引用本文

王久斌, 贺威, 孟亭亭, 邹尧, 付强. 基于高仿生形态布局的仿鸽扑翼飞行机器人系统设计. 自动化学报, 2024, 50(2): 308−319 doi: 10.16383/j.aas.c220836

Wang Jiu-Bin, He Wei, Meng Ting-Ting, Zou Yao, Fu Qiang. System design of dove-like flapping-wing flying robot based on highly bionic morphological layout. Acta Automatica Sinica, 2024, 50(2): 308−319 doi: 10.16383/j.aas.c220836

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c220836

关键词

高仿生形态布局，仿鸽扑翼飞行机器人，折翼翅膀，扇形尾翼，风洞实验，俯仰控制，转向控制 

摘要

针对现有扑翼飞行机器人存在的飞行形态与实际鸟类相差较大, 以及翅膀、尾翼布局和俯仰、转向控制方式仿生度较低的问题, 提出一种形态布局与鸽子相仿的扑翼飞行机器人系统设计及实现方案. 通过设计弧面−折翼−后掠翅膀、仿鸟扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 使扑翼机器人飞行形态更加接近真实鸟类, 提高扑翼机器人的形态仿生度. 在此基础上, 设计结合下扑角调控无需尾翼大角度上翘的俯仰控制方式, 以及不依赖于尾翼的翅膀收缩转向控制方式, 在提高仿生度的同时保证飞行控制的有效性. 在具体设计过程中, 首先参考鸽子翅膀型式选择不同类型翅膀并进行风洞测试, 确定出下扑角变化时仍能保持较优升推力性能的翅膀设计方案; 其次, 对各种尾翼型式进行分析和比较, 结合鸽子尾翼特点进行仿鸽尾翼及俯仰、转向控制机构设计, 并通过风洞测试验证; 最后, 设计飞控系统并装配整机, 进行外场飞行测试, 验证仿鸽扑翼飞行机器人平台的稳定性和可控性.

文章导读

得益于独特的身体构造, 自然界中的鸟类和昆虫等飞行生物具备高超的飞行本领. 相比固定翼和旋翼飞行器, 鸟类的扑翼飞行方式更加高效和灵活. 模仿飞行生物的飞行方式研制的扑翼飞行机器人成为了机器人和无人机(Unmanned aerial vehicle, UAV)领域的一大热点[1-2]. 探究和利用鸟类的飞行机制能够提高仿鸟飞行平台的性能, 使其充分发挥扑翼飞行的高效性、灵活性和隐蔽性, 具有广泛的理论研究和工程应用价值[3-4].

目前, 世界上有多家科研机构进行着扑翼飞行的相关研究, 并研发出了一些成熟的仿生扑翼飞行平台, 这些平台大小型式各异, 气动布局与飞行控制方式也各不相同[5-7]. 美国AeroVironment飞行器制造公司设计了NanoHummingBird[8-9]仿蜂鸟扑翼飞行平台, 翼展17 cm, 扑频高达30 Hz, 采用无尾控制方法, 通过偏转扭动翅膀来实现飞行控制. 与之类似的有韩国建国大学Phan等[10-11]模仿甲虫设计的小型无尾仿昆虫飞行机器人, 翼展12 cm, 通过控制翅膀偏转可以实现灵活稳定的飞行控制. 尺寸稍大的还有荷兰Delft理工大学研制的无尾昆虫机器人DelFlyNimble[12], 其采用两对独立控制的翅膀来实现飞行控制, 翼展33 cm, 可以模仿果蝇的快速逃跑动作. 与之相似的有新加坡南洋理工大学研制的X翼扑翼飞行平台, 翼展约30 cm, 带有十字型式的垂尾, 通过尾翼的控制可以实现特技飞行, 具备超强的机动性[13]. 此外, 大型的扑翼飞行机器人平台还有德国Festo公司模仿海鸥研制的SmartBird[14], 翼展2 m, 翅膀采用折翼设计, 可以同时扑动和扭转, 机身和尾翼也可以通过扭动来控制飞行的方向, 尾翼为扇形倒V型并带有小垂尾, 飞行及控制方式与真实鸟类很接近. 还有Zufferey等[15]以鹰为仿生对象设计的大载荷扑翼飞行机器人E-flap, 翼展1.5 m, 具有单翼弧面翅膀与三角形垂尾. 在国内, 小型的扑翼飞行平台有西北工业大学研制的仿信鸽扑翼机Dove[16-17], 翼展60 cm, 采用单翼弧面翅膀设计, 配置垂尾实现飞行控制, 具有良好的飞行稳定性. 西北工业大学还模仿猎隼研制了扑翼飞行器RoboFalcon[18], 翼展1.2 m, 用可以耦合变形拍打及展向折叠的翅膀控制飞行, 具有很高的滚转敏捷性. 大型的仿鸟扑翼飞行平台有哈尔滨工业大学研制的翼展超过2 m的HIT-Hawk与HIT-Phoenix[19], 具备单翼弧面翅膀和平面扇形尾翼, 通过尾翼整体偏转来实现飞行控制. 北京科技大学研制了仿鹰扑翼机USTB-Hawk[20], 翼展1.78 m, 配置单翼弧面翅膀和带垂尾的倒V型尾翼, 通过质量分配研究实现了带载长续航飞行.

上述可见, 扑翼飞行机器人平台研制目前已经取得了丰富的成果, 但是为了提高平台的负载、续航和机动性等飞行性能指标, 某些设计中平台的形态布局与飞行控制方式相比真实鸟类存在较大差距. 一些翼展较大的飞行平台在这方面做得较好, 而中小型的飞行平台这一缺陷较为明显. 翼展在1 ~ 2 m左右的大型扑翼飞行平台中尾翼布局和控制方式与鸟类相近的有SmartBird、HIT-Phoenix和RoboFalcon等. SmartBird具有多自由度的折翼弧面翅膀, 扇形尾翼和头部、机身联合动作控制飞行, 仿生度较高; HIT-Phoenix采用简洁的单翼弧面翅膀设计, 仿鸟平面扇形尾翼在飞行过程中调节俯仰力矩并控制方向, 整体设计和飞行形态与鸟类相近; RoboFalcon具有可以扭转并展向折叠的翅膀, 飞行控制方式与鸟类相近. 而采用垂尾设计的E-flap实现了大载荷飞行, 采用相似布局方式的USTB-Hawk实现了良好的带载续航能力, 这两款平台尾翼距离翅膀较远, 有利于提高其负载和续航能力, 但是这样的布局与真实鸟类相去甚远.

在实现飞行稳定性和姿态控制方面, 仿鸟扑翼机器人多采用尾翼远离翅膀布局的方式, 这一点在翼展1 m以下的中小型扑翼飞行机器人中表现明显. 翼展在10 cm左右的NanoHummingBird扑翼机器人采用控制翅膀整体偏转的方式控制飞行, 没有利用尾翼进行飞行控制. 荷兰Delft理工大学的仿果蝇飞行机器人虽然实现了灵活的飞行, 可以独立控制的两对翅膀动力源为其灵活的飞行控制提供了很大便利, 但是这样的飞行控制方式与鸟类截然不同. 新加坡南洋理工大学研制的X翼型扑翼飞行平台配备了十字型式的垂尾, 其安装位置离翅膀较远, 起到了稳定飞行的作用, 同时产生充足的力矩便于控制扑翼机器人飞行, 虽然平台实现了敏捷机动的飞行动作, 但这很大程度上得益于远离翅膀布置的固定翼型式的垂尾, 尾翼位置和型式的仿生度低. 与之类似的有西北工业大学的仿鸽扑翼飞行平台Dove, 单翼弧面翅膀和固定翼垂尾设计使其可以稳定飞行, 但是整体布局与固定翼飞行器接近, 与真实鸟类的形态布局及飞行控制方式也有较大差距.

综上, 现有的一些仿鸟扑翼飞行机器人采用了尾翼远离翅膀的布局方式或者多个翅膀的设计来实现飞行平台负载、续航、稳定性或者机动性的提升, 这使得扑翼平台由于缺失尾翼挨近翅膀后缘布置这一主要生物特征而降低了仿生度. 这样的设计虽然有利于提高其完成飞行任务的能力, 却使扑翼机器人的仿生优势下降, 使其在对肉眼可见的直观形象要求较高的场合出现外形和飞行形态达不到期望要求的情况, 如在进行低空隐蔽飞行或者观赏性的飞行任务时会丧失扑翼机器人独特的仿生优势.

真实的飞行生物仍然是我们借鉴学习的对象, 以中小型鸟类中的鸽子为例进行分析. 和大多数鸟类一样, 在形态布局上, 鸽子尾巴根部靠近翅膀后缘, 翅膀和尾翼之间并没有大的间隔. 此外, 早期相关研究表明鸽子起飞时翅膀扑动幅度可以达到约150°, 正常平飞时约为90°, 而尾翼除了在起飞、降落、急速转弯等过程中有较大动作外, 在平稳飞行过程中相对背部基本没有上翘角度. 研究人员通过对鸽子肌肉和拍翅的细致观察和研究得出结论, 可扭转变形的折翼翅膀及可开裂羽毛使翅膀上抬时受到的阻力约降低为下扑时受力的1/6, 负升力很小, 因此鸽子飞行的动力主要是翅膀下扑产生的, 而不同飞行阶段扑动幅度的调整起到了对俯仰力矩的主要调节作用[21-23]. 这也可以解释平稳飞行过程中鸽子尾巴基本没有上翘角度的现象. 这样的布局方式也使鸽子飞行时较好地保持了整体流线型的外形, 有利于减小空气阻力, 值得我们研究借鉴.

本文参考真实鸟类特征结合风洞测试进行改进设计. 具体而言, 本文摒弃了通过使尾翼远离翅膀或者大角度上翘来增强飞行所需控制力矩的办法, 使尾翼挨近翅膀布置, 并且尽可能减小尾翼与机身的安装角度以减小飞行阻力. 同时通过配置翅膀的下扑角度来平衡俯仰力矩, 使尾翼可通过微调上下翘动角度配合翅膀下扑角来实现对整机俯仰角的调节. 对于方向控制, 则交由翅膀来实现. 通过调整作为扑翼飞行动力来源的翅膀的柔性与面积, 使左右翅膀产生升力差和推力差, 以此实现对于飞行方向的灵活控制. 本文最终设计了一款具备弧面−折翼−后掠翅膀和仿鸟扇形尾翼的仿鸽扑翼飞行机器人平台USTB-Dove, 其下扑角和尾翼可以共同调节俯仰平衡, 外段翅膀收缩可控制转向, 气动布局和飞行控制方式与真实鸟类相近. 本文的主要贡献如下.

1)模仿鸽子形态特征设计了弧面−折翼−后掠翅膀和平面扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 提高了飞行平台形态布局的仿生度;

2)参考鸽子飞行中翅膀和尾翼动作角度的特征, 提出了下扑角配合尾翼控制俯仰, 外段翅膀收缩控制转向的飞行控制方式, 翅膀下扑角可调且外段翅膀可收缩, 使飞行平台具备仿生布局的同时保证了有效的飞行控制;

3)成功研发了一款翅膀尾翼形态、布局与真实鸽子接近的飞行平台, 翼展60 cm, 最大起飞重量245 g, 飞行平稳, 转向灵活, 为小翼展仿鸟扑翼飞行平台研制提供了实例参考.

本文结构如下: 在第1节中对飞行机器人USTB-Dove进行了整体介绍; 在第2节中参考信鸽翅膀结合风洞实验确定了较优的折翼弧面翅膀设计方案; 在第3节中分析设计了仿鸟型式的尾翼及整机俯仰、转向控制方式; 在第4节中介绍了USTB-Dove的飞行控制系统; 在第5节中进行了整机飞行测试, 验证了飞行平台的稳定性及控制方式的可行性; 最后在第6节中做出了总结.

图 1  USTB-Dove平台设计与系统组成

图 2  USTB-Dove与真实信鸽

图 3  翅膀设计方案

本文以信鸽为仿生对象, 针对现有扑翼平台气动布局、飞行控制方式与实际鸟类之间差别较大的不足, 设计了仿生折翼翅膀及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 并提出了一种通过下扑角和尾翼联动来调节俯仰力矩的方法. 在此基础上设计了拉线控制机构通过对翅膀柔性及面积的调节实现了灵活的转向控制, 最后进行的飞行实验验证了USTB-Dove的稳定性、可控性及飞行控制方案的有效性. 对于未来的工作, 我们将进一步提高机械机构的稳定性和可靠性, 使USTB-Dove成为一款具有实用价值的飞行平台.

作者简介

王久斌

北京科技大学智能科学与技术学院博士研究生. 主要研究方向为扑翼机器人系统设计, 智能控制, 扑翼机器人集群控制. E-mail: b20200306@xs.ustb.edu.cn

贺威

北京科技大学智能科学与技术学院教授. 2006年获得华南理工大学自动化学院学士学位, 2011年获得新加坡国立大学电气工程与计算机科学系博士学位. 主要研究方向为机器人学, 分布参数系统控制, 振动控制和智能控制系统. 本文通信作者. E-mail: weihe@ieee.org

孟亭亭

北京科技大学智能科学与技术学院副教授. 2017年获得电子科技大学控制工程系硕士学位, 2020年获得中国科学院数学与系统科学研究院博士学位. 主要研究方向为扑翼飞行机器人, 智能控制, 分布参数系统控制. E-mail: mengting0715@163.com

邹尧

北京科技大学智能科学与技术学院教授. 2010年获得大连理工大学自动化专业学士学位, 2016年获得北京航空航天大学控制科学与工程专业博士学位. 主要研究方向为非线性控制, 无人机控制, 多智能体控制. E-mail: zouyao@ustb.edu.cn

付强

北京科技大学智能科学与技术学院副教授. 2009年获北京交通大学热能与动力工程专业学士学位. 2016年获北京航空航天大学控制科学与工程专业博士学位. 主要研究方向为视觉导航, 视觉伺服和扑翼飞行器. E-mail: fuqiang@ustb.edu.cn