CN105676672A - 扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，包括：获取被研究扑翼飞行器基本参数；建立气动模型；建立动力学模型；对复合飞行过程进行描述；建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；建立控制率模型；将气动模型、动力学模型、复合飞行规划模块、飞行能量消耗计算模型和控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型。优点为：仿真技术人员可以高效利用Matlab/Simulink仿真环境，搭建扑翼飞行器复合飞行仿真模型，通过分析不同飞行策略的仿真结果，对扑翼飞行器的复合飞行能力进行判定，并寻找较优的飞行策略，在扑翼飞行器工程上的改进方面具有一定指导意义。

Description

扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法。

背景技术

微型扑翼飞行器(FlappingWingMicroAirVehicle，简称FMAV)是一种载有微型传感器，用于侦察和监视，以扑动翼作为动力装置的体积小、重量轻的飞行器。微型扑翼飞行器在军事和民用中具有广泛应用前景，已成为近十年来各国微型飞行器研究领域的热门课题。随着对鸟类飞行机理研究的进步，相关微机电技术(MEMS)和新型材料等领域的快速发展，仿生扑翼飞行器的研究水平也在不断提高。

对扑翼飞行器进行仿真建模，并采用仿真方法研究扑翼飞行器飞行性能，属于扑翼飞行器研究中的重要途径之一。目前，所建立的扑翼飞行器仿真模型，仅能够仿真扑翼飞行器以恒定速度飞行的状态，而无法实现类似鸟类的扑动-滑翔等复合飞行状态，因此，现有技术所建立的扑翼飞行器仿真模型，其仿真度有限，不利于更为精确的研究扑翼飞行器飞行性能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，包括以下步骤：

步骤1，获取被研究的扑翼飞行器的基本参数，包括：参考面积、飞行器质量以及飞行器转动惯量；

步骤2，对扑翼飞行器进行风洞实验，基于风洞实验数据以及扑翼飞行器的基本参数，建立气动模型；其中，所建立的气动模型为多输入多输出系统，其输入变量包括实际飞行速度、实际扑动幅度、实际扑动频率、实际飞行攻角、实际机体角速率、实际舵量、参考面积和空气密度；其输出变量为作用在全机的力及力矩；

步骤3，基于刚体六自由度模型方程，对扑翼飞行器的动力学进行数学建模，得到动力学模型；其中，所述动力学模型为多输入多输出系统，其输入变量包括作用在全机的力及力矩、飞行器质量以及飞行器转动惯量；其输出变量包括实际飞行速度、实际飞行高度、实际飞行姿态、实际飞行攻角和实际机体角速率；

步骤4，建立复合飞行规划模块；所述复合飞行规划模块用于对复合飞行过程进行描述；

其中，对所述复合飞行过程进行描述具体指：对扑动-滑翔过渡过程、滑翔过程、滑翔-扑动过渡过程的各个不同时间节点的基准扑动幅度值和基准扑动频率值进行规划设计，从而使扑翼飞行器进行扑动-滑翔-扑动的复合飞行过程；

步骤5，基于风洞试验数据，通过二维线性插值，建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；

步骤6，建立控制率模型；

步骤7，根据所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型之间的逻辑关系，将所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型。

优选的，步骤4中，所述复合飞行规划模块对所述复合飞行过程进行描述具体指：

第1过程：正常扑动飞行过程：给出扑动飞行过程的起始时间节点t0和结束时间节点t1，给出起始时间节点t0到结束时间节点t1之间的基准扑动频率和基准扑动幅度，在本过程中，设基准扑动频率的给定值为L1，基准扑动幅度的给定值为F1；

第2过程：扑动到滑翔的过渡过程：扑-滑过渡的起始时间即为t1，给出扑-滑过渡的结束时间t1+△t1；在扑-滑过渡过程△t1时间长度中，使基准扑动幅度从F1按一定的变化规律向0趋近；使基准扑动频率从L1按一定的变化规律向0趋近；

第3过程：滑翔过程：滑翔过程的起始时间即为t1+△t1，给出滑翔过程的结束时间t1+△t1+t2；在滑翔过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值均为0；

第4过程：滑翔到扑动的过渡过程，滑-扑过渡过程的起始时间即为t1+△t1+t2，给出滑-扑过渡过程的结束时间t1+△t1+t2+△t2+△t3；在滑-扑过渡过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值分别恒定为F1和L1；

第5过程：恢复到第1过程的扑动飞行过程。

优选的，还包括：

步骤8，按照所述复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程，进行仿真；仿真过程为：

步骤8.1，当进行第1过程的仿真时，控制率模型同时启动三组控制率单元，即：第1控制率单元包括串联的第1外环高度控制器、内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型；第2控制率单元为串联的第1外环速度控制器、扑动频率求和单元、速率改变限制器以及限幅器；第3控制率单元为串联的第2外环速度控制器、扑动幅度求和单元、速率改变限制器以及限幅器；通过所述第1控制率单元、所述第2控制率单元和所述第3控制率单元的作用，使所述控制率模型输出当前时刻的实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值；

所述实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值输入到所述气动模型，同时，所述气动模型接收所述动力学模型输出的实际飞行速度、实际飞行攻角和实际机体角速率；所述气动模型输出作用于全机的力和力矩；

所述气动模型输出的作用于全机的力和力矩输出给所述动力学模型；所述动力学模型同时读取到飞行器质量和飞行器转动惯量，所述动力学模型计算得到当所述力和力矩作用于全机时，状态发生改变后的扑翼飞行器的飞行参数；其中，所述飞行参数包括状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度、状态调整后的实际飞行姿态、状态调整后的实际飞行攻角和状态调整后的实际机体角速率；

然后，所述动力学模型将状态调整后的实际飞行攻角、状态调整后的实际机体角速率和状态调整后的实际飞行速度输出给所述气动模型；

所述动力学模型将状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度和状态调整后的实际飞行姿态输出给所述控制率模型的三组控制率单元；

所述第1控制率单元的所述第1外环高度控制器比较状态调整后的实际飞行高度和飞行高度设定值之间的偏差，得到飞行姿态设定值，然后，将所述飞行姿态设定值输出给所述内环姿态控制器；所述内环姿态控制器比较飞行姿态设定值和状态调整后的实际飞行姿态之间的偏差，所述内环姿态控制器输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量初值求和，经过限幅器限幅和舵机模型调制后，得到实际舵量值；

另外，所述第2控制率单元的所述第1外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动频率调整量，再将扑动频率调整量和基准扑动频率求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为L1；扑动频率调整量和基准扑动频率的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动频率；

另外，所述第3控制率单元的所述第2外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动幅度调整量，再将扑动幅度调整量和基准扑动幅度求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为F1；扑动幅度调整量和基准扑动幅度的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动幅度；

由此实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，进而保证在进行第1过程的仿真时，保证扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行；

步骤8.2，当进行第2过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到按线性或非线性规律不断减少的基准扑动幅度和基准扑动频率，此处的基准扑动幅度和基准扑动频率即为飞行器实际的扑动幅度和实际扑动频率，然后，气动模型产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率不断减小的扑动到滑翔的过渡过程；

步骤8.3，当进行第3过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中基准扑动幅度和基准扑动频率均为0，产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率均为0的滑翔过程；

步骤8.4，当进行第4过程的仿真时，同时启动控制率模型所包括的三组控制率单元，同时，通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中的基准扑动幅度值和基准扑动频率值分别与第1过程的基准扑动幅度值和基准扑动频率值相等，即：本过程中，基准扑动幅度值为F1；基准扑动频率值为L1；

然后，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，使扑翼飞行器完成滑翔-扑动过渡过程；

步骤8.5，当进行第5过程的仿真时，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，最终实现扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行。

优选的，还包括：

步骤9，在按照复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程进行仿真的过程中，飞行能量消耗计算模型实时接收到每一仿真时刻扑动飞行器的实际扑动频率和实际扑动幅度，从而可计算得到每一仿真时刻扑动飞行器的实际飞行功率；将仿真整个过程的实际飞行功率进行积分运算，得到仿真整个过程的飞行能量消耗；再基于相关执行机构及电池的效率模型，获取最终的能量消耗；

步骤10，通过对仿真整个过程的飞行能量消耗进行分析，并与恒定扑动飞行情况做对比，评价扑翼飞行器的复合飞行能力。

优选的，步骤10具体为：

以飞行相同距离的能量消耗，以及相同时间内的前飞距离作为不同飞行策略的评价指标；以滑翔阶段高度下降的速率，以及滑翔阶段后恢复正常扑动飞行时初始高度和速度的时间作为扑翼飞行器复合飞行能力的判定指标。

本发明提供的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法具有以下优点：

(1)可使飞行器实现类似鸟类的扑动-滑翔复合飞行状态，所建立的扑翼飞行器仿真模型的仿真度高，更有利于精确的研究扑翼飞行器飞行性能。

(2)应用该方法，仿真技术人员可以高效的利用Matlab/Simulink仿真环境，搭建扑翼飞行器复合飞行仿真模型，通过分析不同飞行策略的仿真结果，对该扑翼飞行器的复合飞行能力进行判定，并寻找较优的飞行策略，在扑翼飞行器工程上的改进方面具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明提供的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模系统的整体结构示意图；

图2为本发明提供的复合飞行规划模块所描述的复合飞行过程的示意图；

图3为本发明提供的实际扑动频率和实际扑动幅度的变化曲线图；

图4为本发明提供的启动外环控制率时搭建得到的控制率模型、气动模型和动力学模型形成的闭环反馈模型；

图5为本发明提供的未启动外环控制率，仅启动内环姿态控制器时，搭建得到的控制率模型、气动模型和动力学模型形成的闭环反馈模型。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

复合飞行指：扑动-滑翔-扑动，即：包括正常扑动状态、扑动向滑翔的过渡状态、滑翔状态、滑翔向扑动的过渡状态、恢复到正常扑动状态。因此，复合飞行不同于常规以恒定扑动频率及恒定扑动幅度的飞行状态。复合飞行与鸟类实际飞行状态更为逼真，建立具有复合飞行状态的扑翼飞行器仿真模型，可对扑翼飞行器的扑滑能力进行研究。

本发明提供的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，应用该方法，仿真技术人员可以高效的利用Matlab/Simulink仿真环境，搭建扑翼飞行器复合飞行仿真模型，通过分析不同飞行策略的仿真结果，对该扑翼飞行器的复合飞行能力进行判定，并寻找较优的飞行策略，在扑翼飞行器工程上的改进方面具有一定的指导意义。

本发明提供的仿真建模方法主要包括以下步骤：

步骤1，获取被研究的扑翼飞行器的基本参数，包括：参考面积、飞行器质量以及飞行器转动惯量；

其中，飞行器转动惯量可通过基于复摆原理的实验及Catia三维建模两种方法获取，将两种结果进行综合分析获取合理的数值。利用实验或测量的手段获取扑翼飞行器用于仿真的其它相关参数。

更具体的，飞行器转动惯量采用如下方法获取：利用复摆原理，通过试验和计算，获取微型扑翼飞行器绕通过质心y轴的转动惯量(xyz坐标系的定义为通用飞行器关于坐标轴系的定义方法)。其次,利用Catia软件对该扑翼飞行器进行三维建模，利用软件自身的功能生成关于重心的转动惯量，将其生成关于y轴的转动惯量与试验获取的转动惯量进行比较分析，获取合理数值。

步骤2，对扑翼飞行器进行风洞实验，基于风洞实验数据以及扑翼飞行器的基本参数，建立气动模型；其中，所建立的气动模型为多输入多输出系统，其输入变量包括实际飞行速度、实际扑动幅度、实际扑动频率、实际飞行攻角、实际机体角速率、实际舵量、参考面积和空气密度；其输出变量为作用在全机的力及力矩；

进行气动模型输入输出关系的建立时，考虑如下两种情况：

1.由于作用在全机的力及力矩的周期性变化，使用一般的数学公式描述难免会损失掉一些扑动飞行的特点，故通过多维线性插值的方法进行气动模型的建立。

2.采用相对简化的方法，提取出周期性变化的作用在全机的力及力矩的平均值，使多维线性插值的因变量成为作用在全机的力及力矩的平均值，将周期性的影响作为扰动量加入作用在全机的力及力矩均值中，此时气动模型的状态输入包括实际飞行速度、实际扑动幅度、实际扑动频率、实际飞行攻角、实际机体角速率、实际舵量、参考面积和空气密度，气动模型的状态输出为作用在全机的力及力矩。该方法建立了如下的数学关系。

F_aero＝f₁(V,A,f,α,δ,S,ρ,ω)+F_fluc

M_aero＝f₂(V,A,f,α,δ,S,ρ,ω)+M_fluc

其中：

V：飞行速度A：扑动幅度f：扑动频率

δ：舵量α：飞行攻角ρ：空气密度

ω：机体角速率

S：机翼参考面积

f₁(V,A,f,α...)，f₂(V,A,f,α...)：计算出的作用在全机的力及力矩的平均值

F_fluc，M_fluc：周期性波动的力及力矩(去平均值)

F_aero，M_aero：周期性波动的力及力矩

步骤3，基于刚体六自由度模型方程，对扑翼飞行器的动力学进行数学建模，得到动力学模型；其中，所述动力学模型为多输入多输出系统，其输入变量包括作用在全机的力及力矩、飞行器质量以及飞行器转动惯量；其输出变量包括实际飞行速度、实际飞行高度、实际飞行姿态、实际飞行攻角和实际机体角速率。

由于扑翼飞行器本身机翼的扑动，使其本质上成为一种多体动力学问题，需考虑机翼扑动带来的影响，但这给整个动力学方程带来了很大的复杂度。考虑到机翼质量相比于全机质量为小量的事实，仿真时通过忽略掉机翼质量的方式将其化简为单体动力学方程，将扑动产生的非定常效应转移到前述的气动模型部分描述。该部分的数学描述如下。

$F_{aero}=m(\frac{dV}{dt}+\mathrm{\ω}\×V)$

$M_{aero}=\mathrm{\ω}\×\left(Ig\mathrm{\ω}\right)+\frac{d\left(Ig\mathrm{\ω}\right)}{dt}$

其中：I为机体的转动惯量，其余参数定义与之前保持一致

步骤4，建立复合飞行规划模块；所述复合飞行规划模块用于对复合飞行过程进行描述；

其中，对所述复合飞行过程进行描述具体指：对扑动-滑翔过渡过程、滑翔过程、滑翔-扑动过渡过程的各个不同时间节点的基准扑动幅度值和基准扑动频率值进行规划设计，从而使扑翼飞行器进行扑动-滑翔-扑动的复合飞行过程；

参考图2，为复合飞行规划模块所描述的复合飞行过程的示意图，具体指：

第1过程：正常扑动飞行过程：给出扑动飞行过程的起始时间节点t0和结束时间节点t1，给出起始时间节点t0到结束时间节点t1之间的基准扑动频率和基准扑动幅度，在本过程中，设基准扑动频率的给定值为L1，基准扑动幅度的给定值为F1；也就是说，在本过程中，基准扑动频率和基准扑动幅度的值为恒定值。

第2过程：扑动到滑翔的过渡过程：扑-滑过渡的起始时间即为t1，给出扑-滑过渡的结束时间t1+△t1；在扑-滑过渡过程△t1时间长度中，使基准扑动幅度从F1按一定的变化规律向0趋近；使基准扑动频率从L1按一定的变化规律向0趋近；此处，变化规律可以为线性变化规律，也可以为非线性变化规律，具体变化趋势情况根据实际调整。

第3过程：滑翔过程：滑翔过程的起始时间即为t1+△t1，给出滑翔过程的结束时间t1+△t1+t2；在滑翔过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值均为0；

第4过程：滑翔到扑动的过渡过程，滑-扑过渡过程的起始时间即为t1+△t1+t2，给出滑-扑过渡过程的结束时间t1+△t1+t2+△t2+△t3；在滑-扑过渡过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值分别恒定为F1和L1；

第5过程：恢复到第1过程的扑动飞行过程。

需要强调的一点是，本发明中，复合飞行规划模块仅用于描述不同时间节点的基准扑动幅度值和基准扑动频率值，基准扑动幅度值和基准扑动频率值会输入到气动模型和动力学模型中，实现通过改变基准扑动幅度值和基准扑动频率值，最终调整扑翼飞行器飞行状态，使其进行复合飞行的目的。基准扑动幅度值和基准扑动频率值所发挥的作用，在后续步骤中详细介绍。

步骤5，基于风洞试验数据，通过二维线性插值，建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；

步骤6，建立控制率模型；

步骤7，根据所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型之间的逻辑关系，将所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型。

还包括：

步骤8，按照所述复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程，进行仿真；

本发明中，复合飞行规划模块建立图2所示的复合飞行过程；图2表示的为不同时间节点的基准扑动频率和基准扑动幅度。按图2所示的基准扑动频率和基准扑动幅度的变化，进行实际仿真时，会得到图3所示的实际扑动频率和实际扑动幅度的变化曲线。

根据控制率模型是否启动外环控制率，本发明共建立两种闭环反馈模型，如图4所示，为启动外环控制率时搭建得到的控制率模型、气动模型和动力学模型形成的闭环反馈模型；如图5所示，为未启动外环控制率，仅启动内环姿态控制器时，搭建得到的控制率模型、气动模型和动力学模型形成的闭环反馈模型。

本发明需要仿真实现的复合飞行包括五个过程，分别为：正常扑动状态、扑动向滑翔的过渡状态、滑翔状态、滑翔向扑动的过渡状态、恢复到正常扑动状态。在需要仿真实现正常扑动状态、滑翔向扑动的过渡状态以及恢复到正常扑动状态时，采用图4所示的闭环反馈模型；而当需要仿真实现扑动向滑翔的过渡状态以及滑翔状态时，采用图5所示的闭环反馈模型。

根据需要仿真实现的飞行过程不同，选择采用图4所示闭环反馈模型或图5所示闭环反馈模型，理由为：

(1)当进行第1过程的仿真时，即：当需要仿真正常扑动状态时，由于需要实现飞行器以一定的扑动频率和一定的扑动幅度进行定高定速飞行，因此，给出正常扑动飞行的扑动频率基准值和扑动幅度基准(通过读取飞行过程规划模块得到)，另外，给出飞行高度设定值和飞行速度设定值，上述初值的设定几乎能够保证扑翼飞行器在定高定速下进行飞行，即：不会因为扑动频率或者扑动幅度不合适，导致飞行器掉高度。但是，上述给出的初值与真正能保证定高定速的值很接近，但可能有较小的偏差，所以，通过外环控制器真正保证飞行器定高定速飞行。

外环控制器的作用就是保证扑翼飞行器在一定高度和速度下飞行。

具体的，设定的高度通过第1外环高度控制器作用，改变平尾的舵量，舵量的改变主要通过影响飞行器姿态(比如抬头低头)来达到改变高度的目的。一般情况下，抬头会使飞行器爬升，低头会使飞行器下降。

设定的速度通过第1外环速度控制器和第2外环速度控制器，变成扑动频率调整量及扑动幅度调整量，扑动频率调整量及扑动幅度调整量主要影响推力，从而达到改变飞行速度的目的。

(2)当需要进行第2过程和第3过程的仿真时，即：当需要仿真扑动向滑翔的过渡状态以及滑翔状态时，需要采用图5所示的闭环反馈模型，即：将图4中的所有外环控制器均去除，而只有内环姿态控制器起作用。

将所有外环控制器均去除的原因为：只有去掉了所有的外环控制器，才能通过读取复合飞行规划模块，使基准扑动频率和基准扑动幅度按一定规律减小，最终使实际输出的扑动频率和扑动幅度按一定规律减小，进而实现模拟扑动-滑翔过渡状态以及滑翔状态。如果不去掉所有的外环控制器，即使读取到的基准扑动频率和基准扑动幅度按一定规律减小，但由于外环控制器的作用，会使最终实际输出的扑动频率和扑动幅度与正常扑动飞行时的值保持不变，进而无法模拟扑动-滑翔过渡状态以及滑翔状态。

只有内环姿态控制器起作用的原因为：通过内环姿态控制器，可使飞行器在滑翔阶段以给定的姿态角进行滑翔，如果内环姿态控制器也去掉，可能飞行器整个姿态会发散，飞行器可能会翻过来，或者发生其他不希望发生的情况，所以最终还需要保留内环姿态控制器。

上述过程可总结为：

在进行扑动-滑翔过渡状态时，闭环反馈系统通过不断读取扑动滑翔过程规划模块，使基准扑动频率及基准扑动幅度从正常扑动状态的值按线性或者非线性的关系变为0，由于没有外环控制器的作用，因此，飞行器实际扑动频率及实际扑动幅度分别与基准扑动频率及基准扑动幅度相等，即：飞行器实际扑动频率及实际扑动幅度也同样从正常扑动状态的值按线性或者非线性的关系变为0，进而实现扑动-滑翔过渡状态的模拟。

在进行滑翔阶段时，基准扑动频率及基准扑动幅度均为0，由于没有外环控制器的作用，因此，飞行器实际扑动频率及实际扑动幅度也同样为0，进而实现滑翔过渡状态的模拟。

(3)当需要进行第4过程仿真时，即：当需要仿真滑翔向扑动的过渡状态时，需要立刻加上外环控制器的作用，即：所采用的闭环反馈模型由图5又变为了图4。通过图4的作用，可在较短的时间内，使扑翼飞行器回复到正常的扑动飞行状态。

另外，扑翼飞行器在由滑翔转为正常扑动飞行时，可能会经过一个产生更高的扑动频率及扑动幅度的过程，然后再回复到正常扑动飞行的扑动频率及扑动幅度。

基于上述原理，结合图4和图5，本发明提供的仿真过程具体包括以下步骤：

步骤8.1，当进行第1过程的仿真时，控制率模型同时启动三组控制率单元，即：第1控制率单元包括串联的第1外环高度控制器、内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型；第2控制率单元为串联的第1外环速度控制器、扑动频率求和单元、速率改变限制器以及限幅器；第3控制率单元为串联的第2外环速度控制器、扑动幅度求和单元、速率改变限制器以及限幅器；通过所述第1控制率单元、所述第2控制率单元和所述第3控制率单元的作用，使所述控制率模型输出当前时刻的实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值；

所述实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值输入到所述气动模型，同时，所述气动模型接收所述动力学模型输出的实际飞行速度、实际飞行攻角和实际机体角速率；所述气动模型输出作用于全机的力和力矩；

所述气动模型输出的作用于全机的力和力矩输出给所述动力学模型；所述动力学模型同时读取到飞行器质量和飞行器转动惯量，所述动力学模型计算得到当所述力和力矩作用于全机时，状态发生改变后的扑翼飞行器的飞行参数；其中，所述飞行参数包括状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度、状态调整后的实际飞行姿态、状态调整后的实际飞行攻角和状态调整后的实际机体角速率；

然后，所述动力学模型将状态调整后的实际飞行攻角、状态调整后的实际机体角速率和状态调整后的实际飞行速度输出给所述气动模型；

所述动力学模型将状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度和状态调整后的实际飞行姿态输出给所述控制率模型的三组控制率单元；

所述第1控制率单元的所述第1外环高度控制器比较状态调整后的实际飞行高度和飞行高度设定值之间的偏差，得到飞行姿态设定值，然后，将所述飞行姿态设定值输出给所述内环姿态控制器；所述内环姿态控制器比较飞行姿态设定值和状态调整后的实际飞行姿态之间的偏差，所述内环姿态控制器输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量初值求和，经过限幅器限幅和舵机模型调制后，得到实际舵量值；

另外，所述第2控制率单元的所述第1外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动频率调整量，再将扑动频率调整量和基准扑动频率求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为L1；扑动频率调整量和基准扑动频率的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动频率；

另外，所述第3控制率单元的所述第2外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动幅度调整量，再将扑动幅度调整量和基准扑动幅度求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为F1；扑动幅度调整量和基准扑动幅度的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动幅度；

由此实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，进而保证在进行第1过程的仿真时，保证扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行；

步骤8.2，当进行第2过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到按线性或非线性规律不断减少的基准扑动幅度和基准扑动频率，此处的基准扑动幅度和基准扑动频率即为飞行器实际的扑动幅度和实际扑动频率，然后，气动模型产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率不断减小的扑动到滑翔的过渡过程；

步骤8.3，当进行第3过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中基准扑动幅度和基准扑动频率均为0，产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率均为0的滑翔过程；

步骤8.4，当进行第4过程的仿真时，同时启动控制率模型所包括的三组控制率单元，同时，通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中的基准扑动幅度值和基准扑动频率值分别与第1过程的基准扑动幅度值和基准扑动频率值相等，即：本过程中，基准扑动幅度值为F1；基准扑动频率值为L1；

然后，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，使扑翼飞行器完成滑翔-扑动过渡过程；

步骤8.5，当进行第5过程的仿真时，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，最终实现扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行。

通过本步骤，参考图4，可使飞行器按以下过程飞行：

(1)在外环控制器(即高度、速度保持)的作用下，维持扑翼飞行器在一定高度和速度下正常扑动飞行；

(2)达到设定的时间节点处，进行扑动到滑动的过渡状态；

(3)达到设定的时间节点处，转为滑翔飞行。

进入滑翔阶段后，控制率只通过舵面起稳定姿态的作用，在该阶段，扑翼飞行器会损失一定的高度。此时，扑翼飞行器具有0扑动频率及扑动幅度。

(4)达到设定的时间节点处，由滑翔转为正常扑动飞行。

在短时间的滑翔阶段后，再次通过外环控制器的高度及速度保持作用，使扑翼飞行器恢复到原先的高度及速度。通过改变舵量、扑动频率及扑动幅度来实现该目的。

由此实现了飞行器复合飞行过程。

还包括：

步骤9，在按照复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程进行仿真的过程中，飞行能量消耗计算模型实时接收到每一仿真时刻扑动飞行器的实际扑动频率和实际扑动幅度，从而可计算得到每一仿真时刻扑动飞行器的实际飞行功率；将仿真整个过程的实际飞行功率进行积分运算，得到仿真整个过程的飞行能量消耗；再基于相关执行机构及电池的效率模型，获取最终的能量消耗；

步骤10，通过对仿真整个过程的飞行能量消耗进行分析，并与恒定扑动飞行情况做对比，评价扑翼飞行器的复合飞行能力。

实际应用中，也可采用以下评定指标：以飞行相同距离的能量消耗，以及相同时间内的前飞距离作为不同飞行策略的评价指标。以滑翔(或相关飞行状态)阶段高度下降的速率，以及滑翔阶段后恢复正常扑动飞行时初始高度和速度的时间作为扑翼飞行器复合飞行能力的判定指标。

常规扑翼飞行器，假定其始终以恒定的扑动频率及扑动幅度进行飞行，功率的输入几乎为一定值。对于采取复合飞行策略的扑翼飞行器来说，涉及到功率几乎减为0的滑翔阶段以及滑翔结束后短时间功率增加较大的爬升阶段。通过分析比较两种飞行策略的能量消耗，以及，比较相同时间内前飞距离等指标，对该扑翼飞行器复合飞行的潜力和能力进行初步判定。

在关于扑翼飞行器的研究领域中，往往认定扑翼飞行器以恒定速度进行飞行，而不考虑类似鸟类的扑动-滑翔等复合飞行策略，这导致的结果是，可能忽略掉了一种较为节省能量的飞行方式。因此，研究扑翼飞行器的复合飞行策略，对于提高飞行效率及节省能量等方面具有较高的意义。

本发明提供的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，仿真技术人员可以根据各部分的数学模型，通过搭建Matlab/Simulink仿真，对扑翼飞行器的复合飞行能力进行初步判定，为实际的工程改进提供一定的理论支持。本发明在微小型扑翼飞行器仿真的技术领域内具有广泛的实用价值和应用前景。另外，本发明提供的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，可使飞行器实现类似鸟类的扑动-滑翔复合飞行状态，所建立的扑翼飞行器仿真模型的仿真度高，更有利于精确的研究扑翼飞行器飞行性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取被研究的扑翼飞行器的基本参数，包括：参考面积、飞行器质量以及飞行器转动惯量；

步骤2，对扑翼飞行器进行风洞实验，基于风洞实验数据以及扑翼飞行器的基本参数，建立气动模型；其中，所建立的气动模型为多输入多输出系统，其输入变量包括实际飞行速度、实际扑动幅度、实际扑动频率、实际飞行攻角、实际机体角速率、实际舵量、参考面积和空气密度；其输出变量为作用在全机的力及力矩；

步骤3，基于刚体六自由度模型方程，对扑翼飞行器的动力学进行数学建模，得到动力学模型；其中，所述动力学模型为多输入多输出系统，其输入变量包括作用在全机的力及力矩、飞行器质量以及飞行器转动惯量；其输出变量包括实际飞行速度、实际飞行高度、实际飞行姿态、实际飞行攻角和实际机体角速率；

步骤4，建立复合飞行规划模块；所述复合飞行规划模块用于对复合飞行过程进行描述；

其中，对所述复合飞行过程进行描述具体指：对扑动-滑翔过渡过程、滑翔过程、滑翔-扑动过渡过程的各个不同时间节点的基准扑动幅度值和基准扑动频率值进行规划设计，从而使扑翼飞行器进行扑动-滑翔-扑动的复合飞行过程；

步骤5，基于风洞试验数据，通过二维线性插值，建立飞行功率与扑动频率、扑动幅度的关系，得到飞行能量消耗计算模型；

步骤6，建立控制率模型；

步骤7，根据所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型之间的逻辑关系，将所述气动模型、所述动力学模型、所述复合飞行规划模块、所述飞行能量消耗计算模型和所述控制率模型进行相互连接并整理，搭建得到最终的仿真模型。

2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，其特征在于，步骤4中，所述复合飞行规划模块对所述复合飞行过程进行描述具体指：

第1过程：正常扑动飞行过程：给出扑动飞行过程的起始时间节点t0和结束时间节点t1，给出起始时间节点t0到结束时间节点t1之间的基准扑动频率和基准扑动幅度，在本过程中，设基准扑动频率的给定值为L1，基准扑动幅度的给定值为F1；

第2过程：扑动到滑翔的过渡过程：扑-滑过渡的起始时间即为t1，给出扑-滑过渡的结束时间t1+△t1；在扑-滑过渡过程△t1时间长度中，使基准扑动幅度从F1按一定的变化规律向0趋近；使基准扑动频率从L1按一定的变化规律向0趋近；

第3过程：滑翔过程：滑翔过程的起始时间即为t1+△t1，给出滑翔过程的结束时间t1+△t1+t2；在滑翔过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值均为0；

第4过程：滑翔到扑动的过渡过程，滑-扑过渡过程的起始时间即为t1+△t1+t2，给出滑-扑过渡过程的结束时间t1+△t1+t2+△t2+△t3；在滑-扑过渡过程，使基准扑动幅度和基准扑动频率的给定值分别恒定为F1和L1；

第5过程：恢复到第1过程的扑动飞行过程。

3.根据权利要求2所述的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，其特征在于，还包括：

步骤8，按照所述复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程，进行仿真；仿真过程为：

步骤8.1，当进行第1过程的仿真时，控制率模型同时启动三组控制率单元，即：第1控制率单元包括串联的第1外环高度控制器、内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型；第2控制率单元为串联的第1外环速度控制器、扑动频率求和单元、速率改变限制器以及限幅器；第3控制率单元为串联的第2外环速度控制器、扑动幅度求和单元、速率改变限制器以及限幅器；通过所述第1控制率单元、所述第2控制率单元和所述第3控制率单元的作用，使所述控制率模型输出当前时刻的实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值；

所述实际舵量值、实际扑动频率值和实际扑动幅度值输入到所述气动模型，同时，所述气动模型接收所述动力学模型输出的实际飞行速度、实际飞行攻角和实际机体角速率；所述气动模型输出作用于全机的力和力矩；

所述气动模型输出的作用于全机的力和力矩输出给所述动力学模型；所述动力学模型同时读取到飞行器质量和飞行器转动惯量，所述动力学模型计算得到当所述力和力矩作用于全机时，状态发生改变后的扑翼飞行器的飞行参数；其中，所述飞行参数包括状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度、状态调整后的实际飞行姿态、状态调整后的实际飞行攻角和状态调整后的实际机体角速率；

然后，所述动力学模型将状态调整后的实际飞行攻角、状态调整后的实际机体角速率和状态调整后的实际飞行速度输出给所述气动模型；

所述动力学模型将状态调整后的实际飞行速度、状态调整后的实际飞行高度和状态调整后的实际飞行姿态输出给所述控制率模型的三组控制率单元；

所述第1控制率单元的所述第1外环高度控制器比较状态调整后的实际飞行高度和飞行高度设定值之间的偏差，得到飞行姿态设定值，然后，将所述飞行姿态设定值输出给所述内环姿态控制器；所述内环姿态控制器比较飞行姿态设定值和状态调整后的实际飞行姿态之间的偏差，所述内环姿态控制器输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量初值求和，经过限幅器限幅和舵机模型调制后，得到实际舵量值；

另外，所述第2控制率单元的所述第1外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动频率调整量，再将扑动频率调整量和基准扑动频率求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为L1；扑动频率调整量和基准扑动频率的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动频率；

另外，所述第3控制率单元的所述第2外环速度控制器比较状态调整后的实际飞行速度和飞行速度设定值之间的偏差，得到扑动幅度调整量，再将扑动幅度调整量和基准扑动幅度求和，此处的基准扑动频率的值即来自于复合飞行规划模块，基准扑动频率的值在本过程值为F1；扑动幅度调整量和基准扑动幅度的和值输出给速率改变限制器后，再输入到限幅器，经限幅器作用后，得到用于输出给气动模型的实际扑动幅度；

由此实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，进而保证在进行第1过程的仿真时，保证扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行；

步骤8.2，当进行第2过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到按线性或非线性规律不断减少的基准扑动幅度和基准扑动频率，此处的基准扑动幅度和基准扑动频率即为飞行器实际的扑动幅度和实际扑动频率，然后，气动模型产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率不断减小的扑动到滑翔的过渡过程；

步骤8.3，当进行第3过程的仿真时，将第1过程中所采用的外环控制率去除，即：去除控制率模型的第2控制率单元和第3控制率单元，去除第1控制率单元的第1外环高度控制器，仅保留第1控制率单元的内环姿态控制器、舵量求和单元、限幅器以及舵机模型，内环姿态控制器接收比较飞行姿态设定值和真实飞行姿态之间的偏差，输出舵量调整量，再将舵量调整量和已知的配平舵量给定值求和，经过限幅器限幅和舵机模型作用后，得到实际舵量值，实际舵量值又输入到气动模型，由此实现飞行器俯仰姿态的保持；同时，所述气动模型通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中基准扑动幅度和基准扑动频率均为0，产生作用于全机的力和力矩，再将作用于全机的力和力矩输出给动力学模型，由此实现飞行器姿态保持下，进行实际扑动幅度和实际扑动频率均为0的滑翔过程；

步骤8.4，当进行第4过程的仿真时，同时启动控制率模型所包括的三组控制率单元，同时，通过读取所述复合飞行规划模块，读取到本过程中的基准扑动幅度值和基准扑动频率值分别与第1过程的基准扑动幅度值和基准扑动频率值相等，即：本过程中，基准扑动幅度值为F1；基准扑动频率值为L1；

然后，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，使扑翼飞行器完成滑翔-扑动过渡过程；

步骤8.5，当进行第5过程的仿真时，按照步骤8.1的闭环反馈结构，实现了控制率模型、气动模型和动力学模型的闭环反馈，最终实现扑翼飞行器按飞行速度设定值和飞行高度设定值进行定高定速飞行。

4.根据权利要求3所述的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，其特征在于，还包括：

步骤9，在按照复合飞行规划模块所建立的复合飞行过程进行仿真的过程中，飞行能量消耗计算模型实时接收到每一仿真时刻扑动飞行器的实际扑动频率和实际扑动幅度，从而可计算得到每一仿真时刻扑动飞行器的实际飞行功率；将仿真整个过程的实际飞行功率进行积分运算，得到仿真整个过程的飞行能量消耗；再基于相关执行机构及电池的效率模型，获取最终的能量消耗；

步骤10，通过对仿真整个过程的飞行能量消耗进行分析，并与恒定扑动飞行情况做对比，评价扑翼飞行器的复合飞行能力。

5.根据权利要求4所述的扑翼飞行器复合飞行策略仿真建模方法，其特征在于，步骤10具体为：

以飞行相同距离的能量消耗，以及相同时间内的前飞距离作为不同飞行策略的评价指标；以滑翔阶段高度下降的速率，以及滑翔阶段后恢复正常扑动飞行时初始高度和速度的时间作为扑翼飞行器复合飞行能力的判定指标。