扑翼机器人机载视觉避障系统设计

扑翼机器人是一种高仿生度的飞行器,它可以执行军事侦察和民用监测任务。在执行这些任务时,避障是一种确保扑翼机器人安全的必要功能。本文设计了一种基于单目视觉的扑翼机器人自主避障系统,其中所有图像的处理计算均使用机载处理器实现。在这个系统中,机载处理器的质量被减至48 g,以便于扑翼机器人可以携带它稳定飞行。该系统的工作流程可以分为以下几步:首先,图像采集模块获取周围环境的视频图像;然后,机载处理器通过处理扑翼机器人第一视角的光流信息来计算方向舵角度和转弯方向;最后,飞控板接收计算结果并控制扑翼机器人避开障碍物。地面站对扑翼机器人飞行过程进行实时监测,实验结果验证了本文所设计的避障系统的有效性。

应用于水陆两栖勘测及紧急救援的仿生机械龟

针对现有水下航行器能耗高、噪声大、续航能力一般等问题,通过探索水下仿生扑翼的推进机理,结合流体力学运动的知识,利用SolidWorks仿造龟的外形设计了仿生机械龟。该机械龟装载浮力与重力感应系统,通过PID算法控制机器在水中的平衡,使用Arduino作为主控制板,利用传感器、摄像系统与数据传输系统,进行实时监测并传输数据,龟壳中设计了贮藏空间,满足勘测和物资救援任务。实验结果表明,所设计的水陆两栖仿生机械龟优化了形态和运行控制系统,对比美国耶鲁大学研制出的仿乌龟形水陆两栖机器人ART,能够适应多样化地形高效的运动,具有高灵活性和机动性,能完成对水中温度、压强、地形进行实时监测并将数据传输回终端。

基于ESO的仿蝙蝠扑翼飞行器姿态控制仿真

针对仿蝙蝠扑翼飞行器的纵向气动特性不稳定、易受扰动的问题,设计了一种基于扩张状态观测器(ESO)的姿态控制方法,实现了扑翼飞行器姿态的稳定与抗干扰控制。首先建立仿蝙蝠扑翼飞行器的动力学模型;进而在该模型基础上分析了扑翼飞行器的纵向稳定性;然后将系统的不确定部分与各种未知的外界扰动作为系统的总扰动,引入ESO模块对总扰动进行实时观测与跟踪;最后在原有的PID控制器中加入扰动补偿环节。数值仿真结果表明,基于ESO的控制算法对于仿蝙蝠扑翼飞行器的控制效果显著优于基于PID的控制方法,阶跃响应的调节时间加快41.27%,对系统输入的白噪声干扰波动峰值从6.02%降低到2.82%,正弦扰动的波动峰值从11.56%降低到3.22%。

蝴蝶飞行机理及仿蝴蝶扑翼飞行器研究进展综述

仿生扑翼飞行器具有高机动性、高隐蔽性以及高效率等突出优势,在军事侦查、探险搜救等领域具有较好的应用前景,而其应用的基础是对生物飞行机理的深入探究.随着先进运动观测和实验技术的引入,对昆虫飞行行为的记录和分析更为便捷和准确.研究表明常见的昆虫拍打频率较高,在25~400 Hz之间,而蝴蝶较为特殊,其扑打频率较低,大约为10 Hz,对于蝴蝶的许多独特的飞行技能尚缺少足够的认识.蝴蝶前翼和后翼的翼面积都较大,身体同侧的前后翼几乎为同步拍打,且扑打幅度较大,甚至接近180°.蝴蝶飞行中身体有较大幅度的上下和俯仰震荡,翼和身体运动高度耦合.即便如此,蝴蝶仍具有敏捷的飞行能力,可以达到点对点的飞行目标,甚至上千公里的长途迁徙,是优秀的仿生学研究对象.因此,蝴蝶启发的仿生扑翼飞行器也得到了全世界研究人员的关注.蝴蝶的飞行机制相对于其他昆虫更加特殊,飞行行为和气动特性更为复杂,这使得仿蝴蝶扑翼飞行器的研制更加困难.目前对于仿蝴蝶飞行器的研制大多数对蝴蝶翼–身耦合的机理进行了简化,很少能实现受控的稳定飞行.最后,本文梳理了真实蝴蝶的飞行行为特点和飞行机理,指出了仿蝴蝶扑翼飞行器研制的关键技术,总结了该类飞行器未来的发展方向和应用前景.

仿生扑翼飞行器姿态稳定控制设计与实验

针对扑翼飞行器在飞行过程中姿态调整控制问题,提出了一种快速响应的自动姿态稳定控制方法。利用牛顿定律和动量矩定理建立扑翼飞行器数学模型,结合扑翼飞行器姿态变化工作原理,研究飞行过程中姿态调整控制方案策略。采用串级PID控制算法设计姿态调整内环和外环控制器,以扑翼飞行器欧拉角为输出,对扑翼飞行器姿态调整过程进行了仿真计算以及外场飞行实验。通过对扑翼飞行器姿态角的响应仿真分析及外场飞行实验数据分析,验证了扑翼飞行器数学模型的准确性及姿态控制器的有效性。结果表明:在阶跃信号输入下,姿态角能快速响应并快速趋于稳态,外场飞行中扑翼飞行器俯仰角保持15°,飞行加速度保持1 m/s^(2),可以较好地自动保持姿态稳定。

一种悬浮扑翼机器人的视觉自主避障方法研究

提出了一种基于视觉感知的悬浮扑翼机器人自主避障方案,以满足室内障碍物环境中低速、安全和长航时飞行要求。首先,借鉴鸟类视觉避障原理,提出了一种基于光流视觉检测的避障方法,用于识别动、静态障碍物;其次,设计了一种氦气球与扑翼结合的飞行机器人,利用氦气浮力提供主要升力,扑翼运动提供推进力和次要升力,并设计了飞行控制方法以满足稳定飞行及避障的要求;最后,制作了机器人样机,测试了其飞行性能和自主避障能力,并与其他障碍物检测算法进行了对比。结果表明,样机的直飞航向偏移为5.52°,转弯速度可达23°/s,并以6.1 ms的单帧检测时间达到77%的避障成功率,证明其能够实现低速悬浮飞行和自主避障,为其开展室内探测任务奠定了基础。

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.

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.

仿生折叠翼扑动过程气动特性分析

以甲虫后翅为仿生对象,基于四板机构理论设计了一种仿甲虫四板折叠翼,并对其气动特性进行研究。建立了仿甲虫四板折叠翼动力学仿真模型,采用双向流固耦合数值模拟方法,分析了扑动幅值、拍动频率与前飞速度对柔性折叠翼的升阻力系数和空气流场的影响,并对柔性折叠翼扑动过程进行了流场研究。研究表明,柔性折叠翼能提高飞行器的升力特性和推力特性,其扑动幅值为80°,频率为50Hz时,折叠翼的气动特性最为显著。本研究工作为优化折叠翼的设计及控制奠定了基础。

平面形状对MAV气动特性的影响

通过风洞测力实验研究了平面形状（后掠角）对展长／根弦长之比为1．0的机翼的气动特性的影响，实验结果表明，模型后掠角在很大程度上影响小展弦比机翼的气动特性，当模型后掠角A≤35^o时，能增大模型的最大升力系数和失速迎角，推迟失速；当模型后掠角A=56^o-64^o时，能得到较好的升力曲线，改善机翼的失速特性。此外，实验结果表明模型前缘背风面倒角与迎风面倒角相比，有效地提高了模型的最大升阻比和失速后的升力系数。

微型飞行器扑翼表面集成变形折纸天线

多数微型飞行器(MAV)集成的天线为固定结构,仅具有单一工作频段,为了扩大微型飞行器集成天线的工作频段覆盖范围,采用柔性介质基板设计具有频率可变特性和双频特性的扑翼表面集成折纸天线。折纸天线二维平面结构的谐振频率为915 MHz和2.49 GHz;集成至扑翼表面的三维立体结构的谐振频率分别变为990,950 MHz和1.83 GHz, 940 MHz和1.76 GHz。采用聚酰亚胺(PI)基底加工的天线测试结果表明,天线工作频段覆盖2 G、4 G与5 G通信系统多个频段,实现了频率可变特性。

仿鸟类扑翼飞行器研究进展

仿生扑翼飞行器有着优异的气动性能和灵活的飞行能力,在军民领域均有广泛的应用前景,学者们在原理样机研制、扑翼气动机理、驱动机构、飞行控制等多领域取得了一系列重要进展.本文从总体设计方法、驱动机构设计与优化、气动机理等方面综述了仿鸟类扑翼飞行器技术的发展历程与研究进展.首先,从扑翼总体设计方法入手,总结了仿鸟类扑翼飞行器仿生构型,归纳了总体设计参数估算方法;其次,综述了多种构型曲柄连杆机构在扑翼驱动中的应用与优缺点;接着总结了扑翼气动机理研究的实验方法与数值计算方法,分析了不同扑翼气动算法针对不同应用场景在计算成本和准确度方面的优劣情况;最后,对仿鸟类扑翼飞行器系统设计研究现状进行总结,针对原理样机研制过程提出展望.

材料属性对柔性仿生扑翼气动特性的影响

为探究不同材料属性柔性扑翼飞行器气动特性的变化,通过ANSYS中Fluent与Transient Structural的双向流固耦合方法,采用k-ω湍流模型,分别对三维柔性扑翼飞行器在不同材料属性下的气动特性进行数值模拟,得到了其瞬时升力、推力随翼面弹性模量的变化情况,并研究了一周期内扑翼展向流场压力分布与涡结构变化情况。研究结果表明,在一定范围内增加翼面弹性模量,对瞬时升力的提升效果并不明显,瞬时推力会随弹性模量的增加而降低。

仿甲虫微型飞行器折叠翼模态分析

自然界中甲虫采用扑翼飞行方式来实现飞翔,具有优异的飞行性能。折叠翼模态特性对飞行器的气动特性具有重要影响。文章分析了扑翼运动对翅翼模态性能要求,建立折叠翼有限元模型。对折叠翼的模态进行仿真分析,获得不同参数条件下折叠翼的模态特性。通过正交试验,分析各参数对折叠翼模态的显著性影响,结果分析表明,折叠翼弹性模量与厚度对折叠翼固有频率影响显著。这里研究结果为仿甲虫微型飞行器的设计制造和实际应用奠定了基础。

Thrust Optimization of Flapping Wing via Gradient Descent Technologies

The current work aims at employing a gradient descent algorithm for optimizing the thrust of a flapping wing. An in-house solver has been employed, along with mesh movement methodologies to capture the dynamics of flow around the airfoil. An efficient framework for implementing the coupled solver and optimization in a multicore environment has been implemented for the generation of optimized solutionsmaximizing thrust performance & computational speed.

仿生扑翼结构优化设计及动力学仿真分析

针对目前飞行器结构复杂、效率低下及动作单一等问题,设计一种新型仿生扑翼飞行机构,仅通过单驱动装置即可实现机构扑翼的扑动、折叠、扭转等运动。依据生物尺度率设计扑翼机构的结构尺寸并对机构参数进行优化;通过SolidWorks构建仿生三维模型并基于ANSYS Workbench对扑翼机构进行有限元分析,得到扑翼齿轮组、曲柄、主翼杆等主要部件的总形变、应力、等效应变及主、副翼动力学运动参数,为仿生样机研制提供理论支持。

具有不确定性的扑翼微型飞行器抗干扰控制

研究了具有内部不确定性和外部干扰的扑翼微型飞行器的姿态和位置跟踪控制问题。利用神经网络对扑翼微型飞行器数学模型中复杂非线性和不确定性进行逼近估计,同时对于外部扰动,采用自适应技术来处理干扰对系统的影响。基于反步递推框架,引入一阶滤波器,设计了动态表面控制器,克服了传统反步递推设计中“微分爆炸”的局限性。进一步,利用Lyapunov稳定理论证明了扑翼飞行器姿态和位置闭环系统的稳定性和所有状态变量的半全局一致最终有界性。结果表明,所提控制器不仅能够使稳态误差更好地收敛,而且还提高了收敛速度。仿真结果验证了所提控制方法能够有效地处理不确定性和外部干扰,且能够很好地跟踪期望轨迹。

具有较大折展比的仿生可展机构的折叠特性分析

甲虫飞行的运动学特性不仅可以指导扑翼微型飞行器的设计,其后翅柔顺的折叠机理有利于设计大折展比的仿生可展刚性折展机构。文中基于甲虫后翅的折痕图案和折叠线的分布特性构造仿生等效折纸模型,分析了其刚性和可折叠性。设计了由四边形板和铰链构成并具有单自由度的可折叠太阳能板。然后使用ADAMS软件数值模拟可展机构的运动特性,确定了所设计模型的可展能力。所提出的仿生可展机构具有广泛的通用性,可以应用于可变翼机器人的翅翼优化设计。

仿蝙蝠飞行器扑翼结构设计与运动仿真

基于大耳蝙蝠飞行时翅膀的飞行姿态和运动轨迹,对翅膀结构进行简化处理,模仿设计了一种二自由度的仿蝙蝠飞行器扑翼,能够实现上下扑动和收放动作。借助MATLAB/UG软件完成扑翼尺寸参数求解、结构三维建模、关键节点运动轨迹生成及上下扑动机构和收放机构的运动仿真分析。结果表明:节点角位移变化曲线连续不间断,未出现角度突变,不会造成瞬时冲击,翼尖关节之间运动不产生干涉,验证了扑翼运动的可行性,同时为后续优化设计提供理论依据。

水陆两栖仿生海龟机器人设计与分析

针对传统机器人在水陆工作环境下运动模式转换的适应性问题,以海龟的水陆行进方式为出发点,分析了水下扑翼动作、水下转向和沉浮动作以及上岸后水翼折叠动作的实现方式,提出了一种采用扑翼传动机构、可变形自锁水翼机构、后腿机构和重心调节机构来实现水陆行进的水陆两栖仿生海龟机器人设计方案。建立了扑翼传动机构运动模型和仿生机器人整体重心仿真模型,分析了仿生扑翼运动特性并计算了固定配重安装位置。对仿生水翼进行力学分析,表明机器人能够实现可靠的水下扑翼运动。对仿生机器人关键零部件进行了流固耦合力学仿真分析和方案优化。试制了仿生机器人样机并进行了试验测试,实现了仿生机器人的基本功能。