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(jì)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(jì)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50cm,重50g,可實(shí)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(dòng)特征,設(shè)計(jì)了雙曲柄雙搖桿對稱撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).然后模仿鳳蝶的翅翼形狀,設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)拉動(dòng)翅膀調(diào)節(jié)翅翼面積,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了USTButterfly-S的無尾航向控制.最后集成自主設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)航拍.在實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)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(jì);無尾控制;線驅(qū)動(dòng)

　　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(dòng)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BatBot[10]、德國Festo公司Smartbird[3]、馬里蘭大學(xué)RoboRaven[11]、韓國建國大學(xué)KUBeetle系列[12–14]、淡江大學(xué)GoldenSnitch[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(jì)了一款重量僅0.39g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].

　　機(jī)器人評職知識： 工業(yè)機(jī)器人論文可投稿sci期刊

　　但是由于采用的橡皮筋驅(qū)動(dòng)方式,這款機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)簡單的撲翼動(dòng)作支持短暫的前向飛行,無法實(shí)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(jì)了一款翼展50cm、重32g、采用兩個(gè)獨(dú)立舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多機(jī)的協(xié)調(diào)飛行,但是舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式使得它的翅膀撲動(dòng)頻率只能維持在1Hz到2Hz,與真實(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)了一款翼展為49.8cm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(jì)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(dòng)及仿生翼型設(shè)計(jì)一直是仿生撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.與鳥類、蜜蜂、果蠅等其它采用一對翅膀撲動(dòng)的飛行生物不同,擁有兩對翅膀的蝴蝶有著自己獨(dú)特的翅翼結(jié)構(gòu)和撲動(dòng)模式.相較于其它的昆蟲,蝴蝶的撲翼頻率較低,約為10Hz(果蠅約為250Hz).

　　此外,蝴蝶翅膀在撲動(dòng)過程中沒有明顯的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(diǎn),我們采用電機(jī)結(jié)合平面四連桿的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前翅和后翅一起撲動(dòng).測量結(jié)果表明,相較于eMotionButterflies的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,能有效提升撲翼頻率至5Hz,且能保證左右翅膀較好的運(yùn)動(dòng)對稱性。另一個(gè)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(shí),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(dú)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(diǎn),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0.05mm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(jì)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(jì)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(shí)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(dòng)控制實(shí)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(dòng)翅膀根部實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[13].特別地,DelflyNimble同時(shí)使用了兩種方式實(shí)現(xiàn)對三個(gè)姿態(tài)角的獨(dú)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(dòng)的方式實(shí)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(dòng)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(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們所設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)方式能夠有效地實(shí)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(jì)的飛控系統(tǒng),我們設(shè)計(jì)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人翼展50cm,重50g,可實(shí)現(xiàn)5分鐘的可控飛行,能夠執(zhí)行室內(nèi)盤旋飛行、實(shí)時(shí)航拍等任務(wù).

　　通過對實(shí)際飛行時(shí)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(shí)展現(xiàn)出類似于生物蝴蝶的上下俯仰運(yùn)動(dòng).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(shí)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)可以歸納成以下三個(gè)部分：1)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一款續(xù)航時(shí)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿生翼型設(shè)計(jì)和飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等;2)首次設(shè)計(jì)和采用線驅(qū)動(dòng)的方式控制仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了其自由可控飛行，飛行試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(jì)面臨著驅(qū)動(dòng)、能源、材料、控制等多方面的挑戰(zhàn)[4].在本文的設(shè)計(jì)中,我們旨在模仿生物蝴蝶的核心翅翼形態(tài)與撲動(dòng)特征,研制可在真實(shí)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(jì)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.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(gè)前翅和一個(gè)后翅組成.翅膀通過設(shè)計(jì)的3D打印件與驅(qū)動(dòng)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1.3mm,1.5mm和1mm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0.05mm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(shí)際飛行中可拆卸.驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一個(gè)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)5Hz.

　　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(dòng)動(dòng),從而拉動(dòng)彈性繩改變左右前翅的翼面面積,產(chǎn)生不對稱氣動(dòng)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(jì)中為首次使用.USTButterfly-S搭載了自主設(shè)計(jì)的微型飛控板和微型攝像頭.容量為300mAh的3.7V鋰電池為整個(gè)系統(tǒng)供電,可實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行5分鐘.

　　3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

　　3.1撲翼驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)乎撲翼運(yùn)動(dòng)步態(tài)的設(shè)置,是仿生撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心之一.如前所述,生物蝴蝶的翅膀撲動(dòng)沒有明顯的扭動(dòng),在仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只需實(shí)現(xiàn)翅膀上下的平動(dòng)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(yùn)動(dòng)經(jīng)過微型減速箱的五級減速后,驅(qū)動(dòng)雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動(dòng).其中主、從動(dòng)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(shí)兼顧優(yōu)良的滑動(dòng)性和耐磨性.曲柄、搖桿以及機(jī)架部分均為自主設(shè)計(jì),并采用3D打印的方式進(jìn)行加工,材料為尼龍PA11.

　　3.2仿生翅翼設(shè)計(jì)

　　蝴蝶翅膀的幾何構(gòu)型、翅脈和質(zhì)量分布與其氣動(dòng)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(shí)主要考慮平面幾何形狀.

　　4飛行實(shí)驗(yàn)

　　在完成了USTButterfly-S的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成后,我們通過室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其飛行能力.整個(gè)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(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)通信并在上位機(jī)上解算出USTButterfly-S的實(shí)時(shí)位置.此外,USTButterfly-S搭載重量僅為4g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(shí)時(shí)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(dòng)遙控器搖桿控制USTButterfly-S的飛行.

　　根據(jù)[23]中活體觀察給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,鳳蝶在前向飛行時(shí)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(shí)爬升角較小,可以近似認(rèn)為俯仰角與攻角相等.給出了USTButterfly-S飛行時(shí)的俯仰角變化曲線,可以看出USTButterfly-S在飛行時(shí)有著類似的上下起伏運(yùn)動(dòng),其俯仰角在19◦到49◦之間周期性波動(dòng).我們認(rèn)為生物蝴蝶與USTButterfly-S撲動(dòng)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(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)姿態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)自由度差異是造成機(jī)身俯仰變化差異的另一個(gè)可能原因.以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)方式能有效地控制USTButterfly-S的航向,實(shí)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(jì)并研發(fā)了一款新型線驅(qū)動(dòng)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(dòng)特征,設(shè)計(jì)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(dòng)或者舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人,基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)有效地將撲翼頻率提升至5Hz.然后通過對鳳蝶翅膀外型特征的模仿,設(shè)計(jì)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(dòng)力的影響,首次采用線驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)翅翼面積的方式實(shí)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(shí)時(shí)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(jì)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅可以用于執(zhí)行實(shí)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(yùn)動(dòng)自由度、翅膀撲動(dòng)模態(tài)等各方面與真實(shí)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.

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　　作者：黃海豐1,賀威1,2†,鄒堯1,楊昆翰1,孫長銀3

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