基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与控制

　　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50cm,重50g,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表明,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

　　1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[1–2].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[3–4].代表性的研究成果包括哈佛大学Robobee系列[5–7]、代尔夫特理工大学Delfly系列[8–9]、伊利诺伊大学香槟分校BatBot[10]、德国Festo公司Smartbird[3]、马里兰大学RoboRaven[11]、韩国建国大学KUBeetle系列[12–14]、淡江大学GoldenSnitch[15]、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[19–22],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0.39g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].

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　　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50cm、重32g、采用两个独立舵机驱动的仿蝴蝶扑翼飞行机器人eMotionButterflies[12].

　　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1Hz到2Hz,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]同样采用舵机驱动设计了一款翼展为49.8cm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对比分析提供参考，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10Hz(果蝇约为250Hz).

　　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.测量结果表明,相较于eMotionButterflies的舵机驱动方式,能有效提升扑翼频率至5Hz,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,其展弦比较小,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0.05mm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,DelflyNimble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.而第二种方式则更常见于攻角较大、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50cm,重50g,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.这些研究结果表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对比分析研究.

　　本文的主要创新点可以归纳成以下三个部分：1)自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对比.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、翅膀主杆和翼肋分别采用直径1.3mm,1.5mm和1mm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0.05mm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5Hz.

　　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300mAh的3.7V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、摇杆以及机架部分均为自主设计,并采用3D打印的方式进行加工,材料为尼龙PA11.

　　3.2仿生翅翼设计

　　蝴蝶翅膀的几何构型、翅脉和质量分布与其气动特性密切相关.考虑到仿蝴蝶扑翼飞行机器人的翅膀与生物蝴蝶有着不同的大小、形状、材料和翅脉结构,对仿蝴蝶扑翼飞行翅膀的几何形状以及质量分布等特征进行参数化描述是十分必要的.由于USTButterfly-S翅膀厚度较小,在形态学分析时主要考虑平面几何形状.

　　4飞行实验

　　在完成了USTButterfly-S的系统设计与集成后,我们通过室内飞行实验验证其飞行能力.整个系统分为天空端和地面端.天空端以机载飞控板为核心.飞控板通过ZigBee通信模块接收来自飞手和上位机的飞控指令,然后输出PWM信号控制扑翼驱动电机的转速和转向驱动舵机的旋转角度,进而控制USTButterfly-S在室内盘旋飞行.飞控板板载的MPU6050传感器采集运动信息,经过主控芯片解算和滤波后通过ZigBee将姿态信息发送至上位机.

　　板载UWB定位芯片与地面的UWB基站实时通信并在上位机上解算出USTButterfly-S的实时位置.此外,USTButterfly-S搭载重量仅为4g的120◦广角彩色摄像头,摄像头分辨率为480×360,能满足室内航拍需求.通过图传接收机将航拍视频实时发送至上位机.地面端以操作人员和上位机为核心.上位机连接USB-ZigBee协调器和图传接收器,分别接收飞行数据和航拍图像,经过处理后显示在交互界面上,操作人员观察界面的数据和图像,推动遥控器摇杆控制USTButterfly-S的飞行.

　　根据[23]中活体观察给出的实验结果,凤蝶在前向飞行时伴随着身体周期性的上下起伏,其攻角变化范围在0◦到40◦之间,由于前向飞行时爬升角较小,可以近似认为俯仰角与攻角相等.给出了USTButterfly-S飞行时的俯仰角变化曲线,可以看出USTButterfly-S在飞行时有着类似的上下起伏运动,其俯仰角在19◦到49◦之间周期性波动.我们认为生物蝴蝶与USTButterfly-S扑动频率和幅度的差异是造成俯仰角变化范围不同的可能原因.

　　此外,生物蝴蝶能够控制腹部运动调节姿态，这种运动自由度差异是造成机身俯仰变化差异的另一个可能原因.以上的实验结果表明,我们设计的线驱动方式能有效地控制USTButterfly-S的航向,实现在有限室内空间的自由可控飞行,并且USTButterfly-S的飞行姿态有着较高的仿生性,可以为研究生物蝴蝶的飞行机理提供新的方案.

　　5结论

　　面向仿生扑翼飞行机器人在军民融合领域的巨大应用前景,系统地设计并研发了一款新型线驱动仿蝴蝶扑翼飞行机器人USTButterfly-S.首先结合生物蝴蝶翅膀的扑动特征,设计了具有良好对称性的双曲柄双摇杆扑翼结构,不同于现有的橡皮筋驱动或者舵机驱动的仿蝴蝶扑翼飞行机器人,基于电机驱动有效地将扑翼频率提升至5Hz.然后通过对凤蝶翅膀外型特征的模仿,设计了具有高度仿生外观的翅翼结构,对翅膀的几何学研究表明USTButterfly-S与青凤蝶有着较为接近的翅膀形态学参数.

　　接着,针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的转向控制问题,考虑翅翼面积对扑翼气动力的影响,首次采用线驱动调节翅翼面积的方式实现了USTButterfly-S的无尾航向控制.最后通过系统集成,仿蝴蝶扑翼飞行机器人具备室内盘旋飞行、实时航拍等功能,并且展现出与生物蝴蝶相似的飞行特征.这些结果表明我们设计的仿蝴蝶扑翼飞行机器人不仅可以用于执行实际飞行任务,还能为后续研究生物蝴蝶的飞行机理提供新的思路.但是目前我们所研制的仿蝴蝶扑翼飞行机器人在尺寸质量、运动自由度、翅膀扑动模态等各方面与真实蝴蝶仍有较大的差距.未来将通过进一步的仿生学研究,提高USTButterfly-S的仿生度与飞行性能,并结合先进人工智能技术,提升系统智能化水平.

　　参考文献:

　　[1]HeWei,DingShi-Qiang,SunChang-Yin.Researchprogressonmodelingandcontrolofflapping-wingairvehicles.ActaAutomaticaSinica,2017,43(5):685−696.(贺威,丁施强,孙长银.扑翼飞行器的建模与控制研究进展.自动化学报,2017,43(5):685-696.)

　　[2]HeW,HuangHF,ChenYN,XieWZ,FengFS,KangYM,SunCY.Developmentofanautonomousflapping-wingaerialvehicle.ScienceChinaInformationScience,2017,60(6):063201.

　　[3]MackenzieD.Aflappingofwings.Science,2012,335(6075):1430−1433.

　　作者：黄海丰1,贺威1,2†,邹尧1,杨昆翰1,孙长银3