基于高仿生形態布局的仿鴿撲翼飛行機器人系統設計

王久斌 賀 威 孟亭亭 鄒 堯 付 強

得益于獨特的身體構造,自然界中的鳥類和昆蟲等飛行生物具備高超的飛行本領.相比固定翼和旋翼飛行器,鳥類的撲翼飛行方式更加高效和靈活.模仿飛行生物的飛行方式研制的撲翼飛行機器人成為了機器人和無人機(Unmanned aerial vehicle,UAV)領域的一大熱點[1-2].探究和利用鳥類的飛行機制能夠提高仿鳥飛行平臺的性能,使其充分發揮撲翼飛行的高效性、靈活性和隱蔽性,具有廣泛的理論研究和工程應用價值[3-4].

目前,世界上有多家科研機構進行著撲翼飛行的相關研究,并研發出了一些成熟的仿生撲翼飛行平臺,這些平臺大小型式各異,氣動布局與飛行控制方式也各不相同[5-7].美國AeroVironment 飛行器制造公司設計了NanoHummingBird[8-9]仿蜂鳥撲翼飛行平臺,翼展17 cm,撲頻高達30 Hz,采用無尾控制方法,通過偏轉扭動翅膀來實現飛行控制.與之類似的有韓國建國大學Phan 等[10-11]模仿甲蟲設計的小型無尾仿昆蟲飛行機器人,翼展12 cm,通過控制翅膀偏轉可以實現靈活穩定的飛行控制.尺寸稍大的還有荷蘭Delft 理工大學研制的無尾昆蟲機器人DelFlyNimble[12],其采用兩對獨立控制的翅膀來實現飛行控制,翼展33 cm,可以模仿果蠅的快速逃跑動作.與之相似的有新加坡南洋理工大學研制的X 翼撲翼飛行平臺,翼展約30 cm,帶有十字型式的垂尾,通過尾翼的控制可以實現特技飛行,具備超強的機動性[13].此外,大型的撲翼飛行機器人平臺還有德國Festo 公司模仿海鷗研制的Smart-Bird[14],翼展2 m,翅膀采用折翼設計,可以同時撲動和扭轉,機身和尾翼也可以通過扭動來控制飛行的方向,尾翼為扇形倒V 型并帶有小垂尾,飛行及控制方式與真實鳥類很接近.還有Zufferey 等[15]以鷹為仿生對象設計的大載荷撲翼飛行機器人E-flap,翼展1.5 m,具有單翼弧面翅膀與三角形垂尾.在國內,小型的撲翼飛行平臺有西北工業大學研制的仿信鴿撲翼機Dove[16-17],翼展60 cm,采用單翼弧面翅膀設計,配置垂尾實現飛行控制,具有良好的飛行穩定性.西北工業大學還模仿獵隼研制了撲翼飛行器RoboFalcon[18],翼展1.2 m,用可以耦合變形拍打及展向折疊的翅膀控制飛行,具有很高的滾轉敏捷性.大型的仿鳥撲翼飛行平臺有哈爾濱工業大學研制的翼展超過2 m 的HIT-Hawk 與HIT-Phoenix[19],具備單翼弧面翅膀和平面扇形尾翼,通過尾翼整體偏轉來實現飛行控制.北京科技大學研制了仿鷹撲翼機USTB-Hawk[20],翼展1.78 m,配置單翼弧面翅膀和帶垂尾的倒V 型尾翼,通過質量分配研究實現了帶載長續航飛行.

上述可見,撲翼飛行機器人平臺研制目前已經取得了豐富的成果,但是為了提高平臺的負載、續航和機動性等飛行性能指標,某些設計中平臺的形態布局與飛行控制方式相比真實鳥類存在較大差距.一些翼展較大的飛行平臺在這方面做得較好,而中小型的飛行平臺這一缺陷較為明顯.翼展在1～2 m 左右的大型撲翼飛行平臺中尾翼布局和控制方式與鳥類相近的有SmartBird、HIT-Phoenix和RoboFalcon 等.SmartBird 具有多自由度的折翼弧面翅膀,扇形尾翼和頭部、機身聯合動作控制飛行,仿生度較高;HIT-Phoenix 采用簡潔的單翼弧面翅膀設計,仿鳥平面扇形尾翼在飛行過程中調節俯仰力矩并控制方向,整體設計和飛行形態與鳥類相近;RoboFalcon 具有可以扭轉并展向折疊的翅膀,飛行控制方式與鳥類相近.而采用垂尾設計的E-flap 實現了大載荷飛行,采用相似布局方式的USTB-Hawk 實現了良好的帶載續航能力,這兩款平臺尾翼距離翅膀較遠,有利于提高其負載和續航能力,但是這樣的布局與真實鳥類相去甚遠.

在實現飛行穩定性和姿態控制方面,仿鳥撲翼機器人多采用尾翼遠離翅膀布局的方式,這一點在翼展1 m 以下的中小型撲翼飛行機器人中表現明顯.翼展在10 cm 左右的NanoHummingBird 撲翼機器人采用控制翅膀整體偏轉的方式控制飛行,沒有利用尾翼進行飛行控制.荷蘭Delft 理工大學的仿果蠅飛行機器人雖然實現了靈活的飛行,可以獨立控制的兩對翅膀動力源為其靈活的飛行控制提供了很大便利,但是這樣的飛行控制方式與鳥類截然不同.新加坡南洋理工大學研制的X 翼型撲翼飛行平臺配備了十字型式的垂尾,其安裝位置離翅膀較遠,起到了穩定飛行的作用,同時產生充足的力矩便于控制撲翼機器人飛行,雖然平臺實現了敏捷機動的飛行動作,但這很大程度上得益于遠離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.與之類似的有西北工業大學的仿鴿撲翼飛行平臺Dove,單翼弧面翅膀和固定翼垂尾設計使其可以穩定飛行,但是整體布局與固定翼飛行器接近,與真實鳥類的形態布局及飛行控制方式也有較大差距.

綜上,現有的一些仿鳥撲翼飛行機器人采用了尾翼遠離翅膀的布局方式或者多個翅膀的設計來實現飛行平臺負載、續航、穩定性或者機動性的提升,這使得撲翼平臺由于缺失尾翼挨近翅膀后緣布置這一主要生物特征而降低了仿生度.這樣的設計雖然有利于提高其完成飛行任務的能力,卻使撲翼機器人的仿生優勢下降,使其在對肉眼可見的直觀形象要求較高的場合出現外形和飛行形態達不到期望要求的情況,如在進行低空隱蔽飛行或者觀賞性的飛行任務時會喪失撲翼機器人獨特的仿生優勢.

真實的飛行生物仍然是我們借鑒學習的對象,以中小型鳥類中的鴿子為例進行分析.和大多數鳥類一樣,在形態布局上,鴿子尾巴根部靠近翅膀后緣,翅膀和尾翼之間并沒有大的間隔.此外,早期相關研究表明鴿子起飛時翅膀撲動幅度可以達到約150°,正常平飛時約為90°,而尾翼除了在起飛、降落、急速轉彎等過程中有較大動作外,在平穩飛行過程中相對背部基本沒有上翹角度.研究人員通過對鴿子肌肉和拍翅的細致觀察和研究得出結論,可扭轉變形的折翼翅膀及可開裂羽毛使翅膀上抬時受到的阻力約降低為下撲時受力的1/6,負升力很小,因此鴿子飛行的動力主要是翅膀下撲產生的,而不同飛行階段撲動幅度的調整起到了對俯仰力矩的主要調節作用[21-23].這也可以解釋平穩飛行過程中鴿子尾巴基本沒有上翹角度的現象.這樣的布局方式也使鴿子飛行時較好地保持了整體流線型的外形,有利于減小空氣阻力,值得我們研究借鑒.

本文參考真實鳥類特征結合風洞測試進行改進設計.具體而言,本文摒棄了通過使尾翼遠離翅膀或者大角度上翹來增強飛行所需控制力矩的辦法,使尾翼挨近翅膀布置,并且盡可能減小尾翼與機身的安裝角度以減小飛行阻力.同時通過配置翅膀的下撲角度來平衡俯仰力矩,使尾翼可通過微調上下翹動角度配合翅膀下撲角來實現對整機俯仰角的調節.對于方向控制,則交由翅膀來實現.通過調整作為撲翼飛行動力來源的翅膀的柔性與面積,使左右翅膀產生升力差和推力差,以此實現對于飛行方向的靈活控制.本文最終設計了一款具備弧面-折翼-后掠翅膀和仿鳥扇形尾翼的仿鴿撲翼飛行機器人平臺USTB-Dove,其下撲角和尾翼可以共同調節俯仰平衡,外段翅膀收縮可控制轉向,氣動布局和飛行控制方式與真實鳥類相近.本文的主要貢獻如下.

1)模仿鴿子形態特征設計了弧面-折翼-后掠翅膀和平面扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后緣布置的布局方式,提高了飛行平臺形態布局的仿生度;

2)參考鴿子飛行中翅膀和尾翼動作角度的特征,提出了下撲角配合尾翼控制俯仰,外段翅膀收縮控制轉向的飛行控制方式,翅膀下撲角可調且外段翅膀可收縮,使飛行平臺具備仿生布局的同時保證了有效的飛行控制;

3)成功研發了一款翅膀尾翼形態、布局與真實鴿子接近的飛行平臺,翼展60 cm,最大起飛重量245 g,飛行平穩,轉向靈活,為小翼展仿鳥撲翼飛行平臺研制提供了實例參考.

本文結構如下: 在第1 節中對飛行機器人USTBDove 進行了整體介紹;在第2 節中參考信鴿翅膀結合風洞實驗確定了較優的折翼弧面翅膀設計方案;在第3 節中分析設計了仿鳥型式的尾翼及整機俯仰、轉向控制方式;在第4 節中介紹了USTB-Dove 的飛行控制系統;在第5 節中進行了整機飛行測試,驗證了飛行平臺的穩定性及控制方式的可行性;最后在第6 節中做出了總結.

1 平臺設計

USTB-Dove 仿鴿撲翼飛行機器人參照一般信鴿的形態參數設計,包括樣機平臺與飛控系統兩大部分.如圖1 所示,樣機平臺包括翅膀、尾翼、機體三部分.翅膀由3D 打印件、碳纖維桿和翼膜構成,翅膀邊緣設計了鐵環和繩索來調整翅膀狀態;尾翼采用仿鳥扇形尾翼設計,由碳纖維桿、塑料插接件和塑料薄膜構成;機身用碳纖維板零件組成三維拼圖結構,用來安裝翅膀和尾翼.機體尾部安裝了一枚舵機調整尾翼與機身在水平方向的夾角,以控制飛行中的俯仰角;另一枚舵機安裝拉線控制機構,通過連接至翅膀邊緣的拉索來改變翅膀狀態,達到轉向控制的目的;驅動機構采用空間曲柄搖桿機構設計,與機身裝配在一起,通過一個無刷直流電機驅動,驅動機構連接至翅膀擺臂的球頭拉桿配備了微型步進電機,可以電動控制伸縮,實現拉桿整體長度的調節,從而方便地調節翅膀下撲的角度.

圖1 USTB-Dove 平臺設計與系統組成Fig.1 USTB-Dove platform design and system configuration

安裝在機體中的控制器是集成氣壓計和IMU(Inertial measurement unit)的微型主控板,其他外設包括電源模塊、精密陀螺儀、遙控接收機、獲取位置坐標的GPS (Global positioning system)模塊以及可以傳輸飛行數據到電腦的Xbee 無線數傳模塊.利用這套控制系統,USTB-Dove 可以實時監測和記錄飛行軌跡、飛行姿態等飛行狀態數據.

USTB-Dove 翅膀、尾翼及外殼形狀參照真實信鴿進行設計,折翼翅膀撲動方式及尾翼動作方式也與信鴿相近,整體具有仿生度高,體型小,飛行靈活等特點.圖2 是USTB-Dove 實物平臺與真實信鴿的對比圖.由于飛行平臺翼展較小,負載能力有限,我們對平臺系統各個組成部分進行了輕量化設計,最后將整機重量控制在245 g,表1 給出了樣機各個組成部分的質量參數.

表1 USTB-Dove 質量分解Table 1 Weight decomposition of USTB-Dove

圖2 USTB-Dove 與真實信鴿Fig.2 The USTB-Dove and the realistic carrier pigeon

2 翅膀設計

USTB-Dove 模仿真實鳥類采用折翼翅膀設計.鳥類的翅膀撲動可以高效地產生升力和推力,在下撲行程中翅膀羽毛閉合,外段翅膀大角度地下折充分地對空氣做功,上抬時翅膀扭轉變形減小迎風面積,同時羽毛開縫,極大地減小了負升力[21].充分模仿鳥類翅膀的彎折和扭轉方式可以極大地提高撲翼效率[24-26],但是考慮到小翼展撲翼機負載能力有限,同時高頻撲動的翅膀限制了機械復雜度.因此,本文的折翼翅膀在設計中利用簡單的拉桿機構來實現外段翼周期性的彎折,這種方式對撲翼效率的提升有限,但是卻可以使翅膀撲動形態更加接近真實鳥類.

為了在實現翅膀撲動形態的同時保證翅膀的升推力性能,首先參考鴿子翅膀尺寸和相關設計方法[27]制定了不同類型的翅膀方案,并進行了風洞測試和評估.實驗用的翅膀有4 種類型,分別為單翼平面、單翼弧面、斜折翼弧面、直折翼弧面.如圖3 所示,4 種翅膀平展時形狀、尺寸均一致.其中單翼弧面與單翼平面翅膀區別在于增加了弧面翼型特征.兩種折翼翅膀均增加了弧面翼型特征,區別在于內段翼和外段翼翅膀彎折軸線的方向.直折翼翅膀彎折軸線與機體中軸線平行,斜折翼翅膀彎折軸線相對機體中軸線斜向外側.

圖3 翅膀設計方案Fig.3 Programs of wings＇ design

如圖4 所示,翅膀的彎折由拉桿實現.細鋼絲制成的拉桿一端連接到機身上翅膀連接件的機體勾連孔內,另一端連接到外段翼翅膀3D 打印件的勾連孔內.當翅膀在驅動機構帶動下上下往復撲動時,翅膀彎折軸心到機體勾連孔的距離發生變化,而兩個勾連孔的距離不變,從而使得內外段翼翅膀彎折角度發生周期性變化,達到使翅膀彎折的效果.

圖4 折翼翅膀的兩種彎折方式Fig.4 Two bending modes of folded wings

在對不同類型翅膀測試的過程中,實驗調節變量除了基本的攻角、風速、撲翼頻率外,還有翅膀相對水平位置下撲角的大小,以及折翼翅膀的彎折模式.其中翅膀下撲角通過調節驅動部分球頭拉桿的長度來實現;折翼翅膀彎折模式通過改變外段翼拉桿連接至機體的位置來實現.如圖4 所示,當拉桿勾連至上固定孔時,在下撲過程中外段翼翅膀相對內段翅膀向上彎折,當勾連至下固定孔時,在下撲過程中外段翼翅膀會相對內段翅膀向下彎折.圖5所示為某次機構仿真調試過程中記錄的翅膀撲動及彎折角度變化曲線.第1 段翅膀撲動幅度為70°,第2 段翅膀與第1 段翅膀的夾角變化幅度為20°.

圖5 翅膀撲動及彎折角度Fig.5 Flapping and bending angles of the wings

翅膀的升推力特性對比通過風洞測試來進行[28-29].圖6 所示為本次使用的風洞設備及測試裝置.風洞設備為南京比貝公司的CT-ND7070 直流風洞,實驗段尺寸為1.2 m×0.7 m×0.7 m (長×寬×高),風速范圍為0～15 m/s,風速控制精度為0.1 m/s,滿足實驗測試需求.測試裝置是利用美國ATI 工業自動化公司生產的Mini40 力/力矩傳感器進行搭建的.Mini40 傳感器是一種六軸力/力矩傳感器,X,Y軸測力量程為±40 N,分辨率為0.01 N,Z軸測力量程為±120 N,分辨率為0.02 N;X,Y,Z軸扭矩量程為±2 N·m,分辨率均為0.00025 N·m,滿足對樣機進行升推力和三軸力矩測試的需求.

圖6 風洞設備與測試裝置Fig.6 Wind tunnel and test equipment

為了盡可能減小翅膀撲動時機身抖動帶來的測試誤差,本文設計了專用的3D 打印件,將機體與傳感器固聯在一起,機身固定件與樣機固定件之間的角度可調從而使得機身攻角方便調節.此外,在機體安裝姿態傳感器和霍爾轉速計,用于獲得機身的攻角及翅膀撲動的頻率.實驗時Mini40 將測得的力/力矩轉化為電信號通過線纜傳輸至數據采集板卡,最終測試結果在電腦應用端顯示和記錄.

圖7 所示為單翼平面和單翼弧面翅膀的升推力測試結果.當攻角、風速和下撲角一致時,單翼弧面翅膀產生的升力要遠大于平面翅膀,而二者產生的推力相差不大.圖8 所示為改變下撲角時,兩種單翼翅膀升推力及俯仰力矩的變化情況.同樣的攻角、風速和撲頻,平面翅膀的升力隨著下撲角增大先增大后減小,推力先減小后增大,當下撲角約為整個撲動幅度的一半時,升力達到最大;弧面翅膀隨著下撲角的增大升力會增大,而推力變化不大;而兩種翅膀的低頭力矩均隨著下撲角的增大一致減小.

圖7 單翼平面翅膀與單翼弧面翅膀升推力性能比較Fig.7 Lift and thrust of the single plane wings and cambered wings

圖8 不同下撲角時單翼翅膀的升推力和俯仰力矩Fig.8 The lift,thrust and pitch moment with different downstroke angles

通過對兩種單翼翅膀的測試可以發現,弧面翅膀相比平面翅膀在產生升力上更有優勢,而恰當地增大下撲角可以增大撲翼產生的升力,同時我們也可以選擇增大下撲角來增大抬頭力矩,這有助于調整整機的俯仰平衡.在此基礎上,進一步對圖3 中帶弧面翼型的斜折翼和直折翼兩種翅膀進行測試,測試中同樣對風速、頻率、下撲角度進行了調節,并對圖4 中兩種彎折方式分別進行了測試.

圖9 所示為7° 攻角、8 m/s 風速,9 Hz 撲頻下,改變相對水平位置的下撲角大小時測得的兩種翅膀在不同彎折方式下的升推力特性曲線.由曲線可以看出,兩種折翼翅膀在上勾連模式下撲動時產生的阻力較大,凈推力較小,而下勾連的折翼型式更有利于產生升力和推力.同時,相比斜折翼翅膀,直折翼翅膀在下撲角變動時產生的升推力更加穩定,這有利于通過調整下撲角來調節整機力矩平衡.通過一系列風洞測試實驗,本文最終選定圖4(b)中直折翼弧面翅膀及下勾連彎折方式作為USTBDove 的翅膀設計方案.

圖9 不同下撲角時折翼翅膀的升推力對比Fig.9 The lift and thrust of folded cambered wings with different downstroke angles

3 尾翼與俯仰、轉向控制設計

真實的鳥類在飛行過程中可以靈活地調節翅膀、尾翼及軀體來調節飛行姿態,相關研究表明尾翼在鳥類飛行的機動性、穩定性、產生升力、減小阻力方面都有潛在氣動作用[30-31].而對于人造飛行器,由于機構自由度減少,需要特定的設計來實現對飛行器的飛行控制.常規布局的固定翼飛行器通常依靠經典的副翼和垂尾來實現飛行控制.垂尾遠離機翼布置,水平布置的升降舵主要實現俯仰控制,垂直布置的方向舵輔助調節航向.而位于翅膀的副翼主要通過改變翼型使左右翅膀產生升力差,從而實現滾轉和方向控制.遠離翅膀的尾翼為整機提供了足夠的穩定和控制力矩,加在產生升力的翅膀上的副翼則直接有效地控制了飛行方向[32].

現有的撲翼飛行機器人主要通過在翅膀或尾翼增加控制來實現對飛行方向的控制.由于翅膀需要不斷撲動來產生升力和推力,所以在翅膀上增加可控量變得困難,這通常意味著翅膀更復雜的結構和更大的重量.盡管如此,對于一些翼展1 m 以上的較大的撲翼平臺來說這種方案仍有一定的可行性,如Festo 公司的SmartBird[14]和西北工業大學的RoboFalcon[18]通過對翅膀施加扭轉、變形和收合等控制實現了更靈活的飛行控制和更仿生的飛行.此外,大多撲翼飛行平臺通過不同型式的尾翼實現飛行控制,如哈爾濱工業大學HIT-Phoenix[19]采用的扇形尾翼,西班牙塞維利亞大學E-Flap[15]采用的倒V 型尾翼差動尾翼,以及西北工業大學翼展更小的仿鴿撲翼機Dove[17]采用的固定翼型式的垂尾.

圖10 所示為USTB-Dove 設計過程中參考以往設計案例和相關研究[33-35]嘗試過的4 種尾翼方案.方案1 (圖10(a))采用平面扇形設計,兩枚舵機分別控制舵面上下和左右偏轉,從而控制俯仰和方向.此種尾翼在方向控制上存在控制力矩不足的問題,只有當尾翼上翹角度較大時進行左右偏轉才可以產生較大的轉向控制力矩,但這時也會增大飛行阻力.方案2 (圖10(b))采用倒V 型尾翼設計,有利于增強航向穩定性,差動控制的迎風舵面也提供了充足的轉向力矩.但是此種尾翼靠兩側舵面的風阻進行轉向,阻力較大,且分離開叉的舵面與真實鳥類尾翼形狀相差較大,仿生性較差.方案3 (圖10(c))將平面扇形尾翼分為兩側差動舵面和中部安定面,當兩側舵面朝同一側偏轉時可以控制轉向,向相反方向偏轉時可以控制俯仰.此種尾翼相比方案2 較好地保持了完整的扇形外形,但是存在類似方案1中的轉向控制不足的問題,同時俯仰力矩的調節作用減弱.方案4 (圖10(d))在方案3 的基礎上將俯仰和轉向用兩枚舵機獨立控制,增強了俯仰調節作用,安定面的存在使其在轉向控制上相比方案1 更平穩,但尾翼上翹角度較小時仍然存在轉向力矩不足的問題.

圖10 USTB-Dove 不同的尾翼設計方案Fig.10 Tail＇s different designs of the USTB-Dove

綜合現有撲翼平臺的尾翼設計方案及USTBDove 嘗試過的尾翼型式,結合其對于飛行控制的需求,有必要進一步對尾翼型式進行改進設計.撲翼飛行機器人尾翼設計需要增強平臺的航向穩定性,且對俯仰力矩有一定的調節作用,最重要的要產生足夠的轉向力矩.通過對各種型式尾翼的分析我們發現尾翼舵面需要較大迎風面積和角度才可以產生足夠的轉向力矩,但這對于仿生性較高的扇形尾翼來說比較困難,且會產生較大阻力,而差動控制的倒V 型尾翼又降低了仿生性.因此,本文放棄用尾翼來控制轉向,僅通過尾翼實現航向穩定和俯仰調節,而將轉向控制設計在直接產生動力的翅膀上.

如圖11 所示為鴿子平穩飛行時的形態,尾翼廣泛展開為寬大的扇形平面,且相對軀體基本沒有上翹角度,同時翅膀大角度地下撲提供升力和推力.由于翅膀下撲角較大,且上抬阻力很小,平穩飛行中鴿子的尾翼基本不需要通過上翹來維持俯仰力矩平衡.此外,從側面來看,飛行中的鴿子軀體、翅膀和尾翼成為一體呈流線型,這極大減小了飛行中遇到的空氣阻力,相關研究認為鳥類的尾翼甚至起到了類似固定翼飛機襟翼的作用,提高了整體升力[36].

圖11 鴿子平穩飛行時的翅膀和尾翼形態Fig.11 The form of a pigeon＇s wing and tail in smooth flight

鑒于鳥類尾翼布局的優勢,我們參考鴿子真實的飛行狀態,將USTB-Dove 尾翼貼近翅膀后緣布局,設計為扇形,并且采用下凹設計使其偏航穩定性相比平面扇形尾翼有所增強.為了減小空氣阻力,將尾翼與機體軸線平行布置,減小飛行過程中的迎風面,由于尾翼上翹角度較小,且要保持整機的俯仰穩定,參考翅膀風洞測試數據,配置翅膀初始上下撲動角度使不安裝尾翼撲動時整機縱向俯仰力矩處于平衡狀態附近.在此基礎上,利用微型步進電機使帶動翅膀撲動的球頭拉桿實現可控電動伸縮,從而實現對上下撲動角度和俯仰力矩的可控調節,使USTB-Dove 可以通過調節上下撲動角度與尾翼小角度翹動配合來調節整機的俯仰力矩[37].

圖12 所示為USTB-Dove 最終的尾翼設計,通過一枚俯仰舵機控制尾翼上下翹動,另一枚方向舵機通過舵機臂兩端的系繩牽引左右翅膀桿件實現轉向控制.

圖12 USTB-Dove 尾翼設計Fig.12 Tail＇s design of the USTB-Dove

圖13 所示為USTB-Dove 上下撲角電動調節機構,通過微型步進電機滑動端和固定端焊接金屬球頭來實現.步進電機行程為5 mm,球頭拉桿總長度變化范圍為34.5～39.5 mm,翅膀下撲角調節范圍(相對水平位置)為-6°～13°,由此產生的俯仰力矩調節量約為0.05 N·m.

圖14 所示為USTB-Dove 翅膀部位的轉向控制機構.考慮到飛行平臺翼展較小負載有限,且翅膀需要不斷撲動提供飛行的動力,所以采用簡單輕質的拉線機構設計.從尾部方向舵機臂牽引出來的細繩依次穿過固定在外段翅膀碳桿邊緣的圓環連接至前緣碳桿一端,舵機臂轉動時牽引細繩拉動邊緣碳桿向后彎曲,使對應一側的外段翅膀收縮.圖15(a)所示為處于正常狀態的右翅,圖15(b)所示為舵機臂轉動到極限位置時處于收縮狀態的右翅.可以看出,細繩牽引主要導致了外段翅膀A、C 部分面積稍有減小,而B 部分面積基本不變.

圖14 USTB-Dove 轉向機構Fig.14 Steering mechanism of the USTB-Dove

圖15 翅膀收縮前后的不同狀態Fig.15 The wing＇s different states before and after it shrinks

Ajanic 等[38]研制的變構型飛行器LisHawk 采用了相似設計,雖然翅膀無法像撲翼機器人一樣扇動,但其翅膀和尾翼均可以改變構型達到調節姿態的目的,飛行時很像一只滑翔的蒼鷹.不同的是,LisHawk 主要是依靠機械結構改變了翅膀形狀與面積,而USTB-Dove 主要靠細繩牽引改變了撲動翅膀的柔性.從圖15 可以看出,對于USTB-Dove來說,雖然面積的改變量相對整個右翅的比例很小,約為5%,但是收縮導致了A、C 部分兩邊碳桿間距減小,使桿間薄膜由張緊平展狀態變為了松弛卷曲狀態,從而減小了翅膀撲動產生的升推力,使撲翼機器人產生向右的滾轉和偏航力矩,風洞測試統計結果表明整體升推力最大衰減超過了10%,這樣的設計方案對于小翼展撲翼機器人來說更適用.

圖16 所示為球頭拉桿伸縮及尾翼上下極限動作時USTB-Dove 在風洞中測得的俯仰力矩變化情況,可以看出通過調節翅膀相對水平位置的下撲角大小及尾翼上下翹動角度可以明顯地調節整機俯仰力矩.這使得USTB-Dove 可以獨立調節下撲角或尾翼來調節整機俯仰平衡,而通過下撲角可以平衡整機的俯仰力矩時,尾翼便只需要小角度的動作來實現俯仰調節,這樣的方式有利于減小飛行阻力,也更接近鴿子的飛行形態和方式.

圖16 USTB-Dove 球頭拉桿及尾翼極限動作時的俯仰力矩Fig.16 Pitch moment when USTB-Dove ball head lever and tail are in extreme action

圖17 所示為方向舵機牽引翅膀收縮時整機的滾轉和偏航力矩變化情況.當左右拉動翅膀改變翅膀柔性時,USTB-Dove 會產生向左或向右的滾轉和偏航力矩,從而改變飛行姿態與方向.這使得飛行平臺即使采用尾翼挨近翅膀布置的方式也可以靈活地控制轉向.

圖17 USTB-Dove 轉向機構動作時的滾轉和偏航力矩Fig.17 Roll and yaw moment when USTB-Dove steering mechanism is in action

4 飛控系統設計

完成USTB-Dove 飛行平臺設計與搭建后,本文為其加裝了自主設計的飛控系統,并通過地面站采集、顯示、記錄飛行數據.圖18 所示為USTB-Dove飛控系統完整示意圖.機載部分主控板以STM32F 407VGT6 處理器為核心,集成了姿態傳感器(IMU)和氣壓計,并通過外接GPS 和精密陀螺儀實現姿態、位置、速度等飛行狀態的感知,并將飛行數據通過Xbee 無線通信模塊發送至地面站.主控板通過遙控接收機接收來自遙控器的控制指令,并通過板載控制程序輸出脈沖寬度調制(Pulse width modulation,PWM)信號,實現對無刷直流電機、尾翼舵機及微型步進電機的控制,從而實現對USTB-Dove的飛行控制.

圖18 USTB-Dove 飛控系統Fig.18 Flight control system of USTB-Dove

通過Xbee 無線通信模塊,地面站可以接收、處理、顯示和記錄USTB-Dove 的飛行數據.如圖19所示為地面站系統上位機界面,包括: 1) 姿態角、高度曲線顯示窗口;2)圖像采集窗口(預留);3)調用高德3D 地圖的USTB-Dove 實時3D 飛行軌跡顯示窗口,可以直觀地把握飛行平臺的飛行狀態.

圖19 地面站信息采集顯示界面Fig.19 Interface for the collection and display of information at the ground station

5 飛行實驗

為驗證USTB-Dove 的飛行穩定性和可控性,本文進行了外場實際飛行實驗.圖20 所示為試飛視頻截圖,展示了USTB-Dove 手拋起飛的過程,可以看出USTB-Dove 起飛平穩,尾翼展平,形態很像一只白色的鴿子.圖21 所示為在空中飛行時的USTB-Dove (白色),有真實飛鳥(黑色)伴飛,證明了飛行平臺的高仿生度,飛行視頻已上傳至Youku視頻網站,網址為: https://v.youku.com/v_show/id_XNTkwODUzNTAyMA==.html.

圖20 起飛階段的USTB-DoveFig.20 USTB-Dove during takeoff phase

圖21 飛行中的USTB-Dove (白色)Fig.21 USTB-Dove (white) in flight

圖22 所示為對USTB-Dove 進行轉向控制性能測試時記錄的飛行軌跡,圖23 所示為相應的姿態變化曲線.從飛行軌跡和姿態數據可以看出,USTB-Dove 飛行平穩,轉向靈活,可以從連續小半徑右盤旋飛行狀態切換至左盤旋飛行狀態,最小轉彎半徑約為5 m,具有良好的飛行穩定性和可控性.

圖22 室外測試飛行軌跡Fig.22 Flight trajectory in outdoor test

圖23 室外飛行測試姿態曲線Fig.23 Attitude curves in outdoor flight test

6 結束語

本文以信鴿為仿生對象,針對現有撲翼平臺氣動布局、飛行控制方式與實際鳥類之間差別較大的不足,設計了仿生折翼翅膀及尾翼挨近翅膀后緣布置的布局方式,并提出了一種通過下撲角和尾翼聯動來調節俯仰力矩的方法.在此基礎上設計了拉線控制機構通過對翅膀柔性及面積的調節實現了靈活的轉向控制,最后進行的飛行實驗驗證了USTBDove 的穩定性、可控性及飛行控制方案的有效性.對于未來的工作,我們將進一步提高機械機構的穩定性和可靠性,使USTB-Dove 成為一款具有實用價值的飛行平臺.