一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112034868A(43)申请公布日2020.12.04(21)申请号202010783527.1(22)申请日2020.08.06(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人吴江浩曹赫宇(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)B64C33/02(2006.01)G05D1/10(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构(57)摘要本发明公开了一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构。本发明仿造自然界中的昆虫及蜂鸟飞行的偏航控制原理，考虑了微型扑翼飞行器实际振动特性，并基于该仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法设计了相应的控制机构，并提出了单舵机和双舵机偏航控制两种机构设计方案，通过舵机直接对翼进行操作，实现仿生微型扑翼飞行器的偏航控制。相比现有的仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构，本发明偏航控制对翼直接操作、控制机构实现简单，操作容易，更加符合仿生微型扑翼飞行器体积小、重量轻的要求。CN112034868ACN112034868A权利要求书1/2页1.一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构，其特征在于，当需对平衡状态下飞行器的偏航角进行偏差修正，保证飞行器的精准悬停时，包括如下步骤：(1)解算偏航姿态角：通过解算偏航姿态角获得飞行器当前偏航姿态角估计值；(2)获得偏航控制执行指令：计算所述偏航姿态角估计值与偏航姿态角指令值的差值作为偏航姿态角差值；根据所述偏航姿态角差值，采用PID控制算法计算获得偏航控制执行指令；(3)产生偏航力矩：将所述偏航控制执行指令输入给偏航控制执行部件，所述偏航控制执行部件受控产生偏航力矩，改变飞行器的偏航姿态，使偏航姿态恢复至平衡位置。2.如权利要求1所述一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构，其特征在于，当需要飞行器的偏航姿态在小范围内发生变化，即进行偏航精准机动时，包括如下步骤：(1)首先实现精准悬停，偏航角控制在预期值，此时输入偏航指令为零，飞行器进行偏航增稳控制，使飞行器在狭小空间内保持在预期的平衡位置，在此基础上进行后一时刻的偏航机动控制；(2)解算偏航姿态角：通过解算偏航姿态角获得飞行器当前偏航姿态角估计值；(3)获得偏航控制执行指令：计算所述偏航姿态角估计值与偏航姿态角指令值的差值作为偏航姿态角差值；根据所述偏航姿态角差值，进行混控矩阵计算，获得偏航舵偏量控制执行指令；(4)偏航力矩产生：将所述偏航舵偏量控制执行指令输入给偏航控制执行部件；所述偏航控制执行机构部件受控产生偏航力矩，在小范围内改变飞行器的偏航姿态，使偏航姿态到达指令要求位置。3.如权利要求1或2所述一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构，其特征在于，所述解算偏航姿态角包括如下步骤：(1)由加速度计、陀螺仪、磁力计分别测得偏航角加速度、偏航角速度和磁方向角；(2)将测得的所述偏航角加速度、偏航角速度、磁方向角作为输入，采用互补滤波与扩展卡尔曼滤波组成的姿态解算算法得到所述偏航姿态角估计值。4.如权利要求1所述一种仿生微型扑翼飞行器偏航控制方法和机构，其特征在于，基于PID控制算法获得偏航控制执行指令包括以下两个步骤：(1)计算所述偏航姿态角估计值与所述飞行器偏航姿态角指令值的差值作为所述偏航姿态角差值；(2)根据所述偏航姿态角差值，采用PID控制算法计算得到偏航姿态角控制执行期望；根据所述偏航姿态角控制执行期望，采用混控矩阵计算出消除所述偏航姿态角偏差值所需的偏航舵偏量，得到偏航舵偏量控制执行指令。5.一种应用如权利要求1-4任意一项所述的仿生微型扑翼飞行器的偏航控制方法和机构的仿生微型扑翼飞行器，包括机身、偏航控制舵机和呈左右对称分布在所述机身两侧的左侧翼和右侧翼，其特征在于，所述左侧翼、右侧翼均包括翼杆、翼膜，所述翼杆包含前缘翼杆和侧翼杆，所述翼膜的上缘和侧缘垂直，下缘呈圆弧状；所述前缘翼杆与所述翼膜上缘连接，所述侧翼杆与所述翼膜侧缘连接；偏航控制舵机位于侧翼杆之间的下方；当需要右偏航力矩时，所述偏航控制舵机通过其上的舵机臂带动所述左侧翼的侧翼杆绕翼根位置向后摆动，所述右侧翼的侧翼杆绕翼根位置向前摆动，使前拍时所述左侧翼的2CN112034868A权利要求书2/2页翼膜张紧，攻角减小，所述右侧翼的翼膜松弛，攻角增加；后拍时所述左侧翼的翼膜松弛，攻角增加，所述右侧翼的翼膜张紧，攻角减小，从而使所述左侧翼的后拍阻力大于前拍阻力，所述右侧翼的后拍阻力小于前拍阻力，进而形成右偏航力矩；当需要左偏航力矩时，所述偏航控制舵机通过其上的舵机臂带动所述右侧翼的侧翼杆绕翼根位置向后摆动，所述左侧翼的侧翼杆绕翼根位置向前摆动，使前拍时所述