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50 cm, 重50 g, 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
黄海丰; 贺威; 邹尧; 杨昆翰; 孙长银， 控制理论与应用 发表时间：2021-11-19
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Bat Bot [10]、 德国Festo公 司Smartbird [3]、 马 里 兰 大 学Robo Raven [11]、韩国建国大学KUBeetle系列 [12–14]、淡江大学Golden Snitch [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0.39 g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] . 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50 cm、重32 g、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1 Hz 到2 Hz, 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49.8 cm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10 Hz(果蝇约为250 Hz). 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5 Hz, 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0.05 mm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, Delfly Nimble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50 cm, 重50 g, 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. 图2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1.3 mm, 1.5 mm和1 mm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0.05 mm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5 Hz. 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300 mAh的3.7 V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.
图4给出了左右完全对称的双曲柄双摇杆平面四连杆结构的运动简图, 其中O和O ′分别为主从动轮的圆心, N为摇杆的锚点, OO′处于水平方向, ∆NOO′形成 腰 长 为a, 底 边 长 为b的 等 腰 三 角 形, 定义δ = arccos(b/2a)为机架安装角, OA和OA′为长度为r1的 曲 柄, AB和A ′ B ′为 长 度 为l的 连 杆, NB和NB ′为长度为r2的摇杆.
当电机驱动主齿轮转动时, 由于啮合作用, 从动轮同步进行转动, 即A点和A ′在圆O和圆O ′上做圆周运动, 进而带动摇杆做往复扑动. 定义摇杆与水平方向的 夹 角 为 扑 动 角φ, 在 水 平 面 上 方 为 正. 当O、A、B三点共线时对应着扑翼冲程的最大上扑和下扑极限位置, 此时的最大扑动角φmax和最小扑动角φmin分别为 [27]根据Kang等人观测的数据 [23] , 生物蝴蝶飞行时的扑 翼 频 率 在9 Hz 到11 Hz之 间, 拍 幅 角在191◦到291◦之间. 考虑到电机输出功率的限制, 我们设置USTButterfly-S的扑翼模式为上下等幅扑动, 扑幅角为84◦ , 也即是φmax = −φmin = 42◦ . 综合考虑 齿 轮 加 工 尺 寸 与 安 装 紧 凑 性, 最终 设 定l = 15.65 mm, r1 = 4 mm, r2 = 6 mm, a = 16.8 mm, b = 13 mm. 驱动结构在SolidWorks中的仿真结果如图5所示, 其扑动呈正弦规律变化, 上下幅度为42◦ , 与预设值相同.
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. 以右翅为例, 如图6所示, 在翅膀平面建立直角坐标系XwOYw, 其中Xw和Yw分别代表翅膀展向和弦向, yl和yt分别代表翅膀前缘和后缘函数, b为翼展, 蓝色矩形为宽度为dr的翅膀片条, r为片条到原点的展向距离, c(r)为片条的高度也即是距离翅膀根部为r处的弦长, Pcom和Pgc分别为翅膀的质心和几何中心, 点A、B、C、D、E是翅膀缘线上的分界点.
由 翅 膀 的 前 后 缘 函 数 可 得 弦长c(r) = yl(r) − yt(r), 则单个翅膀的面积可通过积分表示为S = ∫ b 2 0 c(r)dr, 平均弦长为c¯ = 2S/b, 展弦比 为AR = b/c¯, 机 翼 载 荷 为Pw = m/2S, 其中m为USTButterfly-S的质量. 参考Betts等人的无量纲处理方法 [25] , 得到无量纲展向距离为rˆ = 2r/b, 无量纲弦长为cˆ(ˆr) = c(r)/c¯, 进一步有无量纲前缘函数为yˆl(ˆr) = yl(r)/c¯, 无 量 纲 后 缘 函 数为yˆt(ˆr) = yt(r)/c¯, 无 量 纲k阶 面 积 矩 回 转 半 径为rˆk = [∫ 1 0 cˆ(ˆr)ˆr kdrˆ] 1/k . 由于USTButterfly-S翅膀的前后缘函数并不光滑, 因此采用分段函数进行描述, 翅 膀 前 缘 分 为AB段 和BC段, 翅 膀 后 缘 分为AE段、ED 段和DC段, 并采用多项式函数进行近似. 通过MATLAB中的Curve Fitting tool进行曲线拟合, 得到右翅无量纲前后缘函数如表2所示.
根据以上定义的各指标, 可以对USTButterfly-S翅膀的几何特性进行定量化描述. 为了说明其翅膀的仿生特性, 需要将这些指标和生物蝴蝶进行对比, 为此, 参考 [25]中对自然界生物蝴蝶翅膀进行过的形貌学研究所得出的数据, 选择与其展弦比AR最接近的蝴蝶品种GS3(Graphium, 青凤蝶)进行比对. 具体的比较结果如表3所示, 可以看出USTButterfly-S与生物蝴蝶有着十分接近的展弦比和较为相似的无量纲一阶 、 二 阶 无 量 纲 回 转 距 半 径, 这 表明USTButterfly-S与生物蝴蝶有着较为相似的翼型. 此外, 还可以看出USTButterfly-S的翼载荷明显大于生物蝴蝶, 一个可能的解释是随着翅膀尺寸增大, 雷诺数增大, 空气的粘滞效应减小, 因此能产生更大的升推力.
3.3 线驱动转向机构设计
图7给出了我们设计的线驱动转向机构及其工作原理图. 弹性绳从翅膀根部穿入, 连接至翅膀末端, 左右翅膀的两根弹性绳连接至360度舵驱动的双层圆盘的上层和下层, 舵机转动时带动圆盘旋转, 从而改变左右弹性绳的长度, 进而拉动翅膀改变有效的扑翼面积. 当圆盘顺时针转动时, 左边弹性绳放松, 右边拉紧, 拉动右前翅根部, 反之拉动左前翅根部. 通过上方的电位器返回圆盘旋转角度σ, 进而控制360度舵机顺时针旋转、逆时针旋转或者停止. 定义圆盘顺时针旋转角度为正, 圆盘旋转角度σ被限定在-540◦和540◦之间.
将翅膀视做一个整体, 忽略翅膀形变, 翅膀扑动产生的垂直于翅膀平面的升力FL和向前的推力FT如下： FL = 1 2 clρSv2 (3) Ft = 1 2 ctρSv2 (4) 其中cl和ct分别为平均升力系数和平均推力系数, ρ为空气密度, S为翅膀面积, v为翅膀相对空气速度. 事实上, 由于每一个翅膀片条的线速度不同, 其相对于空气的速度也不相同, 翅膀的气动力更适宜于用积分形式表示, 但是此处为了便于说明翅膀面积对升推力的影响, 我们用平均升推力系数的方式去近似表示. 在不考虑翅膀形变的情况下, 翅膀片条沿展向的积分与面积相关.
如图8所示, 当翅膀面积S发生变化时, 左右翅膀产生不等的升推力, 进一步产生了偏航和滚转力矩, 从而实现转向. 图中上标L和R分别代表左右翅膀(以机头朝向为基准), 弧形阴影部分表示扑翼冲程面, 图中显示为右翅面积大于左翅面积时的力矩产生机制. 值得注意的是, 图8只给出了翅膀在水平面时的瞬时受力分析, 实际上由于左右翅膀完全对称扑动, 在其它任意时刻翅膀关于机身轴对称, 左右翅膀产生的升力沿水平方向的分量相互抵消, 而垂直方向的分量依然有类似的力矩产生机制.
3.4 飞控系统设计
飞控系统是无人机系统的核心组成部分之一. 受载荷限制, 仿蝴蝶扑翼飞行机器人的飞控硬件设计部分需更多的关注轻质和微型化设计. 图9示出的是我们自主设计的飞控板, 其尺寸为16 mm*26 mm, 重量为2.7 g. 主控芯片采用STM32F1系列单片机, 飞控板包含了MPU6050六轴姿态传感器(包含3轴加速度计和3轴陀螺仪)、UWB(Ultra Wide Band)定位芯片、JTAG接口、三路PWM波输出口、USB转串口、ADC(模数转换器)接口、电源开关等模块, 主控芯片通过I 2C接口读取姿态传感器数据, UWB定位芯片用于USTButterfly-S室内飞行时的定位. JTAG接口用于连接J-Link下载器下载飞控程序. 三路PWM波输出接口中的PWM1用于外接3A电调驱动无刷电机, PWM2用于驱动转向机构中的360度舵机, PWM3是备用接口. USB转串口通过USB线连接电脑, 用于调试以及修改flash数据. ADC接口用于采集电位器的反馈电压. 通信方式采用2.4 GHz频段的ZigBee无线通信技术, 实现遥控和上位机与USTButterfly-S之间的飞行数据及控制指令的传输. 图中表示外接接口的白色粗箭头的方向代表信号流通方向.
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. 飞行实验的系统控制架构如图10所示.
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4 g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. 图11显示了其在室内盘旋飞行时的照片及其航拍图像截图, 飞行视频可见附件材料或者.
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. 图12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5 Hz. 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.