微型仿昆扑翼飞行器解耦操控机制

ｌｉｎｋ／Ｍａｔｌａｂ构建扑翼仿真平台ＶＦＭＡＶＳ【６ Ｊ，作为后 续的仿真、分析与验证的试验平台． ２．１昆虫振翅模型
为了更大限度地利用非定常流动，产生更大的 升力，昆虫一般采用图１所示的一种理想扑动模式： 翅膀在平挥过程中维持大迎角以利用失速延迟机 制，在平挥结束阶段快速转动以利用绕流环量和尾 迹捕获机制．昆虫所采用的这种冼式翅扑动过程可 以简化考虑为４个分动作：翅膀两次大迎角的平挥 （下拍、上拍或者叫上挥）以及两次快速转动（顺翅与 反翅）．当转动过程大部分位于上一个扑动周期时， 称之为超前翻转；反之，如果转动过程大部分位于后 一个扑动周期，称之为滞后翻转”１．
３操控机制的力间耦合分析及解耦（Ｆｏｒｃｅ
２振翅运动参数对气动力旋量的影响（Ｉｎｆｌｕ— ｅｎｃｅ ｏｆ ｗｉｎｇ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｗｒｅｎｃｈ）
本节分析振翅运动参数对气动力旋量的影晌， 为了满足结果验证的需要，设计了一个虚拟的仿昆 扑翼飞行器ＶＦＭＡＶ，在采用改进的准定常模型计算 其气动力后，建立其简化动力学模型并基于Ｓｉｍｕ－
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多种途径的研究ｍ”１表明振翅运动学参数对气 动力有极大的影响：
超前情况为正． 方式４如图２（ｄ）所示，左右翅膀扑动对称：左
右翅的“顺翅”和“反翅”都采用“滞后／超前”模式， 此时会减少／增加升力只，称之为负／正的控制方式
４，
２．３平动迎角的控制作用 根据平动迎角对气动力的作用，可以确定如图２
（ｅ—ｈ）所示的４种控制方式： 方式５如图２（ｅ）所示，左右翅膀对称扑动：在
第２９卷第６期 ２００７年１１月 文章编号：１００２４）４４６（２００７）０６－０５６９－０６
机器人ＲＯＢＯＴ
Ｖ０１．２９．Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．．２００７
微型仿昆扑翼飞行器解耦操控机制
胡明朗，魏瑞轩
（空军工程大学工程学院，陕西西安７１００３８）
摘要：提出一种解耦操控机制，用于解决微型仿昆扑翼飞行器飞行控制中的欠驱动问题．首先通过理论分析
本文采用理论分析和仿真试验相结合的方法， 在设计的虚拟仿昆扑翼飞行器及其仿真平台之上， 分析了振翅运动参数对平均气动力的影响，进而研 究振翅运动参数的控制作用，在此基础上设计了仿 昆气动布局的操控机制．该操控机制通过调整转动 角振翅运动参数，实现对３个气动力和３个气动力矩 的独立控制，本质上这是采用周期函数系列将输人 参数化，在扑翼飞行器动力学系统中引入了更多数 目的独立控制量，使仿昆扑翼飞行器的控制空间维 度等于构造维度，将其化为一个完全可控的系统，从 而解决了仿昆扑翼飞行器的欠驱动控制问题．
和仿真试验分析了翅膀的振翅运动参数对气动力旋量的控制作用；然后在对昆虫飞行所采用的生物学振翅运动进
行模拟的基础上，通过调整翅膀的振翅运动参数，设计了一个能对气动力和气动力矩宴现独立控制的解耦操控机
制．此操控机制采用周期函数将控制输入量参数化，从而在仿昆扑翼布局的动力学模型中引人更多数目的独立控制
量．通过将原动力学系统转化为完全能控系统，解决了仿昆扑翼布局的欠驱动控制问题．同时，此操控机制仅仅要求
万方数据
第２９卷第６期
胡明朗等：微型仿昆扑翼飞行器解耦操控机制
动力；同时，超前翻转会产生一个较大的升力峰值； （５）只要能够实现对扑翼飞行器的振翅频率、扑
动幅度、翻转时刻、平动迎角的控制，就可以实现对 翅膀升力、推力的独立控制，进而实现对６个控制输 入量的控制‘州．
２．２翅膀翻转时刻的控制作用 仿昆气动布局翅膀的超前翻转会增大平均气动
ｉｎｓｅｃｔ－ｌｉｋｅ ｎ印ｐｉＩｌｇ埘Ｉｌｇ ｍｉｃｒｏ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＦＭＡＶｓ），Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ ０ｆ ｗｉⅡｇ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ａｅｌ∞ｄｙｎａｍｉｃｓ
ｗｒｅｎｃｈｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｄｅｃｏｕｐｌｅｆｌ ｃｏｒａｒｏｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ
ｍｉｌｌ．ｉ出Ｉｌｇ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｅｃｔ ｔｌｉｇｌｌｔ，ｗｈｉｃｈ ｃ∞００ｎｔｒｏ］ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｍｏｒａｅｎｔｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ｂｙ
ｐｆ哦衄ｅｔ出ｔｈｅ∞ｎｔｒｏｌ ｕ８帕删ｏｄｉｃ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉ“ｇ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｉｓ ｍｅｅｈ丑Ｉ－ｉｓｍ
图１所示的这种扑动模式可用式（１）定量表 示［”：
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ｔｏ≤ｔ≤ｆｏ＋Ａｔ
矗＝１１ｒ－Ｆ２ａｏ Ｌ－１一ｃ。ｓ２１ｒ（¨‘。）／Ａｔ，］
ｔ，≤ｆ≤ｔ，＋Ａｔ，
（Ｉ） 式中参数，为扑动周期，庐为扑动幅度，ｔｏ为扑动加 速（减速）时刻，血为扑动加速（减速）阶段，Ａｆ，为翻 转周期，￡，为翻转时刻，ａ。为平挥迎角．这组参数能 够确定昆虫翅膀的扑动模式，被称为振翅运动参数．
．ＨＵ Ｍｉｎｇ—ｌａｎｇ，ＷＥＩ Ｒｕｉ—ｘｔｔａ［１
（ｎ，ｉ一：Ｗ ｌｎｓｔｉｔｍ，Ａｉｒ Ｆｏｒｅ踟一Ｈ－ｇ Ｕｒ，ｂ；ｅｍｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｒｔ ７１００３８，ＣＡｉｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｃｏｎｒａｉｌ ｍｅｃ］１ａＩｌｊｓｍ ｉｓ ｐｍｐＤｓｅｄ∞ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｆｌｉｇｈｔ∞ｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ
下扑时具有相同的平动迎角ａ，上下扑之间存在相 回平动迎危偏差值厶ａ≠ｏ，此时会产生俯仰力矩坂 和推力Ｅ；以偏差值Ａａ＞Ｏ时的控制方式５为正．
方式６如图２（ｆ）所示，左右翅膀不对称拍动： 在下拍时具有相同的平动迎角“，但左右翅的偏差
值反号，即妇，＝一Ａ％。此时会产生偏航力矩Ｍ，；以
左翅△口＞０时的控制方式６为正． 方式７如图２（ｇ）所示，扑动过程中左右翅膀
图２中口代指下拍过程中的平动迎角，Ａａ是翅 膀在上挥过程中的平动迎角与在下拍过程中的平动 迎角的差值，即Ａａ＝ｎｔ—ａ下．
方式１如图２（ａ）所示，左右翅膀对称扑动，且 “反翅”时“超前／滞后”转动，“顺翅”时“滞后／超前” 转动，则会产生一个正／负的俯仰力矩＋／一Ｍｙ和向 前／后的推力＋／一ｔ；以控制方式１的“顺翅”超前 情况为正．
接展开线性化后系统是不可控的…，同时不满足 “Ｂｒｏｃｋｅｔｔ镇定必要条件”，我们熟知的以光滑静态状 态反馈为基础的控制方法就不能解决欠驱动系统的 镇定问题”ｊ．因此，仿昆扑翼飞行器的控制问题具有 相当的难度．
“微机械昆虫（ＭＦＩ）”项目组开创了仿昆扑翼控 制研究的先河，他们通过比较扑翼与直升机旋翼之 间的相似性，控制ＭＦＩ的平均控制力矩和平均升力， 将动力学模型在原点近似线性化后实现姿态控制， 并在角运动控制的基础上实现ＭＦＩ的悬停控制”‘４’
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Ｆｉｇ．２
墨２调整振翅运动韵酾转时捌与平动迎角所产生鹩气动力和气动力矩 Ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｒｃｅｇ ａＤｄ ｔｏｒｑｕｅｓ ｇｅｎｅｒａｌｅｄ ｂｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｉｐ Ｋｔａｒ［ｔｉｍｅ ａｎｄ卿ｄ－ｓｔｒｏｋｅ∞出。ｆ ａｔｔａｃｋ
上下拍过程中具有相同的平动迎角，即△“＝０，但是 左翅的平动迎角不等于右翅的平动迎角，此时会产
万方数据
机器人
２｛｝０７年１１月
生横滚力矩＾ｔ；以左翅的平动迎角小于右翅时的控 制方式７为正．
方式８如图２（ｈ）所示，扑动过程中左右翅膀 上下拍过程中具有相同的平动迎角，即△ａ＝０，同时 左右翅膀的平动迎角相同，此时可以通过控制平动 迎角来控制升力ｔ的大小；以增大平动迎角时的控 制方式８为正，
力，滞后翻转会减小平均气动力；同时，超前翻转会 产生一个较大的升力峰值．由翅膀翻转时刻的作用， 可以确定图２（ａ—ｄ）所示韵４种控制方式．
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１引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
仿昆扑翼布局不但可以更好地利用非定常流克 服低雷诺数下的气动性能恶化问题，在整个扑动周 期内都有升力，而且其运动控制参数的多样性还使 它具有控制灵活等优点，是现有条件下设计厘米级、 亚厘米级微型飞行器的最优气动布局，
但仿昆扑翼布局采用动力面、控制面一体化方 案，造成扑翼飞行器是一个在非定常周期时变气动 力作用下控制空间维度为４、构造空间维度为６的欠 驱动系统．欠驱动系统属于本质非线性系统，因此直
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍ∞ｈａｎｉｓｍ ｏｎｌｙ Ｉｅ－
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ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ，ａｎｄ ｅｆｆｅｃ．ｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｉｎｓｅｃｔ－ｌｉｋｅ ＦＭＡＶｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｉｎｓｅｃｔ－ｌｉｋｅｆｌａｐｐｉｎｇ埘１１９ ａｉｒ＂ｈｉｃＩｅ（ＦＭＡＶ）；ｗｉｎｇ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ！ｕｎｄｅｒａｅｔｕａｔｅｄ