仿生扑翼飞行器的控制系统

扑翼飞行器的自主飞行离不开姿态控制及位置控制。

与传统的固定翼和旋转翼飞机不同，扑翼飞行器姿态的控制主要依靠扑翼运动方式的改变，并配合尾翼的辅助调节。扑翼控制方法可以分为主动或被动两类，能控制机翼滚转、俯仰和偏航运动。

（1）机翼旋转调制（被动）：空气动力产生机翼推动，使其与气流对齐。机翼在空气动力和惯性载荷下的无限运动受到两个可调节止动器的限制。扑翼飞行器的攻角由机翼旋转角的变化控制，从而影响升力和阻力参数。但存在机翼效率降低、噪声和控制精度问题。

（2）机翼扭转调制（主动）：基于扭转对升力和阻力参数的影响原理，通过控制俯仰实现。柔性翼膜是被动变形的，但扭转分布是通过拧紧/松动膜来控制的。翼膜附着在一个刚性的前缘上，翼尖的角度被调节以收紧或松开翼膜，以改变在中间冲程附近的膜的松弛度。从而产生扭转、俯仰和偏航力矩。主要优点是使用较小的控制输入，即可产生有效力矩。

扑翼控制方法示意（Nano Humming Bird顶视图）

（a)机翼旋转调制；（b）机翼扭转调制。

左翼的攻角比右翼高于右翼，飞行器向右旋转。

两翼在行进方向前部增加攻角，飞行器俯仰。

扑翼飞行器Nano Humming Bird

控制系统可以实现扑翼微型飞行器飞行姿态的转换，主要是通过控制信号实现直流电动机转速和扭矩的改变，进而实现对扑动频率和扑动扭矩的控制；同时其还具备对电磁方向舵的控制功能进而实现飞行方向的转变，即实现飞行器偏航。

扑翼飞行器大部分需额外增加控制系统进行机翼驱动和控制。

对于固定翼和旋翼的飞行器，最简单的控制方法就是多通道遥控器与接收机的开源控制。

但由于扑翼飞行器本身易受扰动，当飞行环境的变化对机身产生额外的扰动时，飞行器本身不能及时自稳，只能依靠操纵手来手动修正飞行姿态，该方法对操作经验提出了很高的要求。

此外，国内外已存在一些较为成熟的飞控系统，其中典型的是苏黎世联邦理工学院（ETH）推出的开源多功能飞控板Pixhawk，但其总重大（25g）、功能多，不完全适应扑翼飞行器的控制要求。

在航空领域常见的多种飞行器控制系统中，技术最成熟的方法为比例积分微分控制法（Proportion Integral Differential，PID）。

 飞行器控制系统的优缺点

但由于扑翼飞行器质量小，易受阵风干扰而呈强烈的非线性和大幅度的非定常飞行动力学问题，常规的PID控制方法已不适用，必须根据不同的微型扑翼飞行器类型、甚至不同的特定飞行器，建立智能飞行控制方法。扑翼飞行器所设定的一些任务模式决定它常常需要在操纵者的视线之外飞行，也对扑翼飞行器自主式的导航系统提出了相应要求。

但鲜有研究能够实现基于仿生扑翼飞行器的自主飞行。

DelFly Explorer搭载了0.98g自主飞行单元和4.0g机载立体视觉系统，结合立体视觉算法，实现自主避障与自主飞行，但无法进行室外飞行。

扑翼飞行器DelFly

（a）扑翼飞行器整体；(b)DelFly Explorer缓慢前进飞行；(c)立体视觉系统；

(d)自主飞行单元，使用8位微控制器和MPU9050 IMU；(e)参考坐标系。

马里兰大学迭代设计的Robo Raven IV搭载了ArduPilot Mega 2.5自动驾驶控制系统，结合GPS进行自主巡航，但是自主飞行效果并不理想。

西北工业大学设计的信鸽扑翼飞行器飞行较为稳定，在自主飞行实验中实现了较好的效果。

北京科技大学设计的USTBird，采用两个舵机实现了左右翅膀的独立控制，并在机身搭载IMU、GPS、气压计等传感器，实现了室外半径10∼40 m圆形范围内的自主巡航飞行；并迭代完成仿猎鹰扑翼飞行器的自主定高圆弧轨迹跟踪任务。

仿猎鹰飞行器

(a)仿猎鹰扑翼飞行器的整体结构；(b)仿猎鹰扑翼飞行器

整体来说，当前扑翼系统的自主水平和飞行特性不高，难以在复杂多变的场景和极端环境中进行导航和探索，仍需研究者们共同努力、突破难题。

[14] 贺威,刘上平,黄海丰,等.独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人的系统设计与实验.控制理论与应用,2022,39:12–22.

文章来源：风羽飞行器