黃海豐 賀 威 鄒 堯楊昆翰孫長(zhǎng)銀

(1.北京科技大學(xué)人工智能研究院，北京 100083;2.北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083;3.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211189)

1 引言

仿生撲翼飛行機(jī)器人指的是通過(guò)模仿鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)、蝙蝠等自然界飛行生物，采用撲翼的方式產(chǎn)生升推力的一類飛行機(jī)器人[1-2].由于其潛在的能耗低、機(jī)動(dòng)性好、隱蔽性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，仿生撲翼飛行機(jī)器人近年來(lái)受到研究人員的廣泛關(guān)注，并取得一定的研究進(jìn)展[3-4].代表性的研究成果包括哈佛大學(xué)Robobee系列[5-7]、代爾夫特理工大學(xué)Delfly系列[8-9]、伊利諾伊大學(xué)香檳分校Bat Bot[10]、德國(guó)Festo公司Smartbird[3]、馬里蘭大學(xué)Robo Raven[11]、韓國(guó)建國(guó)大學(xué)KUBeetle系列[12-14]、淡江大學(xué)Golden Snitch[15]、西北工業(yè)大學(xué)Dove[16]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)鳳凰[17]、北京科技大學(xué)USTBird[18-19]等.但是目前關(guān)于仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的研究大多停留在對(duì)生物蝴蝶飛行機(jī)理的研究[20-23]，鮮有能夠?qū)崿F(xiàn)自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng).Tanaka等模仿鳳蝶的翅膀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款重量?jī)H0.39 g的仿鳳蝶撲翼飛行機(jī)器人，用以研究鳳蝶的前向飛行特性[24].但是由于采用的橡皮筋驅(qū)動(dòng)方式，這款機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的撲翼動(dòng)作支持短暫的前向飛行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)爬升飛行、轉(zhuǎn)彎飛行等飛行模式的有效控制.德國(guó)Festo公司設(shè)計(jì)了一款翼展50 cm，重32 g，采用兩個(gè)獨(dú)立舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人eMotionButterflies[12].借助裝載紅外線攝像機(jī)的室內(nèi)GPS系統(tǒng)，eMotionButterflies可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)的協(xié)調(diào)飛行，但是舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式使得它的翅膀撲動(dòng)頻率只能維持在1 Hz到2 Hz，與真實(shí)蝴蝶相差較遠(yuǎn)，而且研究人員并未對(duì)eMotionButterflies的飛行控制和仿生特性分析進(jìn)行進(jìn)一步研究.冷燁等[25]同樣采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了一款翼展為49.8 cm的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人，但是經(jīng)過(guò)測(cè)試其升力不能克服重力.考慮到仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅能夠有效的融入并適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，還能為研究生物蝴蝶飛行機(jī)理提供新的研究視角，研制出一款具有高度仿生性、能夠?qū)崿F(xiàn)自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)具有重要意義.鳳蝶作為一種常見(jiàn)的蝴蝶種類，已有研究人員對(duì)其形態(tài)特征和飛行特征進(jìn)行了大量研究，并取得了一些結(jié)果[24，26]，這些研究成果可以為樣機(jī)的設(shè)計(jì)及與生物的對(duì)比分析提供參考，因此本文將鳳蝶作為仿生對(duì)象.

首先，撲翼驅(qū)動(dòng)及仿生翼型設(shè)計(jì)一直是仿生撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.與鳥(niǎo)類、蜜蜂、果蠅等其它采用一對(duì)翅膀撲動(dòng)的飛行生物不同，擁有兩對(duì)翅膀的蝴蝶有著自己獨(dú)特的翅翼結(jié)構(gòu)和撲動(dòng)模式.相較于其它的昆蟲(chóng)，蝴蝶的撲翼頻率較低，約為10 Hz(果蠅約為250 Hz).此外，蝴蝶翅膀在撲動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有明顯的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且其前翅和后翅在飛行中一般都是重疊在一起的[27].考慮到這些特點(diǎn)，本文采用電機(jī)結(jié)合平面四連桿的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前翅和后翅一起撲動(dòng).測(cè)量結(jié)果表明，相較于eMotionButterflies的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，能有效提升撲翼頻率至5 Hz，且能保證左右翅膀較好的運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性.另一個(gè)對(duì)撲翼飛行特性產(chǎn)生較大影響的因素是翅膀的翼型結(jié)構(gòu).與鳥(niǎo)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(xì)小的翅脈和輕薄的翅膜組成.同時(shí)，與同樣是薄膜翼結(jié)構(gòu)的果蠅等其它昆蟲(chóng)不同的是，蝴蝶有著獨(dú)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(diǎn)，本文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0.05 mm的氯化聚乙烯薄膜形成薄膜翼.通過(guò)對(duì)翅膀的幾何學(xué)分析，設(shè)計(jì)的薄膜翼與生物蝴蝶有著較為接近的展弦比、無(wú)量綱一階面積矩回轉(zhuǎn)半徑和無(wú)量綱二階面積矩回轉(zhuǎn)半徑，這意味著設(shè)計(jì)的翼型具有較高的仿生性.

其次，與通過(guò)尾翼控制方向的仿鳥(niǎo)撲翼飛行機(jī)器人不同，仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的無(wú)尾結(jié)構(gòu)使得其實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制較為困難.現(xiàn)有的無(wú)尾仿生撲翼飛行機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制主要包括兩種方式:一是類似eMotion-Butterflies通過(guò)左右翼差動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[12];二是類似KUBeetle通過(guò)舵機(jī)加連桿結(jié)構(gòu)拉動(dòng)翅膀根部實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[13].特別地，Delfly Nimble同時(shí)使用了兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)姿態(tài)角的獨(dú)立控制[9].針對(duì)已經(jīng)設(shè)定好的四連桿撲翼結(jié)構(gòu)，采用第1種方式會(huì)大大增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且容易造成頭部過(guò)重，影響仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人飛行性能.而第2種方式則更常見(jiàn)于攻角較大、近似于垂直向上飛行的撲翼飛行機(jī)器人.在本文中，首次采用了線驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的航向控制.具體地，采用電磁舵機(jī)拉動(dòng)連接彈性繩，從而改變左右翅膀的面積，進(jìn)而產(chǎn)生偏航和滾轉(zhuǎn)力矩.實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)方式能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的航向控制.

最后，通過(guò)集成自主設(shè)計(jì)的飛控系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人翼展50 cm，重50 g，可實(shí)現(xiàn)5分鐘的可控飛行，能夠執(zhí)行室內(nèi)盤(pán)旋飛行、實(shí)時(shí)航拍等任務(wù).通過(guò)對(duì)實(shí)際飛行時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人身體在飛行時(shí)展現(xiàn)出類似于生物蝴蝶的上下俯仰運(yùn)動(dòng).這些研究結(jié)果表明所研制的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅可以用于執(zhí)行真實(shí)環(huán)境下的飛行任務(wù)，也可以用于對(duì)生物蝴蝶飛行機(jī)理的對(duì)比分析研究.

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)可以歸納成以下3個(gè)部分:1)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一款續(xù)航時(shí)間可達(dá)5分鐘的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人，包括其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿生翼型設(shè)計(jì)和飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等;2)首次設(shè)計(jì)和采用線驅(qū)動(dòng)的方式控制仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了其自由可控飛行，飛行試驗(yàn)證明了控制系統(tǒng)的有效性;3)姿態(tài)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人與生物蝴蝶有著類似的身體起伏運(yùn)動(dòng)特征，這給研究生物蝴蝶的飛行機(jī)理提供了一種新的思路.

2 樣機(jī)系統(tǒng)概述

高仿生撲翼飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)面臨著驅(qū)動(dòng)、能源、材料、控制等多方面的挑戰(zhàn)[4].本文的設(shè)計(jì)旨在模仿生物蝴蝶的核心翅翼形態(tài)與撲動(dòng)特征，研制可在真實(shí)環(huán)境進(jìn)行自由可控飛行的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人.圖1 示出了自主設(shè)計(jì)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人USTButterfly-S與其仿生對(duì)象鳳蝶的對(duì)比.圖2給出了USTButterfly-S的系統(tǒng)組成與性能參數(shù)，表1給出了其質(zhì)量分布情況.

圖1 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人(左)與生物鳳蝶(右)對(duì)比Fig.1 Comparison of the butterfly-inspired FWAR(left)and the biological swallowtail butterfly(right)

圖2 USTButterfly-S系統(tǒng)組成與主要參數(shù)Fig.2 Components and main parameters of USTButterfly-S

表1 USTButterfly-S質(zhì)量分布(不含外殼)Table 1 Weight decomposition of USTButterfly-S(without shell)

USTButterfly-S包含左右兩對(duì)翅膀，每對(duì)翅膀由一個(gè)前翅和一個(gè)后翅組成.翅膀通過(guò)設(shè)計(jì)的3D打印件與驅(qū)動(dòng)的輸出搖桿連接，搖桿通過(guò)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1.3 mm，1.5 mm和1 mm的碳纖維棒，碳纖維棒之間通過(guò)3D打印件的圓孔固定連接，最終構(gòu)成翅膀骨架.翅膀薄膜為0.05 mm厚的氯化聚乙烯薄膜，原色為乳白色，翅膀上的花紋通過(guò)數(shù)碼直噴印花形成.機(jī)身外殼也通過(guò)3D打印制成，在實(shí)際飛行中可拆卸.驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一個(gè)無(wú)刷電機(jī)結(jié)合微型減速箱和平面四連桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制撲翼頻率，頻閃儀測(cè)量結(jié)果顯示在帶負(fù)載的情況下，撲翼頻率最大可達(dá)5 Hz.USTButterfly-S的轉(zhuǎn)向采用線驅(qū)方案，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由電磁舵機(jī)、3D打印的雙層圓盤(pán)，以及纏繞在圓盤(pán)上的彈性繩組成，彈性繩另一端穿過(guò)翅膀主桿上的3D打印通道連接翅膀根部，通過(guò)控制電磁舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和角度控制圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，從而拉動(dòng)彈性繩改變左右前翅的翼面面積，產(chǎn)生不對(duì)稱氣動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)向，此方案在仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人設(shè)計(jì)中為首次使用.USTButterfly-S搭載了自主設(shè)計(jì)的微型飛控板和微型攝像頭.容量為300 mAh的3.7 V鋰電池為整個(gè)系統(tǒng)供電，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行5分鐘.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)將從撲翼驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿生翅翼設(shè)計(jì)、線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)方面詳述USTButterfly-S的系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)方法.

3.1 撲翼驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)乎撲翼運(yùn)動(dòng)步態(tài)的設(shè)置，是仿生撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心之一.如前所述，生物蝴蝶的翅膀撲動(dòng)沒(méi)有明顯的扭動(dòng)，在仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只需實(shí)現(xiàn)翅膀上下的平動(dòng)揮拍，因此對(duì)稱性和輕質(zhì)化成為關(guān)注的主要指標(biāo).本文中的撲翼機(jī)構(gòu)采用如圖3所示的平面四連桿機(jī)構(gòu)，它是由具有良好對(duì)稱性的雙曲搖桿結(jié)構(gòu)構(gòu)成[28].電機(jī)產(chǎn)生的圓周運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)微型減速箱的五級(jí)減速后，驅(qū)動(dòng)雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動(dòng).其中主、從動(dòng)齒輪均采用POM(聚甲醛樹(shù)脂)材料，該材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，同時(shí)兼顧優(yōu)良的滑動(dòng)性和耐磨性.曲柄、搖桿以及機(jī)架部分均為自主設(shè)計(jì)，并采用3D打印的方式進(jìn)行加工，材料為尼龍PA11.

圖3 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Driving mechanism of the butterfly-inspired FWAR

圖4給出了左右完全對(duì)稱的雙曲柄雙搖桿平面四連桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其中O和O′分別為主從動(dòng)輪的圓心，N為搖桿的錨點(diǎn)，OO′處于水平方向，ΔNOO′形成腰長(zhǎng)為a，底邊長(zhǎng)為b的等腰三角形，定義δarccos(b/2a)為機(jī)架安裝角，OA和OA′為長(zhǎng)度為r1的曲柄，AB和A′B′為長(zhǎng)度為l的連桿，NB和NB′為長(zhǎng)度為r2的搖桿.

圖4 雙曲柄雙搖桿平面四連桿結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic of the four-bar linkage with double cranks and double rockers

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于嚙合作用，從動(dòng)輪同步進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，即A點(diǎn)和A′點(diǎn)在圓O和圓O′上做圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)搖桿做往復(fù)撲動(dòng).定義搖桿與水平方向的夾角為撲動(dòng)角φ，在水平面上方為正.當(dāng)O，A，B三點(diǎn)共線時(shí)對(duì)應(yīng)著撲翼沖程的最大上撲和下?lián)錁O限位置，此時(shí)的最大撲動(dòng)角φmax和最小撲動(dòng)角φmin分別為[28]

根據(jù)Kang等人觀測(cè)的數(shù)據(jù)[24]，生物蝴蝶飛行時(shí)的撲翼頻率在9 Hz到11 Hz之間，拍幅角在191°到291°之間.考慮到電機(jī)輸出功率的限制，本文設(shè)置USTButterfly-S的撲翼模式為上下等幅撲動(dòng)，撲幅角為84°，也即是φmax-φmin42°.綜合考慮齒輪加工尺寸與安裝緊湊性，最終設(shè)定l15.65 mm，r14 mm，r26 mm，a16.8 mm，b13 mm.驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在SolidWorks中的仿真結(jié)果如圖5所示，其撲動(dòng)呈正弦規(guī)律變化，上下幅度為42°，與預(yù)設(shè)值相同.

圖5 撲動(dòng)角度變化仿真Fig.5 Simulation result of the flapping angle variation

3.2 仿生翅翼設(shè)計(jì)

蝴蝶翅膀的幾何構(gòu)型、翅脈和質(zhì)量分布與其氣動(dòng)特性密切相關(guān).考慮到仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)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(jié)構(gòu)，對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行翅膀的幾何形狀以及質(zhì)量分布等特征進(jìn)行參數(shù)化描述是十分必要的.由于USTButterfly-S翅膀厚度較小，在形態(tài)學(xué)分析時(shí)主要考慮平面幾何形狀.以右翅為例，如圖6所示，在翅膀平面建立直角坐標(biāo)系XwOYw，其中Xw和Yw分別代表翅膀展向和弦向，yl和yt分別代表翅膀前緣和后緣函數(shù)，b為翼展，豎條矩形為寬度為dr的翅膀片條，r為片條到原點(diǎn)的展向距離，c(r)為片條的高度也即是距離翅膀根部為r處的弦長(zhǎng)，Pcom和Pgc分別為翅膀的質(zhì)心和幾何中心，點(diǎn)A，B，C，D，E是翅膀緣線上的分界點(diǎn).

圖6 翅膀平面輪廓圖Fig.6 Plane profile of the wing

由翅膀的前后緣函數(shù)可得弦長(zhǎng)c(r)yl(r)-yt(r)，則單個(gè)翅膀的面積可通過(guò)積分表示為S平均弦長(zhǎng)為2S/b，展弦比為AR機(jī)翼載荷為Pwm/2S，其中m為USTButterfly-S的質(zhì)量.參考Betts等人的無(wú)量綱處理方法[26]，得到無(wú)量綱展向距離為?r2r/b，無(wú)量綱弦長(zhǎng)為進(jìn)一步有無(wú)量綱前緣函數(shù)為，無(wú)量綱后緣函數(shù)為無(wú)量綱k階面積矩回轉(zhuǎn)半徑為由于USTButterfly-S翅膀的前后緣函數(shù)并不光滑，因此采用分段函數(shù)進(jìn)行描述，翅膀前緣分為AB段和BC段，翅膀后緣分為AE段、ED段和DC段，并采用多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行近似.通過(guò)MATLAB中的Curve Fitting tool進(jìn)行曲線擬合，得到右翅無(wú)量綱前后緣函數(shù)如表2所示.

表2 無(wú)量綱翅膀前后緣函數(shù)Table 2 Normalized leading and trailing edge functions of the wing

根據(jù)以上定義的各指標(biāo)，可以對(duì)USTButterfly-S翅膀的幾何特性進(jìn)行定量化描述.為了說(shuō)明其翅膀的仿生特性，需要將這些指標(biāo)和生物蝴蝶進(jìn)行對(duì)比，為此，參考文獻(xiàn)[26]中對(duì)自然界生物蝴蝶翅膀進(jìn)行過(guò)的形貌學(xué)研究所得出的數(shù)據(jù)，選擇與其展弦比AR最接近的蝴蝶品種GS3(Graphium，青鳳蝶)進(jìn)行比對(duì).具體的比較結(jié)果如表3所示，可以看出USTButterfly-S與生物蝴蝶有著十分接近的展弦比和較為相似的無(wú)量綱一階、二階無(wú)量綱回轉(zhuǎn)距半徑，這表明USTButterfly-S與生物蝴蝶有著較為相似的翼型.此外，還可以看出USTButterfly-S的翼載荷明顯大于生物蝴蝶，一個(gè)可能的解釋是隨著翅膀尺寸增大，雷諾數(shù)增大，空氣的粘滯效應(yīng)減小，因此能產(chǎn)生更大的升推力.

表3 仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人與生物蝴蝶的參數(shù)比較Table 3 Comparison of parameters of the butterflyinspired FWAR and the biological butterfly

3.3 線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7給出了設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其工作原理圖.彈性繩從翅膀根部穿入，連接至翅膀末端，左右翅膀的兩根彈性繩連接至360°舵驅(qū)動(dòng)的雙層圓盤(pán)的上層和下層，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而改變左右彈性繩的長(zhǎng)度，進(jìn)而拉動(dòng)翅膀改變有效的撲翼面積.當(dāng)圓盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左邊彈性繩放松，右邊拉緊，拉動(dòng)右前翅根部，反之拉動(dòng)左前翅根部.通過(guò)上方的電位器返回圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度σ，進(jìn)而控制360°舵機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)或者停止.定義圓盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為正，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度σ被限定在-540°和540°之間.

圖7 線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其工作原理Fig.7 Wire-driven steering mechanism and its working principle

將翅膀視做一個(gè)整體，忽略翅膀形變，翅膀撲動(dòng)產(chǎn)生的垂直于翅膀平面的升力FL和向前的推力FT如下:

其中:cl和ct分別為平均升力系數(shù)和平均推力系數(shù)，ρ為空氣密度，S為翅膀面積，v為翅膀相對(duì)空氣速度.事實(shí)上，由于每一個(gè)翅膀片條的線速度不同，其相對(duì)于空氣的速度也不相同，翅膀的氣動(dòng)力更適宜于用積分形式表示，但是此處為了便于說(shuō)明翅膀面積對(duì)升推力的影響，本文用平均升推力系數(shù)的方式去近似表示.在不考慮翅膀形變的情況下，翅膀片條沿展向的積分與面積相關(guān).

如圖8所示，當(dāng)翅膀面積S發(fā)生變化時(shí)，左右翅膀產(chǎn)生不等的升推力，進(jìn)一步產(chǎn)生了偏航和滾轉(zhuǎn)力矩，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向.圖中上標(biāo)L和R分別代表左右翅膀(以機(jī)頭朝向?yàn)榛鶞?zhǔn))，弧形陰影部分表示撲翼沖程面，圖中顯示為右翅面積大于左翅面積時(shí)的力矩產(chǎn)生機(jī)制.值得注意的是，圖8只給出了翅膀在水平面時(shí)的瞬時(shí)受力分析，實(shí)際上由于左右翅膀完全對(duì)稱撲動(dòng)，在其它任意時(shí)刻翅膀關(guān)于機(jī)身軸對(duì)稱，左右翅膀產(chǎn)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類似的力矩產(chǎn)生機(jī)制.

圖8 通過(guò)調(diào)節(jié)翅膀面積的力矩產(chǎn)生機(jī)制Fig.8 Torque-producing mechanism through modulating the wing areas

3.4 飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分之一.受載荷限制，仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的飛控硬件設(shè)計(jì)部分需更多的關(guān)注輕質(zhì)和微型化設(shè)計(jì).圖9示出的是自主設(shè)計(jì)的飛控板，其尺寸為16 mm×26 mm，重量為2.7 g.主控芯片采用STM32F1系列單片機(jī)，飛控板包含了MPU6050六軸姿態(tài)傳感器(包含3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀)、UWB(Ultra Wide Band)定位芯片、JTAG接口、三路PWM波輸出口、USB轉(zhuǎn)串口、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)接口、電源開(kāi)關(guān)等模塊，主控芯片通過(guò)I2C接口讀取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，UWB定位芯片用于USTButterfly-S室內(nèi)飛行時(shí)的定位.JTAG接口用于連接J-Link下載器下載飛控程序.三路PWM波輸出接口中的PWM1用于外接3A電調(diào)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，PWM2用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的360°舵機(jī)，PWM3是備用接口.USB轉(zhuǎn)串口通過(guò)USB線連接電腦，用于調(diào)試以及修改flash數(shù)據(jù).ADC接口用于采集電位器的反饋電壓.通信方式采用2.4 GHz頻段的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙控和上位機(jī)與USTButterfly-S之間的飛行數(shù)據(jù)及控制指令的傳輸.圖中表示外接接口的白色粗箭頭的方向代表信號(hào)流通方向.

圖9 自主設(shè)計(jì)飛控板Fig.9 Self-designed flight control board

4 飛行實(shí)驗(yàn)

在完成了USTButterfly-S的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成后，本文通過(guò)室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其飛行能力.飛行實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)控制架構(gòu)圖Fig.10 System control architecture

整個(gè)系統(tǒng)分為天空端和地面端.天空端以機(jī)載飛控板為核心.飛控板通過(guò)ZigBee通信模塊接收來(lái)自飛手和上位機(jī)的飛控指令，然后輸出PWM信號(hào)控制撲翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而控制USTButterfly-S在室內(nèi)盤(pán)旋飛行.飛控板板載的MPU6050傳感器采集運(yùn)動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)主控芯片解算和濾波后通過(guò)ZigBee將姿態(tài)信息發(fā)送至上位機(jī).板載UWB定位芯片與地面的UWB基站實(shí)時(shí)通信并在上位機(jī)上解算出USTButterfly-S的實(shí)時(shí)位置.此外，USTButterfly-S搭載重量?jī)H為4 g的120°廣角彩色攝像頭，攝像頭分辨率為480*360，能滿足室內(nèi)航拍需求.通過(guò)圖傳接收機(jī)將航拍視頻實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī).地面端以操作人員和上位機(jī)為核心.上位機(jī)連接USB-ZigBee協(xié)調(diào)器和圖傳接收器，分別接收飛行數(shù)據(jù)和航拍圖像，經(jīng)過(guò)處理后顯示在交互界面上，操作人員觀察界面的數(shù)據(jù)和圖像，推動(dòng)遙控器搖桿控制USTButterfly-S的飛行.圖11顯示了其在室內(nèi)盤(pán)旋飛行時(shí)的照片及其航拍圖像截圖，飛行視頻可見(jiàn)附件材料或者h(yuǎn)ttps://v.qq.com/x/page/t3302u4knyt.html.

圖11 USTButterfly-S室內(nèi)盤(pán)旋飛行與實(shí)時(shí)航拍Fig.11 Indoor circling flight and real-time aerial photography of USTButterfly-S

根據(jù)文獻(xiàn)[24]中活體觀察給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鳳蝶在前向飛行時(shí)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(shí)爬升角較小，可以近似認(rèn)為俯仰角與攻角相等.圖12給出了USTButterfly-S飛行時(shí)的俯仰角變化曲線，可以看出USTButterfly-S在飛行時(shí)有著類似的上下起伏運(yùn)動(dòng)，其俯仰角在19°到49°之間周期性波動(dòng).本文認(rèn)為生物蝴蝶與USTButterfly-S撲動(dòng)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(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)姿態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)自由度差異是造成機(jī)身俯仰變化差異的另一個(gè)可能原因.以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)方式能有效地控制USTButterfly-S的航向，實(shí)現(xiàn)在有限室內(nèi)空間的自由可控飛行，并且USTButterfly-S 的飛行姿態(tài)有著較高的仿生性，可以為研究生物蝴蝶的飛行機(jī)理提供新的方案.

圖12 USTButterfly-S飛行時(shí)的俯仰角變化Fig.12 Pitch variation of USTButterfly-S during flight

5 結(jié)論

面向仿生撲翼飛行機(jī)器人在軍民融合領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款新型線驅(qū)動(dòng)仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人USTButterfly-S.首先結(jié)合生物蝴蝶翅膀的撲動(dòng)特征，設(shè)計(jì)了具有良好對(duì)稱性的雙曲柄雙搖桿撲翼結(jié)構(gòu)，不同于現(xiàn)有的橡皮筋驅(qū)動(dòng)或者舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人，基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)有效地將撲翼頻率提升至5 Hz.然后通過(guò)對(duì)鳳蝶翅膀外型特征的模仿，設(shè)計(jì)了具有高度仿生外觀的翅翼結(jié)構(gòu)，對(duì)翅膀的幾何學(xué)研究表明USTButterfly-S與青鳳蝶有著較為接近的翅膀形態(tài)學(xué)參數(shù).接著，針對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制問(wèn)題，考慮翅翼面積對(duì)撲翼氣動(dòng)力的影響，首次采用線驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)翅翼面積的方式實(shí)現(xiàn)了USTButterfly-S的無(wú)尾航向控制.最后通過(guò)系統(tǒng)集成，仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人具備室內(nèi)盤(pán)旋飛行、實(shí)時(shí)航拍等功能，并且展現(xiàn)出與生物蝴蝶相似的飛行特征.這些結(jié)果表明設(shè)計(jì)的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人不僅可以用于執(zhí)行實(shí)際飛行任務(wù)，還能為后續(xù)研究生物蝴蝶的飛行機(jī)理提供新的思路.但是目前所研制的仿蝴蝶撲翼飛行機(jī)器人在尺寸質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)自由度、翅膀撲動(dòng)模態(tài)等各方面與真實(shí)蝴蝶仍有較大的差距.未來(lái)將通過(guò)進(jìn)一步的仿生學(xué)研究，提高USTButterfly-S的仿生度與飛行性能，并結(jié)合先進(jìn)人工智能技術(shù)，提升系統(tǒng)智能化水平.