張澤坤，韓建福，宋廣華，楊波威

浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，杭州 310027

近年來，隨著復(fù)合材料、現(xiàn)代制造技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、飛行控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各式的微小型飛行器。撲翼飛行器（flapping-wing aerial vehicle，F(xiàn)AV）是一種模仿動(dòng)物飛行模式的新型飛行器，和傳統(tǒng)的固定翼和旋翼飛行器不同，其具有重量輕、聲音小、具備仿生性的特點(diǎn)[1]，在民用和軍用領(lǐng)域具有較高的利用價(jià)值，如機(jī)場驅(qū)鳥、晚會(huì)表演、協(xié)同偵察等場合。

人們提出并設(shè)計(jì)了各式模仿動(dòng)物飛行方式的撲翼飛行器結(jié)構(gòu)，有蝙蝠、蜂鳥、蜻蜓、蒼蠅、海鷗等[2-7]。其中比較有名的有麻省理工學(xué)院的Phoenix撲翼機(jī)[8]、德國Festo公司的SmartBird[9]。隨著人們對撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷研究和改進(jìn)，撲翼飛行器目前已經(jīng)具有較高的飛行性能。但是目前對撲翼飛行器的控制仍以手動(dòng)為主。雖然在專業(yè)飛手的操縱下可以最大程度地發(fā)揮撲翼飛行器的飛行性能并應(yīng)對多種可能的突發(fā)狀況，但這對飛手的數(shù)量和操控水平提出了很高的要求。在2019年的春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)上數(shù)十名專業(yè)飛手操縱40架仿鳳凰的撲翼飛行器完成了壯觀的飛行表演。然而這種需要大量專業(yè)飛手的表演很難在較小的表演場合推廣開來。

現(xiàn)階段對撲翼飛行器的研究主要集中于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)分析。由于撲翼飛行器在撲動(dòng)的過程中機(jī)翼形變的不確定性且容易受到風(fēng)等外界因素的影響[10]。因此，撲翼飛行器的穩(wěn)定自主控制一直是無人機(jī)飛行控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

在一些撲翼飛行器的應(yīng)用場合，如飛行表演、機(jī)場驅(qū)鳥等，需要大量飛手對每一架撲翼飛行器進(jìn)行控制。此外，受到陽光、霧霾等天氣環(huán)境的影響，飛手的視野也會(huì)受到影響。傳統(tǒng)的基于手動(dòng)控制撲翼飛行器的方式難以大規(guī)模推廣，而且飛行效果容易受到天氣的影響。基于串級PID的撲翼控制器已經(jīng)在工程上得到了應(yīng)用[11-12]。但是使用串級PID控制撲翼飛行器不具有自適應(yīng)性且無法應(yīng)用于可調(diào)變化中[13]，使得撲翼飛行器的多機(jī)控制難以像旋翼機(jī)和固定翼飛機(jī)那樣保持穩(wěn)定的隊(duì)形。在一些特定的應(yīng)用場景中，基于串級PID的控制方式來實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同飛行仍具有廣泛應(yīng)用前景，比如機(jī)場驅(qū)鳥、飛行表演等。劉軍濤[1]提出了一種帶翼型的撲翼飛行器結(jié)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)方案，并基于PX4平臺利用串級PID對撲翼飛行器進(jìn)行姿態(tài)和位置控制，成功完成了戶外飛行試驗(yàn)，從而證明了使用串級PID控制撲翼飛行器在一些特定場合應(yīng)用的可能性。

PX4作為一種專業(yè)的板載飛控軟件，為固定翼和多旋翼飛行器提供了很好的串級PID控制算法支持。基于PX4框架對撲翼飛行器的特性進(jìn)行定制，可以讓撲翼飛行器具備高度和航點(diǎn)跟蹤能力。QGC地面站可以對PX4提供原生支持，通過QGC作為地面控制中心將主機(jī)的位置作為航點(diǎn)發(fā)送給從機(jī)就能實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同飛行。

本文提出一種基于PX4固件和QGC（QGroundControl）地面站框架的撲翼飛行器多機(jī)控制方案。以解決傳統(tǒng)手動(dòng)多機(jī)控制人手不足、視野范圍小、成本高等問題。最后，對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種控制方式的可行性。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。QGC地面站作為控制中心，不斷接受主機(jī)發(fā)送過來的航點(diǎn)信息，經(jīng)判斷后將航點(diǎn)發(fā)送給從機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總覽Fig.1 System overview

1 撲翼飛行器設(shè)計(jì)

撲翼飛行器是一種集仿生學(xué)、機(jī)械、控制、空氣動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科為一體的飛行器。近年來隨著人們對撲翼飛行器的不斷研究，出現(xiàn)了各式性能優(yōu)異撲翼飛行器。目前比較前沿的兩種撲翼飛行器有：麻省理工學(xué)院的Phoenix撲翼飛行器（如圖2所示）機(jī)架以碳纖維制成，翅膀采用單段翼設(shè)計(jì)。Festo公司的研制的SmartBird撲翼飛行器（如圖3所示）由碳纖維和聚氨酯泡沫制作而成，翅膀采用雙段翼設(shè)計(jì)。

圖2 MIT的Phoenix撲翼機(jī)Fig.2 Phoenix of Massachusetts Institute of Technology

圖3 Festo公司的SmartBirdFig.3 SmartBird of Festo

通過對以上兩種的撲翼飛行器的研究，研制了單段翼和雙段翼兩種具有較好飛行性能的撲翼飛行器。雙段撲翼飛行器采用雙曲柄搖桿結(jié)構(gòu)，翼展約1.8 m，重量約400 g，單段翼撲翼飛行器采用空間連桿結(jié)構(gòu)，翼展約1 m，重量約280 g，其外形如圖4所示。單段翼撲翼飛行器相比于雙段翼撲翼飛行器具有更快的飛行速度，在飛行時(shí)可以到達(dá)7 m/s的飛行速度，且相比于雙段翼具有更好的爬升率。本文選用單段翼撲翼飛行器作為測試協(xié)同飛行的飛行器。

圖4 自主設(shè)計(jì)的撲翼飛行器Fig.4 Independently designed flapping-wing aerial vehicles

2 撲翼飛行器自主飛行控制

自主飛行控制能夠讓飛行器自主完成預(yù)先設(shè)定的飛行任務(wù)，如自動(dòng)起降、按航點(diǎn)飛行等，只有當(dāng)撲翼飛行器故障時(shí)飛手才會(huì)對飛行器進(jìn)行人工干預(yù)?；诖塒ID的多旋翼飛行器和固定翼飛行器的控制理論已經(jīng)比較成熟，本文通過將串級PID應(yīng)用于撲翼飛行器上，來實(shí)現(xiàn)撲翼飛行器的多機(jī)協(xié)同飛行。

PX4是可以應(yīng)用于多種載具類型的開源飛行控制軟件，支持多旋翼飛行器、固定翼飛行器、直升機(jī)、無人車等載具。PX4的高度模塊化設(shè)計(jì)為無人機(jī)應(yīng)用提供了豐富且穩(wěn)定的開發(fā)工具包，方便無人機(jī)開發(fā)人員在PX4固件的基礎(chǔ)上對特定機(jī)型進(jìn)行定制。本文實(shí)現(xiàn)的撲翼飛行器的自主飛行控制由基于PX4固件的串級PID實(shí)現(xiàn)，其位置控制器（如圖5所示）使用L1制導(dǎo)律[14]來進(jìn)行制導(dǎo)，使用TECS（total energy control system）[15]來同時(shí)控制飛行器的空速和高度。位置控制器輸出撲翼飛行器當(dāng)前的期望姿態(tài)角和油門，然后輸入姿態(tài)控制器對撲翼的姿態(tài)進(jìn)行控制。

圖5 撲翼飛行器位置控制Fig.5 Position control of flapping-wing aerial vehicle

撲翼飛行器的姿態(tài)控制機(jī)理和傳統(tǒng)的三角翼飛行器類似。飛行器的姿態(tài)控制通過串級PID來實(shí)現(xiàn)，其外環(huán)通過PID控制姿態(tài)角，內(nèi)環(huán)通過PI控制期望角速度。

現(xiàn)在的撲翼飛行器的制作仍然需要大量的手工操作，難以保證每一架撲翼飛行器在結(jié)構(gòu)上都完全相同。單段式撲翼飛行器參數(shù)的確定，需要飛手先在默認(rèn)參數(shù)下進(jìn)入自穩(wěn)模式測試撲翼飛行器的盤旋半徑及機(jī)身抖動(dòng)情況，當(dāng)撲翼飛行器在自穩(wěn)模式下可以靈活地轉(zhuǎn)彎，且具有較好的爬升效率，就可以進(jìn)一步進(jìn)行自動(dòng)起降和按航點(diǎn)飛行試驗(yàn)。

撲翼飛行器的自動(dòng)起飛和降落可以讓飛行器在起飛和降落階段無需人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自主的起飛和降落，大大降低了起飛難度，且可以方便撲翼飛行器回收。自動(dòng)起飛一般在自主飛行控制的起飛階段使用，飛行器將第一個(gè)航點(diǎn)作為起飛航點(diǎn)，當(dāng)飛行器在起飛階段達(dá)到了起飛航點(diǎn)可接受半徑后，飛行器完成起飛。PX4固件對飛行器的起飛方式包含滑跑起飛和手拋起飛，本文所設(shè)計(jì)的撲翼飛行器沒有起落架，需采用手拋的方式起飛。在原生PX4固件中，若飛行器采用手拋起飛方式，飛行控制系統(tǒng)會(huì)在檢測到飛行器加速度到達(dá)一定閾值之后將油門從怠速狀態(tài)的20%迅速增加到100%。在實(shí)際飛行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這樣的油門控制容易導(dǎo)致在起飛階段撲翼飛行器翅膀連桿部分?jǐn)嗔眩ㄈ鐖D6所示）。本文采用的手拋式起飛策略將其修改為在起飛階段2 s之后才會(huì)將油門加到最大，這樣可以很好地在起飛階段保護(hù)撲翼飛行器不受損壞。

圖6 斷裂的翅膀連桿Fig.6 Broken wing connecting rod

自動(dòng)降落是當(dāng)撲翼飛行器進(jìn)行自主飛行任務(wù)時(shí)，在檢測到下一個(gè)航點(diǎn)為降落航點(diǎn)時(shí)觸發(fā)。撲翼飛行器的降落方式和固定翼和多旋翼稍有區(qū)別。由于單段翼撲翼飛行器滑翔能力較弱，當(dāng)降落時(shí)，若油門量小，單段翼撲翼飛行器會(huì)直接墜落。本文采用的方案是當(dāng)撲翼飛行器處于降落階段時(shí)，仍然保持一個(gè)較小的油門使得撲翼飛行器能夠以一個(gè)較低的頻率撲動(dòng)，這種較低頻率的撲動(dòng)可以維持飛行器的平衡性，同時(shí)不至于降落太快導(dǎo)致?lián)湟盹w行器損毀。

3 基于QGC框架的多機(jī)協(xié)同飛行策略設(shè)計(jì)

基于PX4固件可以使飛行器實(shí)現(xiàn)按航點(diǎn)飛行和高度控制。利用無人機(jī)地面站對撲翼飛行器進(jìn)行基于航點(diǎn)的控制，使得多架撲翼飛行器可以沿著由主機(jī)在飛行階段生成的航線飛行，從而達(dá)到多機(jī)協(xié)同飛行的效果。QGC地面站可以對PX4固件提供原生支持且軟件架構(gòu)高度模塊化，工程人員可以方便地在原生代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制和修改。

如圖7所示，利用QGC地面站對撲翼飛行器進(jìn)行集中控制，將主機(jī)的位置作為航點(diǎn)信息傳送給從機(jī)，地面站首先判斷從機(jī)當(dāng)前的飛行狀態(tài)是否適合前往主機(jī)當(dāng)前的位置，若是，則主機(jī)發(fā)送航點(diǎn)信息給從機(jī)，從機(jī)在接受到從地面站發(fā)送過來的航點(diǎn)信息后前往主機(jī)的位置。

圖7 撲翼飛行器協(xié)同飛行基本流程Fig.7 Basic process of flapping-wing aerial vehicle cooperative flight

考慮到撲翼飛行器在飛行過程中的不穩(wěn)定性，減少地面站向從機(jī)發(fā)送主機(jī)的位置信息的頻率可以放寬從機(jī)對主機(jī)的跟隨條件。撲翼飛行器協(xié)同飛行時(shí)，地面站發(fā)送給從機(jī)的航點(diǎn)依據(jù)發(fā)送頻率可以分為以下兩種策略：（1）主機(jī)每到達(dá)一個(gè)航點(diǎn)給所有滿足條件的從機(jī)發(fā)送航點(diǎn)信息；（2）主機(jī)定時(shí)向所有從機(jī)發(fā)送航點(diǎn)信息。

對于第一種策略，從結(jié)果來看從機(jī)會(huì)跟隨著主機(jī)完成相同的航線，這種采用較低頻率發(fā)送航點(diǎn)的方式可以大幅度地降低協(xié)同飛行的風(fēng)險(xiǎn)。和將所有飛行器設(shè)置相同的航線進(jìn)行協(xié)同飛行的方式相比，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以在飛行的過程中決定哪架無人機(jī)是主機(jī)，且可以在飛行過程中解散或啟動(dòng)協(xié)同飛行。第二種策略具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，由于撲翼飛行器無法懸停，這種按照時(shí)間間隔的發(fā)送方式可能會(huì)導(dǎo)致主機(jī)和從機(jī)相對位置的頻繁變化，甚至可能出現(xiàn)從機(jī)會(huì)接收到來自后方的航點(diǎn)的情況，這種來自后方的航點(diǎn)不僅極易產(chǎn)生墜毀的危險(xiǎn)，而且還會(huì)破壞協(xié)同飛行的效果。本文采用第一種方法來實(shí)現(xiàn)協(xié)同飛行方案。

在進(jìn)行自主程序控制飛行過程中，撲翼飛行器易產(chǎn)生姿態(tài)抖動(dòng)，加上易受到風(fēng)等外部環(huán)境因素的影響，其機(jī)械結(jié)構(gòu)容易在長時(shí)間飛行過程中產(chǎn)生損耗進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p壞。為了防止撲翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的斷裂，需要在進(jìn)行協(xié)同飛行前對每一架撲翼飛行器進(jìn)行飛行前檢查，具體的做法是首先檢查機(jī)身連接部分是否有松動(dòng)，然后在地面上大油門撲動(dòng)1 min，在判斷結(jié)構(gòu)可靠后再進(jìn)行程控飛行。

此外，在多機(jī)協(xié)同飛行過程中，飛行器和地面站之間的通信鏈路可能會(huì)暫時(shí)中斷，出現(xiàn)通信數(shù)據(jù)丟失的情況。由于目前采用的方法是通過地面站進(jìn)行集中控制，如果撲翼飛行器和地面站之間的通信完全中斷，那么需要飛手使用遙控器控制出現(xiàn)問題的撲翼飛行器完成回收。從機(jī)的通信丟失不會(huì)影響整個(gè)協(xié)同飛行的進(jìn)行，但若主機(jī)出現(xiàn)故障或通信丟失，如果此時(shí)地面站仍然還在編隊(duì)控制過程中，此時(shí)地面站會(huì)因?yàn)闆]有主機(jī)而取消協(xié)同飛行，所有從機(jī)執(zhí)行自己的飛行任務(wù)。如果在主機(jī)和地面站通信丟失之后仍然想要維持協(xié)同飛行的狀態(tài)，地面站需要在檢測到主機(jī)通信丟失之后選擇出此時(shí)相對最靠前的從機(jī)作為主機(jī)。

為了進(jìn)一步降低撲翼飛行器通信丟失的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)從機(jī)到達(dá)了主機(jī)給出的上一個(gè)航點(diǎn)位置時(shí)，從機(jī)會(huì)回到自己的航線任務(wù)中。這樣做有兩個(gè)好處：（1）從機(jī)不需要在已經(jīng)到達(dá)了航點(diǎn)之后在原航點(diǎn)盤旋等待主機(jī)位置；（2）當(dāng)主機(jī)在協(xié)同飛行中途出現(xiàn)通信中斷時(shí)，從機(jī)可以在到達(dá)了上一個(gè)航點(diǎn)之后執(zhí)行自己的飛行任務(wù)，并通過完成自己的飛行任務(wù)返回。

在多機(jī)協(xié)同飛行的過程中，容易出現(xiàn)從機(jī)超越主機(jī)的情況，這樣會(huì)導(dǎo)致主機(jī)給出的航點(diǎn)在從機(jī)后面。一種簡單的做法是根據(jù)主機(jī)和從機(jī)執(zhí)行任務(wù)的快慢，進(jìn)而對從機(jī)和主機(jī)的航線做出調(diào)整，使得主機(jī)和從機(jī)航點(diǎn)之間的距離大致相等，這可以通過比較兩架飛行器執(zhí)行航點(diǎn)的序號大小來判斷它們的相對位置。一般情況下，主機(jī)會(huì)先于從機(jī)起飛，但是當(dāng)從機(jī)的位置先于主機(jī)時(shí)，主機(jī)發(fā)送的位置信息不再有效，從機(jī)執(zhí)行自己的任務(wù)，直到主機(jī)發(fā)來一個(gè)先于從機(jī)的航點(diǎn)。

4 飛行試驗(yàn)

基于上述設(shè)計(jì)，在完成撲翼飛行器制作和地面調(diào)試的基礎(chǔ)上，開展了大量的撲翼飛行器飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)包括單機(jī)自主飛行試驗(yàn)和多機(jī)協(xié)同飛行試驗(yàn)；經(jīng)過多輪迭代，進(jìn)一步優(yōu)化了撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)、飛控軟件及GCS地面站軟件。

將撲翼飛行器飛行控制及多機(jī)協(xié)同飛行引入到了浙江大學(xué)“飛行器設(shè)計(jì)與工程”本科專業(yè)的“嵌入式計(jì)算技術(shù)”課程的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。學(xué)生分組進(jìn)行了撲翼飛行器飛控軟件與GCS地面站軟件的聯(lián)機(jī)調(diào)試及試飛試驗(yàn)。

4.1 單機(jī)自主飛行試驗(yàn)

通過單機(jī)的自主飛行試驗(yàn)測試撲翼飛行器的自主飛行能力。首先在QGC地面站中規(guī)劃飛行航點(diǎn)，由飛手通過自穩(wěn)飛行確定當(dāng)前撲翼飛行器的對應(yīng)參數(shù)，然后測試撲翼飛行器的自動(dòng)起飛，按航點(diǎn)飛行，自動(dòng)降落能力。

本次試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)航點(diǎn)，其中1個(gè)起飛航點(diǎn)高度16 m，兩個(gè)普通航點(diǎn)高度分別為18 m和16 m，最后一個(gè)降落航點(diǎn)高度為0 m。其衛(wèi)星圖、軌跡圖和三維軌跡圖如圖8~10所示。

圖8 單機(jī)自主飛行衛(wèi)星圖Fig.8 Single vehicle autonomous flight satellite image

圖9 單機(jī)自主飛行軌跡圖Fig.9 Single vehicle autonomous flight trajectory diagram

圖10 單機(jī)自主飛行三維軌跡圖Fig.10 Single vehicle autonomous flight 3D trajectory diagram

4.2 協(xié)同飛行試驗(yàn)

通過兩架撲翼飛行器測試撲翼飛行器的多機(jī)協(xié)同飛行。其中以一架撲翼飛行器作為主機(jī)，其余一架作為從機(jī)。試驗(yàn)時(shí)，從機(jī)本身不執(zhí)行本機(jī)的飛行任務(wù)，而是飛往通過QGC地面站發(fā)送過來的航點(diǎn)位置。試驗(yàn)使用的兩架撲翼飛行器如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)用兩架撲翼飛行器Fig.11 Two flapping-wing aerial vehicle for test

主機(jī)設(shè)置4個(gè)航點(diǎn)，其中一個(gè)起飛航點(diǎn)高度為16 m，兩個(gè)普通航點(diǎn)的高度分別為18 m和16 m，最后一個(gè)降落航點(diǎn)的高度為0 m。從機(jī)設(shè)置的航點(diǎn)和主機(jī)基本相同，但是從機(jī)在主機(jī)起飛之后不再執(zhí)行自己的飛行任務(wù)，只接受通過地面站傳來的主機(jī)到達(dá)某航點(diǎn)時(shí)的位置。其飛行軌跡如圖12所示，現(xiàn)場飛行試驗(yàn)如圖13所示。

圖12 兩架飛機(jī)協(xié)同飛行三維軌跡圖Fig.12 Two vehicle cooperative flight 3D trajectory diagram

圖13 飛行試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.13 Flight test site image

5 結(jié)束語

本文針對撲翼飛行器自主控制難題，以開源QGC地面站和PX4固件為基本框架，并進(jìn)行了定制化改造，實(shí)現(xiàn)了程控飛行控制；進(jìn)而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種控制撲翼飛行器多機(jī)協(xié)同飛行的方法，通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。這種多機(jī)協(xié)同控制方式可以可靠地實(shí)現(xiàn)對撲翼飛行器位置要求不嚴(yán)苛的多機(jī)協(xié)同飛行，并可以大大減少對專業(yè)飛手?jǐn)?shù)量的要求，應(yīng)用前景廣闊。通過將撲翼飛行器控制與多機(jī)協(xié)同技術(shù)引入到“嵌入式計(jì)算技術(shù)”的課程教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生對嵌入式計(jì)算技術(shù)面向領(lǐng)域應(yīng)用的認(rèn)知和實(shí)踐創(chuàng)新能力。