基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与控制

1、基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与控制简要：摘要: 作为一种新型飞行机器人, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人模仿自然界蝴蝶的生物结构和飞行方式, 能够有效地融入并适应复杂环境, 在军民融合领域具有广阔的应用前景. 目前针对仿蝴蝶扑翼飞行摘要: 作为一种新型飞行机器人, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人模仿自然界蝴蝶的生物结构和飞行方式, 能够有效地融入并适应复杂环境, 在军民融合领域具有广阔的应用前景. 目前针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的研究大多停留在对生物蝴蝶飞行机理的研究, 鲜有能够实现自由可控飞行的机器人系统. 本文设计了一款基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人, 名为USTButterfly-S, 其翼展50 cm, 重50 g, 可实现长达5分钟的自由可控飞行. 首先结合生物蝴蝶翅膀的扑动特征, 设计了双曲柄双摇杆对称扑翼驱动机构. 然后模仿凤蝶的翅翼形状, 设计了仿蝴蝶翼型. 对翅膀的几何学分析说明, USTButterfly-S的翅膀与凤蝶具有较好的形态相似性. 接着针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的转向控制问题, 首次采用线驱动机构拉动翅膀调节翅翼面积, 进而实现了USTButterfly-S的

2、无尾航向控制. 最后集成自主设计的飞控系统, USTButterfly-S能够实现室内盘旋飞行并进行实时航拍. 在实际飞行实验中, USTButterfly-S展现出类似生物蝴蝶的飞行特征.关键词: 仿生机器人; 仿蝴蝶扑翼飞行机器人; 系统设计; 无尾控制; 线驱动黄海丰; 贺威; 邹尧; 杨昆翰; 孙长银， 控制理论与应用 发表时间：2022-11-191 引言仿生扑翼飞行机器人指的是通过模仿鸟类、昆虫、蝙蝠等自然界飞行生物, 采用扑翼的方式产生升推力的一类飞行机器人 12 . 由于其潜在的能耗低、机动性好、隐蔽性强等显著优势, 仿生扑翼飞行机器人近年来受到研究人员的广泛关注, 并取得一定的研究 进 展 34 . 代 表 性 的 研 究 成 果 包 括 哈 佛 大学Robobee系 列 57、代 尔 夫 特 理 工 大 学Delfly系列 89、 伊 利 诺 伊 大 学 香 槟 分 校Bat Bot 10、 德国Festo公 司Smartbird 3、 马 里 兰 大 学Robo Raven 11、韩国建国大学KUBeetle系列 1214、淡江大学Golden Snitch 15

3、、西北工业大学Dove 16、哈尔 滨 工 业 大 学 ( 深 圳 ) 凤 凰 17、 北 京 科 技 大学USTBird 18等. 但是目前关于仿蝴蝶扑翼飞行机器人的研究大多停留在对生物蝴蝶飞行机理的研究 1922 , 鲜有能够实现自由可控飞行的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统. Tanaka等模仿凤蝶的翅膀结构, 设计了一款重量仅0.39 g的仿凤蝶扑翼飞行机器人, 用以研究凤蝶的前向飞行特性 23 . 但是由于采用的橡皮筋驱动方式, 这款机器人只能实现简单的扑翼动作支持短暂的前向飞行, 无法实现爬升飞行、转弯飞行等飞行模式的有效控制. 德国Festo公司设计了一款翼展50 cm、重32 g、采用两个独立舵机驱动的仿蝴蝶扑翼飞行机器人eMotionButterflies12 . 借助装载红外线摄像机的室内GPS系统, eMotionButterflies可以实现多机的协调飞行, 但是舵机驱动的方式使得它的翅膀扑动频率只能维持在1 Hz 到2 Hz, 与真实蝴蝶相差较远, 而且研究人员并未对eMotionButterflies的飞行控制和仿生特性分析进行进一步研究. 冷烨等 24同样采用舵机

4、驱动设计了一款翼展为49.8 cm的仿蝴蝶扑翼飞行机器人, 但是经过测试其升力不能克服重力. 考虑到仿蝴蝶扑翼飞行机器人不仅能够有效的融入并适应复杂环境, 还能为研究生物蝴蝶飞行机理提供新的研究视角, 研制出一款具有高度仿生性、能够实现自由可控飞行的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统具有重要意义. 凤蝶作为一种常见的蝴蝶种类，已有研究人员对其形态特征和飞行特征进行了大量研究，并取得了一些结果 23, 25，这些研究成果可以为我们样机的设计及与生物的比照分析提供参考，因此我们将凤蝶作为仿生对象.首先, 扑翼驱动及仿生翼型设计一直是仿生扑翼飞行机器人系统设计的关键. 与鸟类、蜜蜂、果蝇等其它采用一对翅膀扑动的飞行生物不同, 拥有两对翅膀的蝴蝶有着自己独特的翅翼结构和扑动模式. 相较于其它的昆虫, 蝴蝶的扑翼频率较低, 约为10 Hz(果蝇约为250 Hz). 此外, 蝴蝶翅膀在扑动过程中没有明显的翻转运动, 且其前翅和后翅在飞行中一般都是重叠在一起的 26 . 考虑到这些特点, 我们采用电机结合平面四连杆的结构驱动前翅和后翅一起扑动. 测量结果说明, 相较于eMotionButterflies的舵机

5、驱动方式, 能有效提升扑翼频率至5 Hz, 且能保证左右翅膀较好的运动对称性。另一个对扑翼飞行特性产生较大影响的因素是翅膀的翼型结构. 与鸟类由肌肉和羽毛组成的带弧度的翅膀不同, 蝴蝶的翅膀主要由细小的翅脉和轻薄的翅膜组成. 同时, 与同样是薄膜翼结构的果蝇等其它昆虫不同的是, 蝴蝶有着独特的翼面形状, 其展弦比拟小, 约为果蝇的一半. 考虑到这些特点, 我们模仿凤蝶的翼面形状, 采用碳纤维棒组成翼脉骨架并附着厚度仅为0.05 mm的氯化聚乙烯薄膜形成薄膜翼. 通过对翅膀的几何学分析, 我们设计的薄膜翼与生物蝴蝶有着较为接近的展弦比、无量纲一阶面积矩回转半径和无量纲二阶面积矩回转半径, 这意味着我们设计的翼型具有较高的仿生性.其次, 与通过尾翼控制方向的仿鸟扑翼飞行机器人不同, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人的无尾结构使得其实现转向控制较为困难. 现有的无尾仿生扑翼飞行机器人 转 向 控 制 主 要 包 括 两 种 方 式 ： 一 是 类似eMotionButterflies通过左右翼差动控制实现转向 12;二是类似KUBeetle通过舵机加连杆结构拉动翅膀根部实现转向 13 . 特别地, De

6、lfly Nimble同时使用了两种方式实现对三个姿态角的独立控制 9 . 针对我们已经设定好的四连杆扑翼结构, 采用第一种方式会大大增加结构的复杂性, 并且容易造成头部过重, 影响仿蝴蝶扑翼飞行机器人飞行性能. 而第二种方式那么更常见于攻角较大、近似于垂直向上飞行的扑翼飞行机器人. 在本文中, 我们首次采用了线驱动的方式实现对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的航向控制. 具体地, 我们采用电磁舵机拉动连接弹性绳, 从而改变左右翅膀的面积, 进而产生偏航和滚转力矩. 实际飞行实验验证了我们所设计的线驱动方式能够有效地实现对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的航向控制.最后, 通过集成自主设计的飞控系统, 我们设计的仿蝴蝶扑翼飞行机器人翼展50 cm, 重50 g, 可实现5分钟的可控飞行, 能够执行室内盘旋飞行、实时航拍等任务. 通过对实际飞行时的姿态数据分析发现, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人身体在飞行时展现出类似于生物蝴蝶的上下俯仰运动. 这些研究结果说明我们所研制的仿蝴蝶扑翼飞行机器人不仅可以用于执行真实环境下的飞行任务, 也可以用于对生物蝴蝶飞行机理的比照分析研究.本文的主要创新点可以归纳成以下三个局部：1)自

7、主设计研发了一款续航时间可达5分钟的仿蝴蝶扑翼飞行机器人，包括其驱动系统设计、仿生翼型设计和飞控系统设计等;2)首次设计和采用线驱动的方式控制仿蝴蝶扑翼飞行机器人的转向，实现了其自由可控飞行，飞行试验证明了控制系统的有效性;3)姿态数据分析结果显示仿蝴蝶扑翼飞行机器人与生物蝴蝶有着类似的身体起伏运动特征，这给研究生物蝴蝶的飞行机理提供了一种新的思路.2 样机系统概述高仿生扑翼飞行机器人的设计面临着驱动、能源、材料、控制等多方面的挑战 4 . 在本文的设计中, 我们旨在模仿生物蝴蝶的核心翅翼形态与扑动特征, 研制可在真实环境进行自由可控飞行的仿蝴蝶扑翼飞行机器人. 图1示出了我们自主设计的仿蝴蝶扑翼飞行机器人USTButterfly-S与其仿生对象凤蝶的比照. 图2给出了USTButterfly-S的系统组成与性能参数, 表1给出了其质量分布情况.USTButterfly-S包含左右两对翅膀, 每对翅膀由一个前翅和一个后翅组成. 翅膀通过设计的3D打印件与驱动的输出摇杆连接, 摇杆通过螺丝与3D打印件铰接, 组成翅膀骨架的碳纤维棒插入3D打印件的圆孔固定. 前后翅的翼缘、翅膀主杆和翼肋分

8、别采用直径1.3 mm, 1.5 mm和1 mm的碳纤维棒, 碳纤维棒之间通过3D打印件的圆孔固定连接, 最终构成翅膀骨架. 翅膀薄膜为0.05 mm厚的氯化聚乙烯薄膜, 原色为乳白色, 翅膀上的花纹通过数码直喷印花形成. 机身外壳也通过3D打印制成, 在实际飞行中可拆卸. 驱动结构采用一个无刷电机结合微型减速箱和平面四连杆结构, 通过PWM信号控制电机转速进而控制扑翼频率,频闪仪测量结果显示在带负载的情况下, 扑翼频率最大可达5 Hz. USTButterfly-S的转向采用线驱方案, 转向机构由电磁舵机、3D打印的双层圆盘, 以及缠绕在圆盘上的弹性绳组成, 弹性绳另一端穿过翅膀主杆上的3D打印通道连接翅膀根部, 通过控制电磁舵机的旋转方向和角度控制圆盘转动动, 从而拉动弹性绳改变左右前翅的翼面面积, 产生不对称气动力进行转向, 此方案在仿蝴蝶扑翼飞行机器人设计中为首次使用. USTButterfly-S搭载了自主设计的微型飞控板和微型摄像头. 容量为300 mAh的3.7 V锂电池为整个系统供电, 可实现持续飞行5分钟.3 系统设计本节将从扑翼驱动子系统设计、仿生翅翼设计、线驱动转

9、向机构设计、飞控系统设计四个方面详述USTButterfly-S的系统组成与设计方法.3.1 扑翼驱动子系统设计驱动子系统的设计关乎扑翼运动步态的设置, 是仿生扑翼飞行机器人系统设计的核心之一. 如前所述, 生物蝴蝶的翅膀扑动没有明显的扭动, 在仿蝴蝶扑翼飞行机器人驱动结构设计时只需实现翅膀上下的平动挥拍, 因此对称性和轻质化成为我们关注的主要指标. 本文中的扑翼机构采用如图3 所示的平面四连杆机构, 它是由具有良好对称性的双曲摇杆结构构成 27 . 电机产生的圆周运动经过微型减速箱的五级减速后, 驱动双曲柄双摇杆机构做往复运动. 其中主、从动齿轮均采用POM(聚甲醛树脂)材料, 该材料质量轻、强度高, 同时兼顾优良的滑动性和耐磨性. 曲柄、摇杆以及机架局部均为自主设计, 并采用3D打印的方式进行加工, 材料为尼龙PA11.图4给出了左右完全对称的双曲柄双摇杆平面四连杆结构的运动简图, 其中O和O 分别为主从动轮的圆心, N为摇杆的锚点, OO处于水平方向, NOO形成 腰 长 为a, 底 边 长 为b的 等 腰 三 角 形, 定义 = arccos(b/2a)为机架安装角, OA和OA为长度为r1的 曲 柄, AB和A B 为 长 度 为l的 连 杆, NB和NB 为长度为r2的摇杆.当电机驱动主齿轮转动时, 由于啮合作用, 从动轮同步进行转动, 即A点和A 在圆O和圆O 上做圆周运动, 进而带动摇杆做往复扑动. 定义摇杆与水平方向的 夹 角 为 扑 动 角, 在 水 平 面 上 方 为 正. 当O、A、B三点共线时对应着扑翼冲程的最大上扑和下扑极限位置, 此时的最大扑动角max和最小扑动角min分别为 27根据Kang等人观测的数据 23 , 生物蝴蝶飞行时的扑 翼 频 率 在9 Hz 到11 Hz之 间, 拍 幅 角在191到2

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