System Design of Dove-like Flapping-wing Flying Robot Based on Highly Bionic Morphological Layout
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摘要: 针对现有扑翼飞行机器人存在的飞行形态与实际鸟类相差较大, 以及翅膀、尾翼布局和俯仰、转向控制方式仿生度较低的问题, 提出一种形态布局与鸽子相仿的扑翼飞行机器人系统设计及实现方案. 通过设计弧面−折翼−后掠翅膀、仿鸟扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 使扑翼机器人飞行形态更加接近真实鸟类, 提高扑翼机器人的形态仿生度. 在此基础上, 设计结合下扑角调控无需尾翼大角度上翘的俯仰控制方式, 以及不依赖于尾翼的翅膀收缩转向控制方式, 在提高仿生度的同时保证飞行控制的有效性. 在具体设计过程中, 首先参考鸽子翅膀型式选择不同类型翅膀并进行风洞测试, 确定出下扑角变化时仍能保持较优升推力性能的翅膀设计方案; 其次, 对各种尾翼型式进行分析和比较, 结合鸽子尾翼特点进行仿鸽尾翼及俯仰、转向控制机构设计, 并通过风洞测试验证; 最后, 设计飞控系统并装配整机, 进行外场飞行测试, 验证仿鸽扑翼飞行机器人平台的稳定性和可控性.Abstract: Some existing flapping-wing flying robots show significantly different flight forms compared with actual birds, and exhibit less bionic features of their wing and tail layout and their control ways of pitching and steering. In this paper, we propose a system design and implementation scheme for a flapping-wing flying robot with a morphological layout similar to that of a pigeon. By designing curved-folded-swept wings and a bird-like fan-shaped tail near the trailing edge of the wings, the flight form of the flapping-wing robot is closer to that of a bird, which improves the bionic performance of the flying robot morphologically. Upon this basis, we propose a pitching control method via regulating the downstroke angle without need of a large upper declination angle of the tail. We also propose a wing retraction control method that is independent of the tail, ensuring the effectiveness of flight control while emphasising more bionic features. In the specific design process, different types of wings according to those of pigeons are selected firstly, and wind tunnel tests are then performed to determine the design scheme that can maintain better lift-thrust performance when the downstroke angle changes. Next, by analyzing and comparing various types of tails, we make a tail for the robot with reference to the characteristics of the pigeon. Besides, we design pitching and steering control mechanisms and verify their effectiveness via wind tunnel tests. Finally, we develop a flight control system and integrate it on the robot. The stability and controllability of the designed dove-like flapping-wing flying robot is confirmed by flight tests.
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得益于独特的身体构造, 自然界中的鸟类和昆虫等飞行生物具备高超的飞行本领. 相比固定翼和旋翼飞行器, 鸟类的扑翼飞行方式更加高效和灵活. 模仿飞行生物的飞行方式研制的扑翼飞行机器人成为了机器人和无人机(Unmanned aerial vehicle, UAV)领域的一大热点[1-2]. 探究和利用鸟类的飞行机制能够提高仿鸟飞行平台的性能, 使其充分发挥扑翼飞行的高效性、灵活性和隐蔽性, 具有广泛的理论研究和工程应用价值[3-4].
目前, 世界上有多家科研机构进行着扑翼飞行的相关研究, 并研发出了一些成熟的仿生扑翼飞行平台, 这些平台大小型式各异, 气动布局与飞行控制方式也各不相同[5-7]. 美国AeroVironment飞行器制造公司设计了NanoHummingBird[8-9]仿蜂鸟扑翼飞行平台, 翼展17 cm, 扑频高达30 Hz, 采用无尾控制方法, 通过偏转扭动翅膀来实现飞行控制. 与之类似的有韩国建国大学Phan等[10-11]模仿甲虫设计的小型无尾仿昆虫飞行机器人, 翼展12 cm, 通过控制翅膀偏转可以实现灵活稳定的飞行控制. 尺寸稍大的还有荷兰Delft理工大学研制的无尾昆虫机器人DelFlyNimble[12], 其采用两对独立控制的翅膀来实现飞行控制, 翼展33 cm, 可以模仿果蝇的快速逃跑动作. 与之相似的有新加坡南洋理工大学研制的X翼扑翼飞行平台, 翼展约30 cm, 带有十字型式的垂尾, 通过尾翼的控制可以实现特技飞行, 具备超强的机动性[13]. 此外, 大型的扑翼飞行机器人平台还有德国Festo公司模仿海鸥研制的SmartBird[14], 翼展2 m, 翅膀采用折翼设计, 可以同时扑动和扭转, 机身和尾翼也可以通过扭动来控制飞行的方向, 尾翼为扇形倒V型并带有小垂尾, 飞行及控制方式与真实鸟类很接近. 还有Zufferey等[15]以鹰为仿生对象设计的大载荷扑翼飞行机器人E-flap, 翼展1.5 m, 具有单翼弧面翅膀与三角形垂尾. 在国内, 小型的扑翼飞行平台有西北工业大学研制的仿信鸽扑翼机Dove[16-17], 翼展60 cm, 采用单翼弧面翅膀设计, 配置垂尾实现飞行控制, 具有良好的飞行稳定性. 西北工业大学还模仿猎隼研制了扑翼飞行器RoboFalcon[18], 翼展1.2 m, 用可以耦合变形拍打及展向折叠的翅膀控制飞行, 具有很高的滚转敏捷性. 大型的仿鸟扑翼飞行平台有哈尔滨工业大学研制的翼展超过2 m的HIT-Hawk与HIT-Phoenix[19], 具备单翼弧面翅膀和平面扇形尾翼, 通过尾翼整体偏转来实现飞行控制. 北京科技大学研制了仿鹰扑翼机USTB-Hawk[20], 翼展1.78 m, 配置单翼弧面翅膀和带垂尾的倒V型尾翼, 通过质量分配研究实现了带载长续航飞行.
上述可见, 扑翼飞行机器人平台研制目前已经取得了丰富的成果, 但是为了提高平台的负载、续航和机动性等飞行性能指标, 某些设计中平台的形态布局与飞行控制方式相比真实鸟类存在较大差距. 一些翼展较大的飞行平台在这方面做得较好, 而中小型的飞行平台这一缺陷较为明显. 翼展在1 ~ 2 m左右的大型扑翼飞行平台中尾翼布局和控制方式与鸟类相近的有SmartBird、HIT-Phoenix和RoboFalcon等. SmartBird具有多自由度的折翼弧面翅膀, 扇形尾翼和头部、机身联合动作控制飞行, 仿生度较高; HIT-Phoenix采用简洁的单翼弧面翅膀设计, 仿鸟平面扇形尾翼在飞行过程中调节俯仰力矩并控制方向, 整体设计和飞行形态与鸟类相近; RoboFalcon具有可以扭转并展向折叠的翅膀, 飞行控制方式与鸟类相近. 而采用垂尾设计的E-flap实现了大载荷飞行, 采用相似布局方式的USTB-Hawk实现了良好的带载续航能力, 这两款平台尾翼距离翅膀较远, 有利于提高其负载和续航能力, 但是这样的布局与真实鸟类相去甚远.
在实现飞行稳定性和姿态控制方面, 仿鸟扑翼机器人多采用尾翼远离翅膀布局的方式, 这一点在翼展1 m以下的中小型扑翼飞行机器人中表现明显. 翼展在10 cm左右的NanoHummingBird扑翼机器人采用控制翅膀整体偏转的方式控制飞行, 没有利用尾翼进行飞行控制. 荷兰Delft理工大学的仿果蝇飞行机器人虽然实现了灵活的飞行, 可以独立控制的两对翅膀动力源为其灵活的飞行控制提供了很大便利, 但是这样的飞行控制方式与鸟类截然不同. 新加坡南洋理工大学研制的X翼型扑翼飞行平台配备了十字型式的垂尾, 其安装位置离翅膀较远, 起到了稳定飞行的作用, 同时产生充足的力矩便于控制扑翼机器人飞行, 虽然平台实现了敏捷机动的飞行动作, 但这很大程度上得益于远离翅膀布置的固定翼型式的垂尾, 尾翼位置和型式的仿生度低. 与之类似的有西北工业大学的仿鸽扑翼飞行平台Dove, 单翼弧面翅膀和固定翼垂尾设计使其可以稳定飞行, 但是整体布局与固定翼飞行器接近, 与真实鸟类的形态布局及飞行控制方式也有较大差距.
综上, 现有的一些仿鸟扑翼飞行机器人采用了尾翼远离翅膀的布局方式或者多个翅膀的设计来实现飞行平台负载、续航、稳定性或者机动性的提升, 这使得扑翼平台由于缺失尾翼挨近翅膀后缘布置这一主要生物特征而降低了仿生度. 这样的设计虽然有利于提高其完成飞行任务的能力, 却使扑翼机器人的仿生优势下降, 使其在对肉眼可见的直观形象要求较高的场合出现外形和飞行形态达不到期望要求的情况, 如在进行低空隐蔽飞行或者观赏性的飞行任务时会丧失扑翼机器人独特的仿生优势.
真实的飞行生物仍然是我们借鉴学习的对象, 以中小型鸟类中的鸽子为例进行分析. 和大多数鸟类一样, 在形态布局上, 鸽子尾巴根部靠近翅膀后缘, 翅膀和尾翼之间并没有大的间隔. 此外, 早期相关研究表明鸽子起飞时翅膀扑动幅度可以达到约150°, 正常平飞时约为90°, 而尾翼除了在起飞、降落、急速转弯等过程中有较大动作外, 在平稳飞行过程中相对背部基本没有上翘角度. 研究人员通过对鸽子肌肉和拍翅的细致观察和研究得出结论, 可扭转变形的折翼翅膀及可开裂羽毛使翅膀上抬时受到的阻力约降低为下扑时受力的1/6, 负升力很小, 因此鸽子飞行的动力主要是翅膀下扑产生的, 而不同飞行阶段扑动幅度的调整起到了对俯仰力矩的主要调节作用[21-23]. 这也可以解释平稳飞行过程中鸽子尾巴基本没有上翘角度的现象. 这样的布局方式也使鸽子飞行时较好地保持了整体流线型的外形, 有利于减小空气阻力, 值得我们研究借鉴.
本文参考真实鸟类特征结合风洞测试进行改进设计. 具体而言, 本文摒弃了通过使尾翼远离翅膀或者大角度上翘来增强飞行所需控制力矩的办法, 使尾翼挨近翅膀布置, 并且尽可能减小尾翼与机身的安装角度以减小飞行阻力. 同时通过配置翅膀的下扑角度来平衡俯仰力矩, 使尾翼可通过微调上下翘动角度配合翅膀下扑角来实现对整机俯仰角的调节. 对于方向控制, 则交由翅膀来实现. 通过调整作为扑翼飞行动力来源的翅膀的柔性与面积, 使左右翅膀产生升力差和推力差, 以此实现对于飞行方向的灵活控制. 本文最终设计了一款具备弧面−折翼−后掠翅膀和仿鸟扇形尾翼的仿鸽扑翼飞行机器人平台USTB-Dove, 其下扑角和尾翼可以共同调节俯仰平衡, 外段翅膀收缩可控制转向, 气动布局和飞行控制方式与真实鸟类相近. 本文的主要贡献如下.
1)模仿鸽子形态特征设计了弧面−折翼−后掠翅膀和平面扇形尾翼以及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 提高了飞行平台形态布局的仿生度;
2)参考鸽子飞行中翅膀和尾翼动作角度的特征, 提出了下扑角配合尾翼控制俯仰, 外段翅膀收缩控制转向的飞行控制方式, 翅膀下扑角可调且外段翅膀可收缩, 使飞行平台具备仿生布局的同时保证了有效的飞行控制;
3)成功研发了一款翅膀尾翼形态、布局与真实鸽子接近的飞行平台, 翼展60 cm, 最大起飞重量245 g, 飞行平稳, 转向灵活, 为小翼展仿鸟扑翼飞行平台研制提供了实例参考.
本文结构如下: 在第1节中对飞行机器人USTB-Dove进行了整体介绍; 在第2节中参考信鸽翅膀结合风洞实验确定了较优的折翼弧面翅膀设计方案; 在第3节中分析设计了仿鸟型式的尾翼及整机俯仰、转向控制方式; 在第4节中介绍了USTB-Dove的飞行控制系统; 在第5节中进行了整机飞行测试, 验证了飞行平台的稳定性及控制方式的可行性; 最后在第6节中做出了总结.
1. 平台设计
USTB-Dove仿鸽扑翼飞行机器人参照一般信鸽的形态参数设计, 包括样机平台与飞控系统两大部分. 如图1所示, 样机平台包括翅膀、尾翼、机体三部分. 翅膀由3D打印件、碳纤维杆和翼膜构成, 翅膀边缘设计了铁环和绳索来调整翅膀状态; 尾翼采用仿鸟扇形尾翼设计, 由碳纤维杆、塑料插接件和塑料薄膜构成; 机身用碳纤维板零件组成三维拼图结构, 用来安装翅膀和尾翼. 机体尾部安装了一枚舵机调整尾翼与机身在水平方向的夹角, 以控制飞行中的俯仰角; 另一枚舵机安装拉线控制机构, 通过连接至翅膀边缘的拉索来改变翅膀状态, 达到转向控制的目的; 驱动机构采用空间曲柄摇杆机构设计, 与机身装配在一起, 通过一个无刷直流电机驱动, 驱动机构连接至翅膀摆臂的球头拉杆配备了微型步进电机, 可以电动控制伸缩, 实现拉杆整体长度的调节, 从而方便地调节翅膀下扑的角度.
安装在机体中的控制器是集成气压计和IMU (Inertial measurement unit)的微型主控板, 其他外设包括电源模块、精密陀螺仪、遥控接收机、获取位置坐标的GPS (Global positioning system)模块以及可以传输飞行数据到电脑的Xbee无线数传模块. 利用这套控制系统, USTB-Dove可以实时监测和记录飞行轨迹、飞行姿态等飞行状态数据.
USTB-Dove翅膀、尾翼及外壳形状参照真实信鸽进行设计, 折翼翅膀扑动方式及尾翼动作方式也与信鸽相近, 整体具有仿生度高, 体型小, 飞行灵活等特点. 图2是USTB-Dove实物平台与真实信鸽的对比图. 由于飞行平台翼展较小, 负载能力有限, 我们对平台系统各个组成部分进行了轻量化设计, 最后将整机重量控制在245 g, 表1给出了样机各个组成部分的质量参数.
表 1 USTB-Dove质量分解Table 1 Weight decomposition of USTB-Dove组件 质量(g) 比重(%) 一对翅膀 32 13.1 驱动机构(含电机) 65 26.5 尾翼(含舵机) 35 14.3 机架 5 2.0 飞控系统 50 20.0 电池(1 000 mah 2 s) 48 19.6 外壳 10 4.1 总计 245 100.0 2. 翅膀设计
USTB-Dove模仿真实鸟类采用折翼翅膀设计. 鸟类的翅膀扑动可以高效地产生升力和推力, 在下扑行程中翅膀羽毛闭合, 外段翅膀大角度地下折充分地对空气做功, 上抬时翅膀扭转变形减小迎风面积, 同时羽毛开缝, 极大地减小了负升力[21]. 充分模仿鸟类翅膀的弯折和扭转方式可以极大地提高扑翼效率[24-26], 但是考虑到小翼展扑翼机负载能力有限, 同时高频扑动的翅膀限制了机械复杂度. 因此, 本文的折翼翅膀在设计中利用简单的拉杆机构来实现外段翼周期性的弯折, 这种方式对扑翼效率的提升有限, 但是却可以使翅膀扑动形态更加接近真实鸟类.
为了在实现翅膀扑动形态的同时保证翅膀的升推力性能, 首先参考鸽子翅膀尺寸和相关设计方法[27]制定了不同类型的翅膀方案, 并进行了风洞测试和评估. 实验用的翅膀有4种类型, 分别为单翼平面、单翼弧面、斜折翼弧面、直折翼弧面. 如图3所示, 4种翅膀平展时形状、尺寸均一致. 其中单翼弧面与单翼平面翅膀区别在于增加了弧面翼型特征. 两种折翼翅膀均增加了弧面翼型特征, 区别在于内段翼和外段翼翅膀弯折轴线的方向. 直折翼翅膀弯折轴线与机体中轴线平行, 斜折翼翅膀弯折轴线相对机体中轴线斜向外侧.
如图4所示, 翅膀的弯折由拉杆实现. 细钢丝制成的拉杆一端连接到机身上翅膀连接件的机体勾连孔内, 另一端连接到外段翼翅膀3D打印件的勾连孔内. 当翅膀在驱动机构带动下上下往复扑动时, 翅膀弯折轴心到机体勾连孔的距离发生变化, 而两个勾连孔的距离不变, 从而使得内外段翼翅膀弯折角度发生周期性变化, 达到使翅膀弯折的效果.
在对不同类型翅膀测试的过程中, 实验调节变量除了基本的攻角、风速、扑翼频率外, 还有翅膀相对水平位置下扑角的大小, 以及折翼翅膀的弯折模式. 其中翅膀下扑角通过调节驱动部分球头拉杆的长度来实现; 折翼翅膀弯折模式通过改变外段翼拉杆连接至机体的位置来实现. 如图4所示, 当拉杆勾连至上固定孔时, 在下扑过程中外段翼翅膀相对内段翅膀向上弯折, 当勾连至下固定孔时, 在下扑过程中外段翼翅膀会相对内段翅膀向下弯折. 图5所示为某次机构仿真调试过程中记录的翅膀扑动及弯折角度变化曲线. 第1段翅膀扑动幅度为70°, 第2段翅膀与第1段翅膀的夹角变化幅度为20°.
翅膀的升推力特性对比通过风洞测试来进行[28-29]. 图6所示为本次使用的风洞设备及测试装置. 风洞设备为南京比贝公司的CT-ND7070直流风洞, 实验段尺寸为1.2 m × 0.7 m × 0.7 m (长 × 宽 × 高), 风速范围为0 ~ 15 m/s, 风速控制精度为0.1 m/s, 满足实验测试需求. 测试装置是利用美国ATI工业自动化公司生产的Mini40力/力矩传感器进行搭建的. Mini40传感器是一种六轴力/力矩传感器, X, Y轴测力量程为±40 N, 分辨率为0.01 N, Z轴测力量程为±120 N, 分辨率为0.02 N; X, Y, Z轴扭矩量程为±2 N·m, 分辨率均为0.00025 N·m, 满足对样机进行升推力和三轴力矩测试的需求.
为了尽可能减小翅膀扑动时机身抖动带来的测试误差, 本文设计了专用的3D打印件, 将机体与传感器固联在一起, 机身固定件与样机固定件之间的角度可调从而使得机身攻角方便调节. 此外, 在机体安装姿态传感器和霍尔转速计, 用于获得机身的攻角及翅膀扑动的频率. 实验时Mini40将测得的力/力矩转化为电信号通过线缆传输至数据采集板卡, 最终测试结果在电脑应用端显示和记录.
图7所示为单翼平面和单翼弧面翅膀的升推力测试结果. 当攻角、风速和下扑角一致时, 单翼弧面翅膀产生的升力要远大于平面翅膀, 而二者产生的推力相差不大. 图8所示为改变下扑角时, 两种单翼翅膀升推力及俯仰力矩的变化情况. 同样的攻角、风速和扑频, 平面翅膀的升力随着下扑角增大先增大后减小, 推力先减小后增大, 当下扑角约为整个扑动幅度的一半时, 升力达到最大; 弧面翅膀随着下扑角的增大升力会增大, 而推力变化不大; 而两种翅膀的低头力矩均随着下扑角的增大一致减小.
图 7 单翼平面翅膀与单翼弧面翅膀升推力性能比较Fig. 7 Lift and thrust of the single plane wings and cambered wings
图 8 不同下扑角时单翼翅膀的升推力和俯仰力矩Fig. 8 The lift, thrust and pitch moment with different downstroke angles通过对两种单翼翅膀的测试可以发现, 弧面翅膀相比平面翅膀在产生升力上更有优势, 而恰当地增大下扑角可以增大扑翼产生的升力, 同时我们也可以选择增大下扑角来增大抬头力矩, 这有助于调整整机的俯仰平衡. 在此基础上, 进一步对图3中带弧面翼型的斜折翼和直折翼两种翅膀进行测试, 测试中同样对风速、频率、下扑角度进行了调节, 并对图4中两种弯折方式分别进行了测试.
图9所示为7° 攻角、8 m/s风速, 9 Hz扑频下, 改变相对水平位置的下扑角大小时测得的两种翅膀在不同弯折方式下的升推力特性曲线. 由曲线可以看出, 两种折翼翅膀在上勾连模式下扑动时产生的阻力较大, 净推力较小, 而下勾连的折翼型式更有利于产生升力和推力. 同时, 相比斜折翼翅膀, 直折翼翅膀在下扑角变动时产生的升推力更加稳定, 这有利于通过调整下扑角来调节整机力矩平衡. 通过一系列风洞测试实验, 本文最终选定图4(b)中直折翼弧面翅膀及下勾连弯折方式作为USTB-Dove的翅膀设计方案.
图 9 不同下扑角时折翼翅膀的升推力对比Fig. 9 The lift and thrust of folded cambered wings with different downstroke angles3. 尾翼与俯仰、转向控制设计
真实的鸟类在飞行过程中可以灵活地调节翅膀、尾翼及躯体来调节飞行姿态, 相关研究表明尾翼在鸟类飞行的机动性、稳定性、产生升力、减小阻力方面都有潜在气动作用[30-31]. 而对于人造飞行器, 由于机构自由度减少, 需要特定的设计来实现对飞行器的飞行控制. 常规布局的固定翼飞行器通常依靠经典的副翼和垂尾来实现飞行控制. 垂尾远离机翼布置, 水平布置的升降舵主要实现俯仰控制, 垂直布置的方向舵辅助调节航向. 而位于翅膀的副翼主要通过改变翼型使左右翅膀产生升力差, 从而实现滚转和方向控制. 远离翅膀的尾翼为整机提供了足够的稳定和控制力矩, 加在产生升力的翅膀上的副翼则直接有效地控制了飞行方向[32].
现有的扑翼飞行机器人主要通过在翅膀或尾翼增加控制来实现对飞行方向的控制. 由于翅膀需要不断扑动来产生升力和推力, 所以在翅膀上增加可控量变得困难, 这通常意味着翅膀更复杂的结构和更大的重量. 尽管如此, 对于一些翼展1 m以上的较大的扑翼平台来说这种方案仍有一定的可行性, 如Festo公司的SmartBird[14]和西北工业大学的RoboFalcon[18]通过对翅膀施加扭转、变形和收合等控制实现了更灵活的飞行控制和更仿生的飞行. 此外, 大多扑翼飞行平台通过不同型式的尾翼实现飞行控制, 如哈尔滨工业大学HIT-Phoenix[19]采用的扇形尾翼, 西班牙塞维利亚大学E-Flap[15]采用的倒V型尾翼差动尾翼, 以及西北工业大学翼展更小的仿鸽扑翼机Dove[17]采用的固定翼型式的垂尾.
图10所示为USTB-Dove设计过程中参考以往设计案例和相关研究[33-35]尝试过的4种尾翼方案. 方案1 (图10(a))采用平面扇形设计, 两枚舵机分别控制舵面上下和左右偏转, 从而控制俯仰和方向. 此种尾翼在方向控制上存在控制力矩不足的问题, 只有当尾翼上翘角度较大时进行左右偏转才可以产生较大的转向控制力矩, 但这时也会增大飞行阻力. 方案2 (图10(b))采用倒V型尾翼设计, 有利于增强航向稳定性, 差动控制的迎风舵面也提供了充足的转向力矩. 但是此种尾翼靠两侧舵面的风阻进行转向, 阻力较大, 且分离开叉的舵面与真实鸟类尾翼形状相差较大, 仿生性较差. 方案3 (图10(c))将平面扇形尾翼分为两侧差动舵面和中部安定面, 当两侧舵面朝同一侧偏转时可以控制转向, 向相反方向偏转时可以控制俯仰. 此种尾翼相比方案2较好地保持了完整的扇形外形, 但是存在类似方案1中的转向控制不足的问题, 同时俯仰力矩的调节作用减弱. 方案4 (图10(d))在方案3的基础上将俯仰和转向用两枚舵机独立控制, 增强了俯仰调节作用, 安定面的存在使其在转向控制上相比方案1更平稳, 但尾翼上翘角度较小时仍然存在转向力矩不足的问题.
综合现有扑翼平台的尾翼设计方案及USTB-Dove尝试过的尾翼型式, 结合其对于飞行控制的需求, 有必要进一步对尾翼型式进行改进设计. 扑翼飞行机器人尾翼设计需要增强平台的航向稳定性, 且对俯仰力矩有一定的调节作用, 最重要的要产生足够的转向力矩. 通过对各种型式尾翼的分析我们发现尾翼舵面需要较大迎风面积和角度才可以产生足够的转向力矩, 但这对于仿生性较高的扇形尾翼来说比较困难, 且会产生较大阻力, 而差动控制的倒V型尾翼又降低了仿生性. 因此, 本文放弃用尾翼来控制转向, 仅通过尾翼实现航向稳定和俯仰调节, 而将转向控制设计在直接产生动力的翅膀上.
如图11所示为鸽子平稳飞行时的形态, 尾翼广泛展开为宽大的扇形平面, 且相对躯体基本没有上翘角度, 同时翅膀大角度地下扑提供升力和推力. 由于翅膀下扑角较大, 且上抬阻力很小, 平稳飞行中鸽子的尾翼基本不需要通过上翘来维持俯仰力矩平衡. 此外, 从侧面来看, 飞行中的鸽子躯体、翅膀和尾翼成为一体呈流线型, 这极大减小了飞行中遇到的空气阻力, 相关研究认为鸟类的尾翼甚至起到了类似固定翼飞机襟翼的作用, 提高了整体升力[36].
鉴于鸟类尾翼布局的优势, 我们参考鸽子真实的飞行状态, 将USTB-Dove尾翼贴近翅膀后缘布局, 设计为扇形, 并且采用下凹设计使其偏航稳定性相比平面扇形尾翼有所增强. 为了减小空气阻力, 将尾翼与机体轴线平行布置, 减小飞行过程中的迎风面, 由于尾翼上翘角度较小, 且要保持整机的俯仰稳定, 参考翅膀风洞测试数据, 配置翅膀初始上下扑动角度使不安装尾翼扑动时整机纵向俯仰力矩处于平衡状态附近. 在此基础上, 利用微型步进电机使带动翅膀扑动的球头拉杆实现可控电动伸缩, 从而实现对上下扑动角度和俯仰力矩的可控调节, 使USTB-Dove可以通过调节上下扑动角度与尾翼小角度翘动配合来调节整机的俯仰力矩[37].
图12所示为USTB-Dove最终的尾翼设计, 通过一枚俯仰舵机控制尾翼上下翘动, 另一枚方向舵机通过舵机臂两端的系绳牵引左右翅膀杆件实现转向控制.
图13所示为USTB-Dove上下扑角电动调节机构, 通过微型步进电机滑动端和固定端焊接金属球头来实现. 步进电机行程为5 mm, 球头拉杆总长度变化范围为34.5 ~ 39.5 mm, 翅膀下扑角调节范围(相对水平位置)为 −6° ~ 13°, 由此产生的俯仰力矩调节量约为0.05 N·m.
图14所示为USTB-Dove翅膀部位的转向控制机构. 考虑到飞行平台翼展较小负载有限, 且翅膀需要不断扑动提供飞行的动力, 所以采用简单轻质的拉线机构设计. 从尾部方向舵机臂牵引出来的细绳依次穿过固定在外段翅膀碳杆边缘的圆环连接至前缘碳杆一端, 舵机臂转动时牵引细绳拉动边缘碳杆向后弯曲, 使对应一侧的外段翅膀收缩. 图15(a)所示为处于正常状态的右翅, 图15(b)所示为舵机臂转动到极限位置时处于收缩状态的右翅. 可以看出, 细绳牵引主要导致了外段翅膀A、C部分面积稍有减小, 而B部分面积基本不变.
Ajanic等[38]研制的变构型飞行器LisHawk采用了相似设计, 虽然翅膀无法像扑翼机器人一样扇动, 但其翅膀和尾翼均可以改变构型达到调节姿态的目的, 飞行时很像一只滑翔的苍鹰. 不同的是, LisHawk主要是依靠机械结构改变了翅膀形状与面积, 而USTB-Dove主要靠细绳牵引改变了扑动翅膀的柔性. 从图15可以看出, 对于USTB-Dove来说, 虽然面积的改变量相对整个右翅的比例很小, 约为5%, 但是收缩导致了A、C部分两边碳杆间距减小, 使杆间薄膜由张紧平展状态变为了松弛卷曲状态, 从而减小了翅膀扑动产生的升推力, 使扑翼机器人产生向右的滚转和偏航力矩, 风洞测试统计结果表明整体升推力最大衰减超过了10%, 这样的设计方案对于小翼展扑翼机器人来说更适用.
图16所示为球头拉杆伸缩及尾翼上下极限动作时USTB-Dove在风洞中测得的俯仰力矩变化情况, 可以看出通过调节翅膀相对水平位置的下扑角大小及尾翼上下翘动角度可以明显地调节整机俯仰力矩. 这使得USTB-Dove可以独立调节下扑角或尾翼来调节整机俯仰平衡, 而通过下扑角可以平衡整机的俯仰力矩时, 尾翼便只需要小角度的动作来实现俯仰调节, 这样的方式有利于减小飞行阻力, 也更接近鸽子的飞行形态和方式.
图 16 USTB-Dove球头拉杆及尾翼极限动作时的俯仰力矩Fig. 16 Pitch moment when USTB-Dove ball head lever and tail are in extreme action图17所示为方向舵机牵引翅膀收缩时整机的滚转和偏航力矩变化情况. 当左右拉动翅膀改变翅膀柔性时, USTB-Dove会产生向左或向右的滚转和偏航力矩, 从而改变飞行姿态与方向. 这使得飞行平台即使采用尾翼挨近翅膀布置的方式也可以灵活地控制转向.
图 17 USTB-Dove转向机构动作时的滚转和偏航力矩Fig. 17 Roll and yaw moment when USTB-Dove steering mechanism is in action4. 飞控系统设计
完成USTB-Dove飞行平台设计与搭建后, 本文为其加装了自主设计的飞控系统, 并通过地面站采集、显示、记录飞行数据. 图18所示为USTB-Dove飞控系统完整示意图. 机载部分主控板以STM32F407VGT6处理器为核心, 集成了姿态传感器(IMU)和气压计, 并通过外接GPS和精密陀螺仪实现姿态、位置、速度等飞行状态的感知, 并将飞行数据通过Xbee无线通信模块发送至地面站. 主控板通过遥控接收机接收来自遥控器的控制指令, 并通过板载控制程序输出脉冲宽度调制(Pulse width modulation, PWM)信号, 实现对无刷直流电机、尾翼舵机及微型步进电机的控制, 从而实现对USTB-Dove的飞行控制.
通过Xbee无线通信模块, 地面站可以接收、处理、显示和记录USTB-Dove的飞行数据. 如图19所示为地面站系统上位机界面, 包括: 1)姿态角、高度曲线显示窗口; 2)图像采集窗口(预留); 3)调用高德3D地图的USTB-Dove实时3D飞行轨迹显示窗口, 可以直观地把握飞行平台的飞行状态.
图 19 地面站信息采集显示界面Fig. 19 Interface for the collection and display of information at the ground station5. 飞行实验
为验证USTB-Dove的飞行稳定性和可控性, 本文进行了外场实际飞行实验. 图20所示为试飞视频截图, 展示了USTB-Dove手抛起飞的过程, 可以看出USTB-Dove起飞平稳, 尾翼展平, 形态很像一只白色的鸽子. 图21所示为在空中飞行时的USTB-Dove (白色), 有真实飞鸟(黑色)伴飞, 证明了飞行平台的高仿生度, 飞行视频已上传至Youku视频网站, 网址为:
https://v.youku.com/v_show/id_XNTkwODUzNTAyMA==.html .图22所示为对USTB-Dove进行转向控制性能测试时记录的飞行轨迹, 图23所示为相应的姿态变化曲线. 从飞行轨迹和姿态数据可以看出, USTB-Dove飞行平稳, 转向灵活, 可以从连续小半径右盘旋飞行状态切换至左盘旋飞行状态, 最小转弯半径约为5 m, 具有良好的飞行稳定性和可控性.
6. 结束语
本文以信鸽为仿生对象, 针对现有扑翼平台气动布局、飞行控制方式与实际鸟类之间差别较大的不足, 设计了仿生折翼翅膀及尾翼挨近翅膀后缘布置的布局方式, 并提出了一种通过下扑角和尾翼联动来调节俯仰力矩的方法. 在此基础上设计了拉线控制机构通过对翅膀柔性及面积的调节实现了灵活的转向控制, 最后进行的飞行实验验证了USTB-Dove的稳定性、可控性及飞行控制方案的有效性. 对于未来的工作, 我们将进一步提高机械机构的稳定性和可靠性, 使USTB-Dove成为一款具有实用价值的飞行平台.
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图 7 单翼平面翅膀与单翼弧面翅膀升推力性能比较
Fig. 7 Lift and thrust of the single plane wings and cambered wings
图 8 不同下扑角时单翼翅膀的升推力和俯仰力矩
Fig. 8 The lift, thrust and pitch moment with different downstroke angles
图 9 不同下扑角时折翼翅膀的升推力对比
Fig. 9 The lift and thrust of folded cambered wings with different downstroke angles
图 16 USTB-Dove球头拉杆及尾翼极限动作时的俯仰力矩
Fig. 16 Pitch moment when USTB-Dove ball head lever and tail are in extreme action
图 17 USTB-Dove转向机构动作时的滚转和偏航力矩
Fig. 17 Roll and yaw moment when USTB-Dove steering mechanism is in action
图 19 地面站信息采集显示界面
Fig. 19 Interface for the collection and display of information at the ground station
表 1 USTB-Dove质量分解
Table 1 Weight decomposition of USTB-Dove
组件 质量(g) 比重(%) 一对翅膀 32 13.1 驱动机构(含电机) 65 26.5 尾翼(含舵机) 35 14.3 机架 5 2.0 飞控系统 50 20.0 电池(1 000 mah 2 s) 48 19.6 外壳 10 4.1 总计 245 100.0 
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