基于線驅轉向的仿蝴蝶撲翼飛行機器人系統設計與控制

　　摘要:作為一種新型飛行機器人,仿蝴蝶撲翼飛行機器人模仿自然界蝴蝶的生物結構和飛行方式,能夠有效地融入并適應復雜環境,在軍民融合領域具有廣闊的應用前景.目前針對仿蝴蝶撲翼飛行機器人的研究大多停留在對生物蝴蝶飛行機理的研究,鮮有能夠實現自由可控飛行的機器人系統.本文設計了一款基于線驅轉向的仿蝴蝶撲翼飛行機器人,名為USTButterfly-S,其翼展50cm,重50g,可實現長達5分鐘的自由可控飛行.首先結合生物蝴蝶翅膀的撲動特征,設計了雙曲柄雙搖桿對稱撲翼驅動機構.然后模仿鳳蝶的翅翼形狀,設計了仿蝴蝶翼型.對翅膀的幾何學分析表明,USTButterfly-S的翅膀與鳳蝶具有較好的形態相似性.接著針對仿蝴蝶撲翼飛行機器人的轉向控制問題,首次采用線驅動機構拉動翅膀調節翅翼面積,進而實現了USTButterfly-S的無尾航向控制.最后集成自主設計的飛控系統,USTButterfly-S能夠實現室內盤旋飛行并進行實時航拍.在實際飛行實驗中,USTButterfly-S展現出類似生物蝴蝶的飛行特征.

　　關鍵詞:仿生機器人;仿蝴蝶撲翼飛行機器人;系統設計;無尾控制;線驅動

　　1引言

　　仿生撲翼飛行機器人指的是通過模仿鳥類、昆蟲、蝙蝠等自然界飛行生物,采用撲翼的方式產生升推力的一類飛行機器人[1–2].由于其潛在的能耗低、機動性好、隱蔽性強等顯著優勢,仿生撲翼飛行機器人近年來受到研究人員的廣泛關注,并取得一定的研究進展[3–4].代表性的研究成果包括哈佛大學Robobee系列[5–7]、代爾夫特理工大學Delfly系列[8–9]、伊利諾伊大學香檳分校BatBot[10]、德國Festo公司Smartbird[3]、馬里蘭大學RoboRaven[11]、韓國建國大學KUBeetle系列[12–14]、淡江大學GoldenSnitch[15]、西北工業大學Dove[16]、哈爾濱工業大學(深圳)鳳凰[17]、北京科技大學USTBird[18]等.但是目前關于仿蝴蝶撲翼飛行機器人的研究大多停留在對生物蝴蝶飛行機理的研究[19–22],鮮有能夠實現自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機器人系統.Tanaka等模仿鳳蝶的翅膀結構,設計了一款重量僅0.39g的仿鳳蝶撲翼飛行機器人,用以研究鳳蝶的前向飛行特性[23].

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　　但是由于采用的橡皮筋驅動方式,這款機器人只能實現簡單的撲翼動作支持短暫的前向飛行,無法實現爬升飛行、轉彎飛行等飛行模式的有效控制.德國Festo公司設計了一款翼展50cm、重32g、采用兩個獨立舵機驅動的仿蝴蝶撲翼飛行機器人eMotionButterflies[12].

　　借助裝載紅外線攝像機的室內GPS系統,eMotionButterflies可以實現多機的協調飛行,但是舵機驅動的方式使得它的翅膀撲動頻率只能維持在1Hz到2Hz,與真實蝴蝶相差較遠,而且研究人員并未對eMotionButterflies的飛行控制和仿生特性分析進行進一步研究.冷燁等[24]同樣采用舵機驅動設計了一款翼展為49.8cm的仿蝴蝶撲翼飛行機器人,但是經過測試其升力不能克服重力.考慮到仿蝴蝶撲翼飛行機器人不僅能夠有效的融入并適應復雜環境,還能為研究生物蝴蝶飛行機理提供新的研究視角,研制出一款具有高度仿生性、能夠實現自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機器人系統具有重要意義.

　　鳳蝶作為一種常見的蝴蝶種類，已有研究人員對其形態特征和飛行特征進行了大量研究，并取得了一些結果[23,25]，這些研究成果可以為我們樣機的設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,撲翼驅動及仿生翼型設計一直是仿生撲翼飛行機器人系統設計的關鍵.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構和撲動模式.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,蝴蝶翅膀在撲動過程中沒有明顯的翻轉運動,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,我們采用電機結合平面四連桿的結構驅動前翅和后翅一起撲動.測量結果表明,相較于eMotionButterflies的舵機驅動方式,能有效提升撲翼頻率至5Hz,且能保證左右翅膀較好的運動對稱性。另一個對撲翼飛行特性產生較大影響的因素是翅膀的翼型結構.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小的翅脈和輕薄的翅膜組成.

　　同時,與同樣是薄膜翼結構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0.05mm的氯化聚乙烯薄膜形成薄膜翼.通過對翅膀的幾何學分析,我們設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半徑和無量綱二階面積矩回轉半徑,這意味著我們設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器人不同,仿蝴蝶撲翼飛行機器人的無尾結構使得其實現轉向控制較為困難.現有的無尾仿生撲翼飛行機器人轉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轉向[12];二是類似KUBeetle通過舵機加連桿結構拉動翅膀根部實現轉向[13].特別地,DelflyNimble同時使用了兩種方式實現對三個姿態角的獨立控制[9].針對我們已經設定好的四連桿撲翼結構,采用第一種方式會大大增加結構的復雜性,并且容易造成頭部過重, 影響仿蝴蝶撲翼飛行機器人飛行性能.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器人.

　　在本文中,我們首次采用了線驅動的方式實現對仿蝴蝶撲翼飛行機器人的航向控制.具體地,我們采用電磁舵機拉動連接彈性繩,從而改變左右翅膀的面積,進而產生偏航和滾轉力矩.實際飛行實驗驗證了我們所設計的線驅動方式能夠有效地實現對仿蝴蝶撲翼飛行機器人的航向控制.最后,通過集成自主設計的飛控系統,我們設計的仿蝴蝶撲翼飛行機器人翼展50cm,重50g,可實現5分鐘的可控飛行,能夠執行室內盤旋飛行、實時航拍等任務.

　　通過對實際飛行時的姿態數據分析發現,仿蝴蝶撲翼飛行機器人身體在飛行時展現出類似于生物蝴蝶的上下俯仰運動.這些研究結果表明我們所研制的仿蝴蝶撲翼飛行機器人不僅可以用于執行真實環境下的飛行任務,也可以用于對生物蝴蝶飛行機理的對比分析研究.

　　本文的主要創新點可以歸納成以下三個部分：1)自主設計研發了一款續航時間可達5分鐘的仿蝴蝶撲翼飛行機器人，包括其驅動系統設計、仿生翼型設計和飛控系統設計等;2)首次設計和采用線驅動的方式控制仿蝴蝶撲翼飛行機器人的轉向，實現了其自由可控飛行，飛行試驗證明了控制系統的有效性;3)姿態數據分析結果顯示仿蝴蝶撲翼飛行機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理提供了一種新的思路.

　　2樣機系統概述

　　高仿生撲翼飛行機器人的設計面臨著驅動、能源、材料、控制等多方面的挑戰[4].在本文的設計中,我們旨在模仿生物蝴蝶的核心翅翼形態與撲動特征,研制可在真實環境進行自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機器人.圖1示出了我們自主設計的仿蝴蝶撲翼飛行機器人USTButterfly-S與其仿生對象鳳蝶的對比.給出了USTButterfly-S的系統組成與性能參數,表1給出了其質量分布情況.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.翅膀通過設計的3D打印件與驅動的輸出搖桿連接,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1.3mm,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碼直噴印花形成.機身外殼也通過3D打印制成,在實際飛行中可拆卸.驅動結構采用一個無刷電機結合微型減速箱和平面四連桿結構,通過PWM信號控制電機轉速進而控制撲翼頻率,頻閃儀測量結果顯示在帶負載的情況下,撲翼頻率最大可達5Hz.

　　USTButterfly-S的轉向采用線驅方案,轉向機構由電磁舵機、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,通過控制電磁舵機的旋轉方向和角度控制圓盤轉動動,從而拉動彈性繩改變左右前翅的翼面面積,產生不對稱氣動力進行轉向,此方案在仿蝴蝶撲翼飛行機器人設計中為首次使用.USTButterfly-S搭載了自主設計的微型飛控板和微型攝像頭.容量為300mAh的3.7V鋰電池為整個系統供電,可實現持續飛行5分鐘.

　　3系統設計

　　本節將從撲翼驅動子系統設計、仿生翅翼設計、線驅動轉向機構設計、飛控系統設計四個方面詳述USTButterfly-S的系統組成與設計方法.

　　3.1撲翼驅動子系統設計

　　驅動子系統的設計關乎撲翼運動步態的設置,是仿生撲翼飛行機器人系統設計的核心之一.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器人驅動結構設計時只需實現翅膀上下的平動揮拍,因此對稱性和輕質化成為我們關注的主要指標.本文中的撲翼機構采用如圖3所示的平面四連桿機構,它是由具有良好對稱性的雙曲搖桿結構構成[27].電機產生的圓周運動經過微型減速箱的五級減速后,驅動雙曲柄雙搖桿機構做往復運動.其中主、從動齒輪均采用POM(聚甲醛樹脂)材料,該材料質量輕、強度高,同時兼顧優良的滑動性和耐磨性.曲柄、搖桿以及機架部分均為自主設計,并采用3D打印的方式進行加工,材料為尼龍PA11.

　　3.2仿生翅翼設計

　　蝴蝶翅膀的幾何構型、翅脈和質量分布與其氣動特性密切相關.考慮到仿蝴蝶撲翼飛行機器人的翅膀與生物蝴蝶有著不同的大小、形狀、材料和翅脈結構,對仿蝴蝶撲翼飛行翅膀的幾何形狀以及質量分布等特征進行參數化描述是十分必要的.由于USTButterfly-S翅膀厚度較小,在形態學分析時主要考慮平面幾何形狀.

　　4飛行實驗

　　在完成了USTButterfly-S的系統設計與集成后,我們通過室內飛行實驗驗證其飛行能力.整個系統分為天空端和地面端.天空端以機載飛控板為核心.飛控板通過ZigBee通信模塊接收來自飛手和上位機的飛控指令,然后輸出PWM信號控制撲翼驅動電機的轉速和轉向驅動舵機的旋轉角度,進而控制USTButterfly-S在室內盤旋飛行.飛控板板載的MPU6050傳感器采集運動信息,經過主控芯片解算和濾波后通過ZigBee將姿態信息發送至上位機.

　　板載UWB定位芯片與地面的UWB基站實時通信并在上位機上解算出USTButterfly-S的實時位置.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,能滿足室內航拍需求.通過圖傳接收機將航拍視頻實時發送至上位機.地面端以操作人員和上位機為核心.上位機連接USB-ZigBee協調器和圖傳接收器,分別接收飛行數據和航拍圖像,經過處理后顯示在交互界面上,操作人員觀察界面的數據和圖像,推動遙控器搖桿控制USTButterfly-S的飛行.

　　根據[23]中活體觀察給出的實驗結果,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,可以近似認為俯仰角與攻角相等.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節姿態，這種運動自由度差異是造成機身俯仰變化差異的另一個可能原因.以上的實驗結果表明,我們設計的線驅動方式能有效地控制USTButterfly-S的航向,實現在有限室內空間的自由可控飛行,并且USTButterfly-S的飛行姿態有著較高的仿生性,可以為研究生物蝴蝶的飛行機理提供新的方案.

　　5結論

　　面向仿生撲翼飛行機器人在軍民融合領域的巨大應用前景,系統地設計并研發了一款新型線驅動仿蝴蝶撲翼飛行機器人USTButterfly-S.首先結合生物蝴蝶翅膀的撲動特征,設計了具有良好對稱性的雙曲柄雙搖桿撲翼結構,不同于現有的橡皮筋驅動或者舵機驅動的仿蝴蝶撲翼飛行機器人,基于電機驅動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,設計了具有高度仿生外觀的翅翼結構,對翅膀的幾何學研究表明USTButterfly-S與青鳳蝶有著較為接近的翅膀形態學參數.

　　接著,針對仿蝴蝶撲翼飛行機器人的轉向控制問題,考慮翅翼面積對撲翼氣動力的影響,首次采用線驅動調節翅翼面積的方式實現了USTButterfly-S的無尾航向控制.最后通過系統集成,仿蝴蝶撲翼飛行機器人具備室內盤旋飛行、實時航拍等功能,并且展現出與生物蝴蝶相似的飛行特征.這些結果表明我們設計的仿蝴蝶撲翼飛行機器人不僅可以用于執行實際飛行任務,還能為后續研究生物蝴蝶的飛行機理提供新的思路.但是目前我們所研制的仿蝴蝶撲翼飛行機器人在尺寸質量、運動自由度、翅膀撲動模態等各方面與真實蝴蝶仍有較大的差距.未來將通過進一步的仿生學研究,提高USTButterfly-S的仿生度與飛行性能,并結合先進人工智能技術,提升系統智能化水平.

　　參考文獻:

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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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