基于高仿生形态布局的仿鸽扑翼飞行机器人系统设计

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.

面向扑翼飞行机器人的电子稳像算法设计

在扑翼飞行机器人的飞行过程中,由于其特有的驱动方式,机身存在周期性的俯仰和滚转运动,导致航拍视频出现抖动,影响成像效果的清晰度和稳定性.为了解决这一问题,本文提出了一种基于ORB和滑动均值滤波的电子稳像算法,用于在线消抖处理.首先,针对扑翼飞行机器人航拍图像的抖动周期与机翼扑动周期相一致的特性,设计了一种估计算法来根据图像特征估计机翼扑动周期.这一算法能够更准确地捕捉到抖动的周期性特征,为后续的稳像处理提供了重要参数.其次,提出了一种与扑动周期相关联的运动滤波算法,能够根据不同飞行工况对滤波参数自适应地进行动态调整.本文提出的算法优点在于能够根据扑翼飞行机器人实际飞行情况实时调整参数,从而更好地适应不同的飞行工况,进一步提高了稳像效果.最后,为了验证算法的可行性和稳定性,将视觉成像装置搭载在扑翼飞行机器人上进行了飞行实验.实验结果表明,相较于常用的电子稳像算法,本文所设计的算法在扑翼飞行机器人中表现出更好的稳像效果.最后,总结了本文所提出的算法优点,并对未来研究方向做出了展望.

面向扑翼飞行机器人的飞行控制研究进展综述

近十年来,研究人员从飞行生物的飞行机理着手分析,对扑翼飞行机器人的姿态控制、位置控制设计以及系统稳定性分析展开了深入研究,基于鲁棒控制、神经网络等技术,提出了诸多控制方法实现扑翼飞行机器人的自主飞行,其中,姿态控制通过自适应等控制器并结合线性化方法来实现,位置控制则通过搭建层级架构的控制器等方法来完成,并通过设计扰动观测器等来处理系统的不确定性,以提高系统稳定性能.通过对相关研究工作进行总结,可以看出目前扑翼飞行机器人的飞行控制研究仍大多处于理论阶段,还需要进一步结合工程应用中的实际需求,推进扑翼飞行机器人的应用与推广.最后,探讨了扑翼飞行机器人飞行控制未来的研究方向.

仿生扑翼飞行机器人自主导航系统研究进展

仿生扑翼飞行机器人模仿自然界鸟类和昆虫等生物的飞行方式,具有安全性强、迷惑性好等优点,在灾害救援、反恐防暴等方面具有极其重要的应用前景。为实现其在未知复杂环境下的自主飞行并执行探测任务,需研制一套集感知建图、规划避障与飞控制导等功能模块为一体的导航系统。本文首先对扑翼飞行机器人的导航系统进行了概述,按照翼展大小将扑翼飞行机器人分为微小型和大中型两类,其次对比分析了国内外在微小型、大中型扑翼飞行机器人导航系统方面的主要研究进展。接着对自主导航系统所涉及到的感知定位与建图、运动规划与避障、轨迹跟踪与飞控制导等关键技术进行了分析总结,指出其局限性及亟待解决的问题。最后,对未来的研究趋势进行了展望,包括提升机载嵌入式计算能力、多模态信息融合、面向多模态飞行的流场感知、仿生视觉系统研究、群体感知与编队控制等热点方向。

独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人的系统设计与实验

扑翼飞行机器人模仿自然界中的飞行生物,通过扑动翅膀拍打空气驱动飞行.它们机动性好、飞行效率高、噪音小,在某些应用场景比传统的固定翼飞机和旋翼飞机更有优势.目前扑翼飞行机器人的研究大多集中在机理研究和理论的建模与控制,鲜有实现室外的自主飞行,难以应对复杂的实际应用需求.在本文中,设计了一种独立驱动的仿鸟扑翼飞行机器人USTBird,通过两个舵机独立驱动左右翅膀可实现无可控尾翼的机动飞行.通过搭载自主设计的微型飞控板、GPS以及惯性导航模块,采用PD控制实现了扑翼飞行机器人的室外自主巡航飞行.设计了针对扑翼机器人的轻型两自由云台,很大程度上消除了机翼扑动飞行引起的图像抖动问题.针对机身振动和GPS测量误差带来的位置误差,采用无迹卡尔曼滤波算法对GPS采集的位置信息进行估计,提升了位置估计精度.设计了面向扑翼飞行机器人的地面站系统.考虑到扑翼飞行机器人存在的转向滞后问题,对偏航角设计双闭环分段PD控制器,最终实现了在外圆半径40 m和内圆半径10 m的圆环内的自主巡航任务.

仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究

模仿昆虫和小鸟飞行的扑翼飞行机器人将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,与固定翼和旋翼完全不同,因此研究只能从生物仿生开始。生物飞行的极端复杂性使得进行完整和精确的扑翼飞行分析非常复杂,因此本文在仿生学进展基础上,通过一些合适的假设和简化,建立了仿生翅运动学和空气动力学模型,并以此为基础研制了多种翅型。研制了气动力测量实验平台,对各种翅型进行了实验研究。实验结果表明,研制的翅型都能产生一定的升力,其中柔性翅具有较好的运动性能和气动性能,并且拍动频率和拍动幅度对升力有较大影响。

仿生扑翼飞行机器人柔性翅试验研究及其理论解释

以柔性翅为研究对象,在自行研制的气动力测量试验平台上进行升力试验研究,旨在为柔性翅的理论研究提供依据。试验结果表明,柔性翅能产生较之刚性翅更大的升力,说明柔性翅将更适合仿生飞行。针对翅变形对昆虫飞行高升力有贡献的试验结果,给出了一种基于柔性楔形效应的升力机制的理论解释。

微扑翼飞行机器人姿态反演自适应模糊控制

研究微扑翼飞行机器人姿态控制优化问题,因扑翼飞行的复杂性、系统的非线性、时变参数以及各种干扰而极具挑战性。为了提高系统姿态稳定性,提出了一种反演自适应模糊控制策略,针对传统反演控制律设计的不足之处,对微扑翼飞行机器人控制律设计中需要知道被控对象精确模型信息的部分,采用模糊控制法去逼近,从而实现了无需微扑翼飞行器精确模型的全新控制律,避免了因建模误差对控制带来的不良影响,并在此基础上证明了系统的稳定性。仿真结果证实了控制方法的有效性。

仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考

在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上,提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点;有关非定常微分方程问题,提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点;有关翅变形问题,提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。

基于“雁阵效应”的扑翼飞行机器人高效集群编队研究

本文借鉴“雁阵效应”,研究了扑翼飞行机器人高效集群编队飞行问题.通过对“V”字雁阵的分析得知,当前排大雁(简称头雁)和后排大雁(简称从雁)保持某一合适的相对位置偏移时,后排大雁可有效利用前排大雁挥翅产生的上洗涡流,从而节省体能;并且,雁阵通过阵型的变换,可以实现能量整体消耗的均衡性,确保长航时飞行.仿照该“雁阵效应”,分析得出耗能最少的扑翼飞行机器人集群阵型排布方式,并设计了阵型变换机制,实现集群能量整体消耗的最优性和均衡性.在此基础上,参考雁群的交互方式,设计了一种使用局部信息的控制方法,保证最优阵型的稳定维持以及阵型间的灵活变换.最后,仿真结果验证了所提理论结果的有效性.

仿鸟扑翼飞行机器人执行机构优化设计的研究

仿鸟扑翼飞行机器人结构多样,应用广泛。主要对仿鸟扑翼飞行机器人的扑翼飞行原理和执行机构进行了分析研究。在此基础上建立了以齿轮连杆机构作为执行机构的仿鸟扑翼飞行机器人的数学模型和三维模型,并采用黄金分割法结合MATLAB软件对执行机构进行了数值模拟和优化设计,得到了在最小传动角最大的情况下,满足扑翼飞行的最佳四杆机构。此外,研究过程中所建立的三维模型利用ADAMS软件进行了运动仿真模拟,得出分析结果与模型相符合,满足设计要求。所做的工作为仿鸟扑翼飞行机器人的理论研究和实际模型的建立提供了可靠的参照和引导。

基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与控制

作为一种新型飞行机器人,仿蝴蝶扑翼飞行机器人模仿自然界蝴蝶的生物结构和飞行方式,能够有效地融入并适应复杂环境,在军民融合领域具有广阔的应用前景.目前针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的研究大多停留在对生物蝴蝶飞行机理的研究,鲜有能够实现自由可控飞行的机器人系统.本文设计了一款基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行机器人,名为USTButterfly-S,其翼展50 cm,重50 g,可实现长达5分钟的自由可控飞行.首先结合生物蝴蝶翅膀的扑动特征,设计了双曲柄双摇杆对称扑翼驱动机构.然后模仿凤蝶的翅翼形状,设计了仿蝴蝶翼型.对翅膀的几何学分析表明,USTButterfly-S的翅膀与凤蝶具有较好的形态相似性.接着针对仿蝴蝶扑翼飞行机器人的转向控制问题,首次采用线驱动机构拉动翅膀调节翅翼面积,进而实现了USTButterfly-S的无尾航向控制.最后集成自主设计的飞控系统,USTButterfly-S能够实现室内盘旋飞行并进行实时航拍.在实际飞行实验中,USTButterfly-S展现出类似生物蝴蝶的飞行特征.

两自由度仿生扑翼飞行机器人设计与运动分析

根据鸟类的飞行特性,设计了一种两自由度仿生扑翼飞行机器人。扑翼飞行机器人采用单电机驱动,能够实现扑动、扭转两自由度耦合运动,结构紧凑、运动高效,且机翼的运动形式接近鸟类。首先根据总体设计目标提出扑动-扭转耦合机构的运动特性要求,基于Adams建立了扑动-扭转耦合扑翼机构的运动学模型,通过仿真分析得到扑动和扭转运动的变化规律,并得到了翼尖轨迹曲线。扑动-扭转耦合机构的参数与设计结果达到了扑翼机构的运动要求,为仿生扑翼飞行机器人的设计和研究奠定了基础。

基于柔顺机构的扑翼飞行机器人研究

介绍了扑翼机器人的研究现状,给出了一种基于柔顺机构的新型扑翼飞行机器人的设计方案.建立了机构的伪刚体模型并进行分析.用ANSYS有限元分析软件建立机构模型,并对机构的运动进行了数值模拟,对数值模拟结果和理论结果进行了对比分析.

当前小型仿生扑翼飞行机器人研究综述

本文介绍了国内外仿生扑翼飞行机器人的发展现状,简述了部分关于扑翼飞行机器人的研究成果,重点从机械工程学科角度阐述了扑翼飞行机器人设计中涉及到的技术重点与难点.并主要对扑翼结构、扑翼机构设计与动力能源选择三方面进行了分析,对小型扑翼飞行机器人的未来技术发展方向进行了讨论与展望.

扑翼飞行机器人的设计与研究

扑翼飞行机器人是一种新型飞行器,因其特殊的飞行方式和独特优势,具备较高的研究价值,广泛应用于军用和民用领域。首先对国内外扑翼飞行机器人的发展研究状况作了阐述,然后从空气动力学理论和机械结构方面对扑翼飞行机器人发展的关键技术进行了详细分析,最后对未来扑翼飞行机器人的发展方向进行了展望。

多自由度仿生扑翼飞行机器人结构设计与分析

旨在设计一种能够飞行的大型仿生扑翼飞行机器人,以海鸥作为设计原型进行飞行方式和运动规律分析,建立结构设计和数学模型,实现多自由度仿生扑翼飞行。对设计结构进行运动学分析,使仿生飞行结构更加合理且符合基本气动性能。通过建立三维模型,将其运动学仿真结果与理论结果进行对照分析,证明了理论分析的正确性和设计结构的合理性。

基于聚类分析的扑翼飞行机器人视觉图像处理和图像拼接方法

为了解决扑翼飞行机器人实时控制过程中视觉图像自主识别和宽视野导航规划的难题,实现基于视觉的扑翼飞行机器人的宽视野规划导航控制,提出了基于聚类分析的扑翼飞行机器人视觉图像处理方法和边缘检测方法,并且基于块匹配的图像拼接方法,构建了基于遥操作的扑翼飞行机器人视觉感知构架。利用聚类分析方法对扑翼飞行机器人视觉图像数据进行分类,并利用典型的边缘检测算法对聚类分析处理后的机器人图像进行图像边缘检测,合理提取了扑翼飞行机器人视觉目标轮廓特征和环境边缘特征。利用块匹配对扑翼飞行机器人视觉图像数据进行图像配准,并利用图像融合算法提高了图像清晰度。以扑翼飞行机器人和视觉相机搭建了扑翼飞行机器人实验平台。对基于聚类分析的飞行机器人视觉图像处理方法和图像拼接方法进行了实验验证,系列实验结果验证了所提算法的有效性。

基于雁阵变换的微型扑翼飞行机器人集群行为控制方法

为了解决微型扑翼飞行机器人集群编队目标搜索覆盖效率、避障通过性和多机控制等难题,实现扑翼飞行机器人集群编队的智能控制,提出了基于雁阵变换的扑翼飞行机器人集群行为控制方法。利用仿生集群行为控制函数的参数化特性,实现了飞行机器人编队的队形变换和角度控制;搭建了多扑翼飞行机器人实验系统,并在多种情况下设计基于仿生行为的多扑翼飞行机器人集群控制方法实验。最终的实验结果验证了方法的可行性和有效性。与传统的多飞行机器人实时控制方法相比,所提方法大幅提升了集群编队的搜索覆盖效率和避障通过率,在某些作业环境条件下,搜索覆盖率可提升50%以上,障碍通过率可提升60%以上。同时,创新点体现在将雁阵变换应用于多扑翼飞行机器人集群编队控制和将仿生集群行为控制应用于扑翼飞行机器人集群控制两个方面。

基于聚类分析和运动描述语言的扑翼飞行机器人行为规划

为了解决扑翼飞行机器人实时控制过程中操作者工作量大、操作较为复杂的难题,实现扑翼飞行机器人的分布式智能控制,提出了基于聚类分析和运动描述语言的扑翼飞行机器人行为规划方法.利用扑翼飞行机器人飞行数据聚类分析的结果,将机器人运动行为进行合理分类.在保证了运动描述语言的基元关系的同时,合理提取了扑翼飞行机器人的行为特征,并针对扑翼飞行机器人绕杆任务定义了4类运动基元.以扑翼飞行机器人和机载陀螺仪搭建了扑翼飞行机器人实验系统.通过直接控制方法和基于运动描述语言的机器人行为规划方法进行了实物实验和仿真实验,实验结果验证了所提方法的可行性和有效性.