幾何形狀. 以右翅為例, 如圖6所示, 在翅膀平面建立直角坐標(biāo)系XwOYw, 其中Xw和Yw分別代表翅膀展向和弦向, yl和yt分別代表翅膀前緣和后緣函數(shù), b為翼展, 藍(lán)色矩形為寬度為dr的翅膀片條, r為片條到原點的展向距離, c(r)為片條的高度也即是距離翅膀根部為r處的弦長, Pcom和Pgc分別為翅膀的質(zhì)心和幾何中心, 點A、B、C、D、E是翅膀緣線上的分界點.

　　由 翅 膀 的 前 后 緣 函 數(shù) 可 得 弦長c(r) = yl(r) − yt(r), 則單個翅膀的面積可通過積分表示為S = ∫ b 2 0 c(r)dr, 平均弦長為c¯ = 2S/b, 展弦比 為AR = b/c¯, 機(jī) 翼 載 荷 為Pw = m/2S, 其中m為USTButterfly-S的質(zhì)量. 參考Betts等人的無量綱處理方法 [25] , 得到無量綱展向距離為rˆ = 2r/b, 無量綱弦長為cˆ(ˆr) = c(r)/c¯, 進(jìn)一步有無量綱前緣函數(shù)為yˆl(ˆr) = yl(r)/c¯, 無 量 綱 后 緣 函 數(shù)為yˆt(ˆr) = yt(r)/c¯, 無 量 綱k階 面 積 矩 回 轉(zhuǎn) 半 徑為rˆk = [∫ 1 0 cˆ(ˆr)ˆr kdrˆ] 1/k . 由于USTButterfly-S翅膀的前后緣函數(shù)并不光滑, 因此采用分段函數(shù)進(jìn)行描述, 翅 膀 前 緣 分 為AB段 和BC段, 翅 膀 后 緣 分為AE段、ED 段和DC段, 并采用多項式函數(shù)進(jìn)行近似. 通過MATLAB中的Curve Fitting tool進(jìn)行曲線擬合, 得到右翅無量綱前后緣函數(shù)如表2所示.

　　根據(jù)以上定義的各指標(biāo), 可以對USTButterfly-S翅膀的幾何特性進(jìn)行定量化描述. 為了說明其翅膀的仿生特性, 需要將這些指標(biāo)和生物蝴蝶進(jìn)行對比, 為此, 參考 [25]中對自然界生物蝴蝶翅膀進(jìn)行過的形貌學(xué)研究所得出的數(shù)據(jù), 選擇與其展弦比AR最接近的蝴蝶品種GS3(Graphium, 青鳳蝶)進(jìn)行比對. 具體的比較結(jié)果如表3所示, 可以看出USTButterfly-S與生物蝴蝶有著十分接近的展弦比和較為相似的無量綱一階 、 二 階 無 量 綱 回 轉(zhuǎn) 距 半 徑, 這 表明USTButterfly-S與生物蝴蝶有著較為相似的翼型. 此外, 還可以看出USTButterfly-S的翼載荷明顯大于生物蝴蝶, 一個可能的解釋是隨著翅膀尺寸增大, 雷諾數(shù)增大, 空氣的粘滯效應(yīng)減小, 因此能產(chǎn)生更大的升推力.

　　3.3 線驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

　　圖7給出了我們設(shè)計的線驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其工作原理圖. 彈性繩從翅膀根部穿入, 連接至翅膀末端, 左右翅膀的兩根彈性繩連接至360度舵驅(qū)動的雙層圓盤的上層和下層, 舵機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動圓盤旋轉(zhuǎn), 從而改變左右彈性繩的長度, 進(jìn)而拉動翅膀改變有效的撲翼面積. 當(dāng)圓盤順時針轉(zhuǎn)動時, 左邊彈性繩放松, 右邊拉緊, 拉動右前翅根部, 反之拉動左前翅根部. 通過上方的電位器返回圓盤旋轉(zhuǎn)角度σ, 進(jìn)而控制360度舵機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)或者停止. 定義圓盤順時針旋轉(zhuǎn)角度為正, 圓盤旋轉(zhuǎn)角度σ被限定在-540?和540?之間.

　　將翅膀視做一個整體, 忽略翅膀形變, 翅膀撲動產(chǎn)生的垂直于翅膀平面的升力FL和向前的推力FT如下： FL = 1 2 clρSv2 (3) Ft = 1 2 ctρSv2 (4) 其中cl和ct分別為平均升力系數(shù)和平均推力系數(shù), ρ為空氣密度, S為翅膀面積, v為翅膀相對空氣速度. 事實上, 由于每一個翅膀片條的線速度不同, 其相對于空氣的速度也不相同, 翅膀的氣動力更適宜于用積分形式表示, 但是此處為了便于說明翅膀面積對升推力的影響, 我們用平均升推力系數(shù)的方式去近似表示. 在不考慮翅膀形變的情況下, 翅膀片條沿展向的積分與面積相關(guān).

　　如圖8所示, 當(dāng)翅膀面積S發(fā)生變化時, 左右翅膀產(chǎn)生不等的升推力, 進(jìn)一步產(chǎn)生了偏航和滾轉(zhuǎn)力矩, 從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向. 圖中上標(biāo)L和R分別代表左右翅膀(以機(jī)頭朝向為基準(zhǔn)), 弧形陰影部分表示撲翼沖程面, 圖中顯示為右翅面積大于左翅面積時的力矩產(chǎn)生機(jī)制. 值得注意的是, 圖8只給出了翅膀在水平面時的瞬時受力分析, 實際上由于左右翅膀完全對稱撲動, 在其它任意時刻翅膀關(guān)于機(jī)身軸對稱, 左右翅膀產(chǎn)生的升力沿水平方向的分量相互抵消, 而垂直方向的分量依然有類似的力矩產(chǎn)生機(jī)制.

　　3.4 飛控系統(tǒng)設(shè)計

　　飛控系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分之一. 受載荷限制, 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的飛控硬件設(shè)計部分需更多的關(guān)注輕質(zhì)和微型化設(shè)計. 圖9示出的是我們自主設(shè)計的飛控板, 其尺寸為16 mm*26 mm, 重量為2.7 g. 主控芯片采用STM32F1系列單片機(jī), 飛控板包含了MPU6050六軸姿態(tài)傳感器(包含3軸加速度計和3軸陀螺儀)、UWB(Ultra Wide Band)定位芯片、JTAG接口、三路PWM波輸出口、USB轉(zhuǎn)串口、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)接口、電源開關(guān)等模塊, 主控芯片通過I 2C接口讀取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù), UWB定位芯片用于USTButterfly-S室內(nèi)飛行時的定位. JTAG接口用于連接J-Link下載器下載飛控程序. 三路PWM波輸出接口中的PWM1用于外接3A電調(diào)驅(qū)動無刷電機(jī), PWM2用于驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的360度舵機(jī), PWM3是備用接口. USB轉(zhuǎn)串口通過USB線連接電腦, 用于調(diào)試以及修改flash數(shù)據(jù). ADC接口用于采集電位器的反饋電壓. 通信方式采用2.4 GHz頻段的ZigBee無線通信技術(shù), 實現(xiàn)遙控和上位機(jī)與USTButterfly-S之間的飛行數(shù)據(jù)及控制指令的傳輸. 圖中表示外接接口的白色粗箭頭的方向代表信號流通方向.

　　4 飛行實驗

　　在完成了USTButterfly-S的系統(tǒng)設(shè)計與集成后, 我們通過室內(nèi)飛行實驗驗證其飛行能力. 飛行實驗的系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖10所示.

　　整個系統(tǒng)分為天空端和地面端. 天空端以機(jī)載飛控板為核心. 飛控板通過ZigBee通信模塊接收來自飛手和上位機(jī)的飛控指令, 然后輸出PWM信號控制撲翼驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向驅(qū)動舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度, 進(jìn)而控制USTButterfly-S在室內(nèi)盤旋飛行. 飛控板板載的MPU6050傳感器采集運動信息, 經(jīng)過主控芯片解算和濾波后通過ZigBee將姿態(tài)信息發(fā)送至上位機(jī). 板載UWB定位芯片與地面的UWB基站實時通信并在上位 機(jī) 上 解 算 出USTButterfly-S的 實 時 位 置. 此 外, USTButterfly-S搭載重量僅為4 g的120?廣角彩色攝像頭, 攝像頭分辨率為480×360, 能滿足室內(nèi)航拍需求. 通過圖傳接收機(jī)將航拍視頻實時發(fā)送至上位機(jī). 地面端 以 操 作 人 員 和 上 位 機(jī) 為 核 心. 上 位 機(jī) 連接USB-ZigBee 協(xié)調(diào)器和圖傳接收器, 分別接收飛行數(shù)據(jù)和航拍圖像, 經(jīng)過處理后顯示在交互界面上, 操作人員觀察界面的數(shù)據(jù)和圖像, 推動遙控器搖桿控制USTButterfly-S的飛行. 圖11顯示了其在室內(nèi)盤旋飛行時的照片及其航拍圖像截圖, 飛行視頻可見附件材料或者.

　　根據(jù) [23]中活體觀察給出的實驗結(jié)果, 鳳蝶在前向飛行時伴隨著身體周期性的上下起伏, 其攻角變化范圍在0 ?到40?之間, 由于前向飛行時爬升角較小, 可以 近 似 認(rèn) 為 俯 仰 角 與 攻 角 相 等. 圖12給 出了USTButterfly-S飛行時的俯仰角變化曲線, 可以看出USTButterfly-S在飛行時有著類似的上下起伏運動, 其俯仰角在19?到49?之間周期性波動. 我們認(rèn)為生物蝴蝶與USTButterfly-S撲動頻率和幅度的差異是造成俯仰角變化范圍不同的可能原因. 此外,生物蝴蝶能夠控制腹部運動調(diào)節(jié)姿態(tài)，這種運動自由度差異是造成機(jī)身俯仰變化差異的另一個可能原因. 以上的實驗結(jié)果表明, 我們設(shè)計的線驅(qū)動方式能有效地控制USTButterfly-S的航向, 實現(xiàn)在有限室內(nèi)空間的自由可控飛行, 并且USTButterfly-S的飛行姿態(tài)有著較高的仿生性, 可以為研究生物蝴蝶的飛行機(jī)理提供新的方案.

　　5 結(jié)論

　　面向仿生撲翼飛行機(jī)器人在軍民融合領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景, 系統(tǒng)地設(shè)計并研發(fā)了一款新型線驅(qū)動仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人USTButterfly-S. 首先結(jié)合生物蝴蝶翅膀的撲動特征, 設(shè)計了具有良好對稱性的雙曲柄雙搖桿撲翼結(jié)構(gòu), 不同于現(xiàn)有的橡皮筋驅(qū)動或者舵機(jī)驅(qū)動的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人, 基于電機(jī)驅(qū)動有效地將撲翼頻率提升至5 Hz. 然后通過對鳳蝶翅膀外型特征的模仿, 設(shè)計了具有高度仿生外觀的翅翼結(jié)構(gòu), 對翅膀的幾何學(xué)研究表明USTButterfly-S與青鳳蝶有著較為接近的翅膀形態(tài)學(xué)參數(shù). 接著, 針對仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制問題, 考慮翅翼面積對撲翼氣動力的影響, 首次采用線驅(qū)動調(diào)節(jié)翅翼面積的方式實現(xiàn)了USTButterfly-S的無尾航向控制. 最后通過系統(tǒng)集成, 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人具備室內(nèi)盤旋飛行、實時航拍等功能, 并且展現(xiàn)出與生物蝴蝶相似的飛行特征. 這些結(jié)果表明我們設(shè)計的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅可以用于執(zhí)行實際飛行任務(wù), 還能為后續(xù)研究生物蝴蝶的飛行機(jī)理提供新的思路. 但是目前我們所研制的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人在尺寸質(zhì)量、運動自由度、翅膀撲動模態(tài)等各方面與真實蝴蝶仍有較大的差 距. 未 來 將 通 過 進(jìn) 一 步 的 仿 生 學(xué) 研 究, 提高USTButterfly-S 的仿生度與飛行性能, 并結(jié)合先進(jìn)人工智能技術(shù), 提升系統(tǒng)智能化水平.