王涵

（北京度量科技有限公司，北京 100101）

仿生撲翼飛行器是一種涵蓋仿生學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、控制和通信等多學(xué)科的技術(shù)，具有質(zhì)量輕、靈活性好和隱蔽性好的特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域都受到極大關(guān)注。隨著對(duì)鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)等生物飛行機(jī)理研究的深入，以及微形傳感器、控制器和人工智能技術(shù)的發(fā)展，撲翼飛行器的研究不斷取得新成果。

1 撲翼飛行器簡(jiǎn)介

空氣動(dòng)力學(xué)和仿生學(xué)研究表明，對(duì)于尺寸接近鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)的飛行器，以撲翼方式飛行具有更高的效率。由于撲翼飛行器系統(tǒng)復(fù)雜，從20世紀(jì)70年代才開(kāi)始針對(duì)撲翼飛行器的系統(tǒng)性進(jìn)行研究，經(jīng)歷了早期的低頻大型撲翼到現(xiàn)在昆蟲(chóng)尺寸的高頻撲翼的發(fā)展。目前比較有代表性的研究包括荷蘭代爾夫特大學(xué)開(kāi)發(fā)的仿蜻蜓微型撲翼飛行器DelFly[1]，美國(guó)Aero Vironment公司蜂鳥(niǎo)機(jī)器人Nano hummingbird[2]，哈佛大學(xué)的仿昆蟲(chóng)機(jī)器人[3]，德國(guó)Festo公司的仿海鷗撲翼機(jī)器人Smart-Bird[4]，加州理工大學(xué)的仿蝙蝠機(jī)器人等[5]。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)[6]、西北工業(yè)大學(xué)[7]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[8]、北京科技大學(xué)[9]等國(guó)內(nèi)高校也都針對(duì)撲翼飛行器展開(kāi)研究。

2 撲翼飛行器技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)對(duì)撲翼飛行器進(jìn)行了較多研究，并且設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一些撲翼飛行器原型機(jī)。目前撲翼飛行器的技術(shù)重點(diǎn)包括飛行機(jī)理和動(dòng)力學(xué)分析、撲翼飛行控制、能源和動(dòng)力幾個(gè)方面。在撲翼飛行器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要準(zhǔn)確獲取實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)作為反饋輸入，在驗(yàn)證階段也需要獲取撲翼的實(shí)時(shí)狀態(tài)來(lái)評(píng)估機(jī)器人性能，都需要一種高精度的方案來(lái)獲取撲翼的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是一種外置傳感設(shè)備，利用場(chǎng)地周圍布置的光學(xué)相機(jī)跟蹤撲翼飛行器上的反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)，來(lái)確定飛行器的位置、速度和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。由于動(dòng)作捕捉系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好和標(biāo)識(shí)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)影響小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的撲翼飛行器項(xiàng)目中。

2.1 飛行機(jī)理和動(dòng)力學(xué)分析

昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類的結(jié)構(gòu)與飛行機(jī)理可以為仿生撲翼飛行器設(shè)計(jì)帶來(lái)很大啟發(fā)。吉林大學(xué)以雕鸮與長(zhǎng)耳鸮2種靜音鸮為研究對(duì)象，對(duì)比分析靜音鸮的飛行聲學(xué)特性、翅膀及羽毛的幾何形態(tài)學(xué)特征以及飛行運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，并將靜音鸮的消音特征進(jìn)行仿生應(yīng)用研究[10]，為仿生降噪技術(shù)提供生物模型。實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)象鳥(niǎo)類翅膀上的關(guān)鍵部位貼上反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)，包括腕關(guān)節(jié)、翅膀前緣根部及翅膀尾緣根部等部位。利用三維運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭定位標(biāo)識(shí)點(diǎn)，對(duì)長(zhǎng)耳鸮、雕鸮與雀鷹的撲翼運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，并分析計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（撲翼頻率和關(guān)節(jié)角度等）與飛行軌跡（翼尖軌跡）。

亞利桑那大學(xué)研究了蜻蜓捕獲獵物時(shí)的飛行模式[11]。實(shí)驗(yàn)使用了直徑僅為750μm和1000μm的反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)，固定在蜻蜓的頭部和身體上，利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來(lái)記錄空間內(nèi)蜻蜓飛行捕獵時(shí)身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

由于撲翼飛行機(jī)理十分復(fù)雜，可以通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)等方式獲取撲翼飛行器低雷諾數(shù)下的氣動(dòng)性能。代爾夫特理工大學(xué)為了使撲翼飛行器飛行性能更接近生物，針對(duì)其開(kāi)發(fā)的DelFly II MAV撲翼機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)[12]。為了跟蹤撲翼機(jī)在風(fēng)洞中的飛行姿態(tài)，在機(jī)尾設(shè)計(jì)了4個(gè)紅外LED主動(dòng)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，動(dòng)捕系統(tǒng)以120 Hz采集飛行器的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 飛行控制和軌跡規(guī)劃

撲翼飛行器是非線性非定常的復(fù)雜系統(tǒng)，而且尺寸的小型化使傳感器性能大幅下降，因此系統(tǒng)需要更穩(wěn)定的控制器，對(duì)于自主飛行，需要更好的規(guī)劃器。伊利諾伊大學(xué)香檳分校通過(guò)引入兩階段優(yōu)化程序來(lái)規(guī)劃撲翼飛行軌跡，從而改進(jìn)了現(xiàn)有的飛行規(guī)劃方法[13]。第一階段通過(guò)使用實(shí)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的固定翼近似模型來(lái)解決軌跡優(yōu)化問(wèn)題。該解決方案被用作第二階段優(yōu)化的初始假設(shè)，使用相同飛行數(shù)據(jù)訓(xùn)練的撲翼模型。實(shí)驗(yàn)中包含43組撲翼飛行器自由飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)集由光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)完成采集，通過(guò)將慣性傳感器數(shù)據(jù)與動(dòng)捕系統(tǒng)采集的位置數(shù)據(jù)融合進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)。

太原科技大學(xué)對(duì)撲翼飛行器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了一套以基于模型參考自適應(yīng)算法的軌跡控制系統(tǒng)[14]。為了驗(yàn)證飛行器性能搭建了飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于室外飛行干擾量大，且風(fēng)向不定，前期實(shí)驗(yàn)選擇在室內(nèi)場(chǎng)館無(wú)縫環(huán)境下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中在場(chǎng)地邊布置了8個(gè)NOKOV動(dòng)作捕捉鏡頭，如圖1所示，通過(guò)捕捉飛行器上反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)來(lái)獲取飛行器的剛體位姿信息，信息通過(guò)SDK上傳到計(jì)算機(jī)端Matlab進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器姿態(tài)的分析和算法參數(shù)優(yōu)化。

圖1 NOKOV動(dòng)作捕捉鏡頭

3 撲翼飛行器發(fā)展趨勢(shì)

3.1 小型化

華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)昆蟲(chóng)大小的撲翼機(jī)器人[15]，僅重143 mg。機(jī)器人由4個(gè)向外張開(kāi)的垂直翅膀驅(qū)動(dòng)。與以前的雙翼設(shè)計(jì)相比，這種布置可以實(shí)現(xiàn)繞垂直軸（轉(zhuǎn)向）驅(qū)動(dòng)的能力，并且提高負(fù)載能力，足夠承載傳感器包或電力系統(tǒng)等組件。研究人員進(jìn)行了飛行中的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)以及懸停位置控制實(shí)驗(yàn)。其中懸停控制實(shí)驗(yàn)使用動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)作為反饋。動(dòng)捕系統(tǒng)以240 Hz采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到Simulink Real-Time。

哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種受生物啟發(fā)的3.2 g小型飛行器[16]，能夠同時(shí)進(jìn)行主動(dòng)（飛行）和被動(dòng)（滑行）飛行。集成電子設(shè)備提供無(wú)線通信、傳感和基本的開(kāi)環(huán)飛行控制，使飛行測(cè)試迭代快速，并提供額外的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中在飛行器上粘貼3個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，以100 Hz采集位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)（遠(yuǎn)高于飛行器的動(dòng)態(tài)速度）。

3.2 高機(jī)動(dòng)性

蜂鳥(niǎo)可以保持穩(wěn)定懸停，在受到危險(xiǎn)時(shí)可以快速向后平移，并伴有180°的偏航轉(zhuǎn)向，然后在不到10次的翼拍內(nèi)瞬間穩(wěn)定姿勢(shì)?？紤]40 Hz的翼拍頻率，這種攻擊性機(jī)動(dòng)在0.2 s內(nèi)完成。受蜂鳥(niǎo)在這種極端機(jī)動(dòng)中接近最高性能的啟發(fā)，普渡大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種飛行控制策略[17]，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明這種可操縱性可以通過(guò)一個(gè)12 g的蜂鳥(niǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人只配備2個(gè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)一對(duì)高達(dá)40 Hz的拍動(dòng)翅膀。該混合控制策略結(jié)合基于模型的非線性控制與無(wú)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)，在標(biāo)稱飛行條件下使用基于模型的非線性控制，其中動(dòng)態(tài)模型相對(duì)準(zhǔn)確。在極端機(jī)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)建模誤差變得難以控制時(shí)，使用經(jīng)過(guò)模擬訓(xùn)練和優(yōu)化的無(wú)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略來(lái)“破壞”系統(tǒng)，使其在機(jī)動(dòng)過(guò)程中達(dá)到峰值性能?；旌险唧w現(xiàn)了一種接近蜂鳥(niǎo)的策略。使用光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)以200 Hz提供蜂鳥(niǎo)機(jī)器人的位置反饋，并以500 Hz在機(jī)載電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

3.3 智能化

大多數(shù)撲翼機(jī)器人需要人員操作或協(xié)助下才能起飛。東京都立大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以自主起飛的微型撲翼飛行器原型機(jī)[18]。飛行器采用簡(jiǎn)單的撲翼機(jī)構(gòu)和輕量化設(shè)計(jì)，可以使用簡(jiǎn)單的拍動(dòng)機(jī)構(gòu)和輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)超過(guò)自身重量來(lái)產(chǎn)生推力。起飛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，撲翼機(jī)器人能夠在沒(méi)有輔助的情況下從地面自行起飛。為了對(duì)撲翼飛行器進(jìn)行全局定位，使用了動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，將撲翼飛行器的頭部去掉，并用1個(gè)反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)代替，這樣不會(huì)改變機(jī)器人重心和慣性矩。

由于微型撲翼機(jī)器人機(jī)翼周圍低雷諾數(shù)的非定常流動(dòng)，使其動(dòng)力學(xué)隨時(shí)間變化且高度非線性，導(dǎo)致微型撲翼飛行器自主飛行難以實(shí)現(xiàn)。首爾大學(xué)提出了一種使用機(jī)器學(xué)習(xí)的基于模型的微型撲翼飛行器控制策略[19]，構(gòu)建了一個(gè)地面站，用于記錄飛行數(shù)據(jù)和控制輸入，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練動(dòng)力學(xué)模型。然后，將模型預(yù)測(cè)控制（MPC）應(yīng)用于訓(xùn)練好的模型。實(shí)驗(yàn)中使用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取飛行器的位置、姿態(tài)、速度和角速度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波去除撲翼動(dòng)作造成的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。

如果沒(méi)有足夠的有效載荷能力來(lái)攜帶必要的電子元件，昆蟲(chóng)尺寸的撲翼飛行器就無(wú)法自主飛行。香港城市大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)380 mg并有115 mg負(fù)載能力的微型撲翼機(jī)器人[20]。在進(jìn)行有效載荷懸停實(shí)驗(yàn)使，利用外部動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集飛行器的位姿，數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)的反饋輸入。電源和控制信號(hào)利用1根鋼絲繩傳輸至飛行器。

撲翼的機(jī)械復(fù)雜性通常會(huì)導(dǎo)致關(guān)于俯仰和橫滾軸的較大扭矩偏差變化，導(dǎo)致未正確配平的飛行器在自由飛行中快速旋轉(zhuǎn)。通過(guò)觀看高速視頻進(jìn)行手動(dòng)修剪既繁瑣又容易出錯(cuò)。華盛頓大學(xué)提出一種使用來(lái)自運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)的反饋來(lái)確定和校正偏置扭矩的修整設(shè)備[21]，不需要用戶的任何視覺(jué)反饋，也不需要破壞損壞機(jī)器人的空中飛行。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)以240 Hz發(fā)送四元數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行校正。研究人員在2個(gè)不同的小型撲翼機(jī)器人上驗(yàn)證了該設(shè)備。在使用該設(shè)備進(jìn)行調(diào)整后，機(jī)器人都以開(kāi)環(huán)的方式垂直起飛，并且能夠在反饋控制下自由飛行，不會(huì)發(fā)生翻滾。

3.4 集群

NASA開(kāi)發(fā)了一種仿生撲翼機(jī)器人Marsbee[22]，用于火星探索。火星車搭載多個(gè)Marsbee機(jī)器人，以火星車作為基站，每個(gè)Marsbee機(jī)器人帶有1個(gè)相機(jī)，利用無(wú)人機(jī)群生成地表的3D拓?fù)鋱D，用于火星車的軌跡規(guī)劃，解決了單一火星車視野的局限性。地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在一個(gè)真空倉(cāng)中進(jìn)行，場(chǎng)地周圍布置的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)用于捕捉機(jī)器人軌跡。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院進(jìn)行了多撲翼飛行器的自主編隊(duì)飛行研究[23]。設(shè)計(jì)了一種路徑跟隨控制器，使每個(gè)撲翼飛行器具有時(shí)間無(wú)關(guān)的圓形路徑、預(yù)設(shè)的半徑，并且具有恒定的前飛速度和高度。由于不同撲翼飛行器的飛行特性存在差異，方向控制的增益是針對(duì)每個(gè)飛行器單獨(dú)調(diào)整的，該增益利用柔性膜翼中張力的變化產(chǎn)生非線性滾動(dòng)力矩。通過(guò)控制所需半徑而不是前向飛行速度來(lái)保持圓形路徑的旋轉(zhuǎn)速度恒定，從而使2個(gè)最近的撲翼飛行器之間的編隊(duì)角保持在90°。為了獲取每個(gè)飛行器的位置和姿態(tài)信息，應(yīng)用了外部運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，通過(guò)捕捉撲翼飛行器上的3個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)（尾翼2個(gè)，軀干前部1個(gè)），來(lái)對(duì)飛行器進(jìn)行室內(nèi)定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

撲翼飛行是人類最熟悉也是最復(fù)雜的一種飛行方式，考慮其隱蔽性好、靈活和體積小等特點(diǎn)，未來(lái)在軍事和民用領(lǐng)域都會(huì)大放異彩。目前世界已經(jīng)有很多性能優(yōu)秀的撲翼飛行器原型機(jī)，但是仍有很多問(wèn)題需要解決。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在之前的研究中，用于運(yùn)動(dòng)分析、作為控制系統(tǒng)反饋信號(hào)，或者是驗(yàn)證機(jī)器人性能，都起到了重要作用，未來(lái)也會(huì)持續(xù)為撲翼飛行器的研究助力。