CN110703788A - 一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法及其实现 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法及其实现，包括微型扑翼飞行器纵向和横向增稳控制原理及其在微型双扑翼飞行器和微型四扑翼飞行器上的具体应用。微型扑翼飞行器的增稳控制为内外两层负反馈控制，外层将纵向姿态角误差转换为纵向角速度期望值，内层求得纵向角速度误差并输出控制信号驱动控制机构产生控制力矩实现对飞行器的纵向飞行姿态，之后新的角速度、姿态角分别向前传递完成控制反馈回路。本发明介绍的微型扑翼飞行器的增稳控制原理简单可靠，实现了动不稳定微型扑翼飞行器的增稳飞行。
Description
技术领域
本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法及其实现。
背景技术
自20世纪90年代中期以来，随着传统飞行器设计技术的不断提高和微电子技术的不断 成熟，微型飞行器(Micro-air-vehicle，简称MAV)被提出并快速发展。微型飞行器具有 体积小、重量轻、机动性高等特征，其在侦察、通讯、勘探、协助救援等军事、民用领域均有广泛应用前景。其中，微型扑翼飞行器具有仿生外形，借鉴生物飞行原理，机动性强，具有微型化发展的潜在优势，因此获得了快速发展。
传统的微型扑翼飞行器模仿自然界中的蜂类及蝇类等生物，通常包含两个扑翼，通过传 动机构同时驱动两个扑翼做周期性的往复拍动运动产生高升力平衡重力并产生控制力和力矩 实现机动飞行。经过近二十多年的研究，微型扑翼飞行器高升力产生问题已经得到解决，相 关研究的重点转向飞行控制。同自然界中的昆虫及蜂鸟，微型扑翼飞行器多为动不稳定系统， 即飞行器运动受到扰动后不能恢复原本平衡状态，受到扰动时会迅速偏离其平衡状态，因此 开展微型扑翼飞行器控制设计必须对飞行器进行增稳控制。
发明内容
本发明为解决微型扑翼飞行器的增稳控制问题，提出了一种微型扑翼飞行器增稳控制方 法，分别对纵向和横向进行增稳控制，并据此提出了微型飞行器增稳控制的具体实现方法， 以最终形成微型扑翼飞行器增稳控制方法。
本发明一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法，其增稳控制为负反馈控制，包括姿态角外 环及姿态角速度内环两层，纵向与横向增稳控制解耦。假定飞行器在稳定状态下受到某方向 运动扰动，记飞行器增稳控制前原有稳定状态的运动姿态角为姿态角期望值，而机载传感器 测量得到当前飞行器的实际姿态角，记为姿态角测量值，姿态角测量值与姿态角期望值之差， 即姿态角误差作为外环反馈变量；之后，通过PID控制由姿态角误差得到内环角速度期望值， 与飞行器机载传感器获得的当前时刻实际角速度测量值作差得到角速度误差，然后将角速度 误差通过PID环节，得到控制期望指令，控制期望指令经过混控矩阵后变为控制系统的控制 执行信号(如电机转速、舵偏值)。控制机构接受控制信号后产生相应舵偏，产生相应的控制 力和力矩改变飞行器角加速度、角速度、姿态角等运动状态；改变后角速度测量值向前传递 完成内环反馈，姿态角测量值向前传递完成外环反馈；反复进行内外循环，直至姿态角测量 值达到期望值，飞行器恢复最初的稳定状态完成增稳，至此，飞行器增稳控制流程结束。纵 向增稳和横向增稳过程基本一致，差别在于纵向增稳时控制信号驱动控制机构作用使飞行产 生俯仰力矩改变纵向运动参数，而横向增稳时是控制信号驱动控制机构作用使飞行产生滚转 力矩改变横向运动参数。
本发明一种微型扑翼飞行器增稳控制方法可应用于微型双扑翼飞行器和微型四扑翼飞行 器，这些飞行器应包括扑翼、动力系统、传动机构和控制系统。动力系统由电机和电池组成； 传动机构由翼拍动及俯仰运动实现机构组成，典型的传动机构有齿轮传动、电磁传动及压电 传动；控制系统由控制飞行器翼运动状态变化的舵机及与之配合的执行机构、测量飞行器运 动姿态参数的各类传感器和负责核心运算的CPU组成。实际控制系统中，飞行器的纵向或横 向姿态角和角加速度由加速度计测量，飞行器的纵向或横向姿态角速度由陀螺仪测量，控制 回路中姿态角误差经过外环PID变成内环角速度期望值，角速度误差经过内环PID变为控 制期望指令，控制期望指令通过混控矩阵后变为控制执行信号。飞行器控制机构收到控制信 号后可驱动舵机改变飞行器扑翼攻角或控制电机转速等变化，从而产生俯仰、滚转力矩，驱 动飞行器的飞行姿态发生变化。
本发明一种微型扑翼飞行器增稳控制方法在微型双扑翼飞行器中应用时，飞控板发出控 制信号后通过驱动位于翼根的圆周舵机和两个直线舵机运动实现左、右扑翼攻角的变化以产 生变化的气动力矩实现姿态控制，其中圆周舵机通过牵动翼根梁的位置改变左右翼的攻角， 使各瞬时左右翼攻角大小产生差别，在同一下拍和上拍过程中一侧扑翼攻角始终大一侧扑翼 攻角小，使左右两侧的升力产生差别进而在两翼上产生滚转力矩，两个直线舵机通过牵动翼 根梁的位置，左右翼攻角发生相同的改变，但上下拍阶段的攻角大小有所差别，从而使上拍 阶段阻力与下拍阶段的阻力有所差别，水平方向的阻力不为0，然后由于气动力与重心在竖 直方向有一定距离，气动阻力产生绕重心的俯仰力矩。
本发明一种微型扑翼飞行器增稳控制方法在微型四扑翼飞行器中应用时，四个扑翼两两 为一对，分别由两个旋转电机驱动；飞控板发出控制信号后通过驱动圆周舵机运动和改变两 个电机的转速实现变化的气动力矩实现姿态控制，其中圆周舵机带动两对扑翼的拍动机构整 体同步向前或向后运动，使升力的作用点偏离横向对称平面从而产生俯仰力矩，调整两个电 机的转速实现两对扑翼拍动频率的变化，从而改变两对扑翼产生升力的大小，产生滚转力矩。
本发明的优点在于：
(1)一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法，控制面又是升力和推力产生的气动面，控制 舵效强。
(2)一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法，实时增稳，解决了飞行器的动不稳定性带来 的飞行控制问题。
(3)应用一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法的微型双扑翼飞行器和微型四扑翼飞行 器，无需借助尾舵即可实现增稳控制，结构简单，更加贴合微型飞行器结构紧凑、体积小的 设计需求。
附图说明
图1是一种微型扑翼飞行器增稳控制流程示意图；
图2是应用一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法的微型双扑翼飞行器；
图3是应用一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法的微型四扑翼飞行器。
图中：
1-动力系统 2-传动机构 3-扑翼
4-控制系统 5-扑翼系统 6-扑翼系统a
101-电机 102-电池 301-翼膜
302-翼根梁 401-圆周舵机 402-直线舵机
403-飞控板 107-右摇臂安装孔
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
如图1所示，本发明一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法，其增稳控制为负反馈控制， 包括姿态角外环及姿态角速度内环两层，纵向与横向增稳控制解耦。假定飞行器在稳定状态 下受到某方向运动扰动，记飞行器增稳控制前原有稳定状态的运动姿态角为姿态角期望值， 而机载传感器测量得到当前飞行器的实际姿态角，记为姿态角测量值，姿态角测量值与姿态 角期望值之差，即姿态角误差作为外环反馈变量；之后，通过PID控制由姿态角误差得到内 环角速度期望值，与飞行器机载传感器获得的当前时刻实际角速度测量值作差得到角速度误 差，然后将角速度误差通过PID环节，得到控制期望指令，控制期望指令经过混控矩阵后变 为控制系统的控制执行信号(如电机转速、舵偏值)。控制机构接受控制信号后产生相应舵偏， 产生相应的控制力和力矩改变飞行器角加速度、角速度、姿态角等运动状态；改变后角速度 测量值向前传递完成内环反馈，姿态角测量值向前传递完成外环反馈；反复进行内外循环， 直至姿态角测量值达到期望值，飞行器恢复最初的稳定状态完成增稳，至此，飞行器增稳控 制流程结束。纵向增稳和横向增稳过程基本一致，差别在于纵向增稳时控制信号驱动控制机 构作用使飞行产生俯仰力矩改变纵向运动参数，而横向增稳时是控制信号驱动控制机构作用 使飞行产生滚转力矩改变横向运动参数。
下面结合两个具体应用实例对本发明一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法在微型飞行器 上的实现进行说明。
具体实施例1：
如图3所示，应用一种微型扑翼飞行器增稳控制方法的微型双扑翼飞行器包括动力系统 1、传动机构2、扑翼3、控制系统4。传动机构2在电机101运转时可带动扑翼3做往复拍动运动以产生高升力。控制系统4包括在翼根梁302翼根中部布置的一个圆周舵机401 和在翼根梁302底部布置的两个直线舵机402，圆周舵机401为飞行器的滚转舵，两个直 线舵机402为飞行器的俯仰舵。圆周舵机401舵机臂同时连接左右翼根梁302，舵机臂转 动时一侧翼根梁302被拉向内侧，翼面张紧，另一侧翼根梁302被推向外侧，翼面松弛， 这使得翼拍动过程中，张紧的翼攻角增大，而松弛的翼攻角减小，张紧翼上平均升力大于松 弛翼，从而产生滚转力矩；两个直线舵机402分别连接左右两翼根梁302底部，带动翼根 梁302同时向前(或向后)移动相同的距离，使得左右扑翼3的攻角发生相同的变化但两翼 上下拍阶段的攻角有所差别，从而使上下拍过程中的阻力大小发生变化从而产生俯仰力矩。 电池102和飞控板403可根据重心要求安装在机身任意位置。在整个控制流程中，飞行器 的姿态信息由飞控板403中的传感器测量，其上的加速度计负责测量飞行器姿态角信息，陀 螺仪负责测量飞行器角速度信息。
飞行器受纵向运动扰动后进行增稳控制的具体控制流程如下：当飞行器在平衡状态下受 到纵向运动扰动偏离平衡状态，首先加速度计测得飞行器实时的纵向姿态角，与飞行器平衡 状态下的姿态角期望值作差得到纵向姿态角误差；之后飞控板403根据该误差值通过PID控 制算出修正姿态角所需的纵向角速度期望值，与陀螺仪测量得到的纵向角速度测量值作差得 到纵向角速度误差，纵向角速度误差后经过内环PID得到控制期望指令，控制期望指令通过 混控矩阵后得到控制执行指令，控制指令指令输入给控制执行部件，算出消除纵向角速度误 差所需控制机构4的舵偏量——即两个直线舵机402的舵机臂位移量，并驱动舵机臂移动产 生俯仰力矩，使飞行器的纵向角速度、纵向姿态角发生改变，完成一次姿态的修正。改变后 飞行器新的纵向角速度将会由陀螺仪测出，并传递给飞控板403检测是否达到预期的纵向角 速度，若不满足则继续计算出新的俯仰舵偏进行修正，完成内环控制；之后，飞行器新的纵 向姿态角信息由加速度计测出，并传递给飞控板403检测是否达到预期的纵向姿态角，若不 满足则继续下一轮增稳控制。
飞行器受横向运动扰动后进行增稳控制的具体控制流程如下：当飞行器在平衡状态下受 到横向运动扰动偏离平衡状态，首先加速度计测得飞行器实时的横向姿态角，与飞行器平衡 状态下的姿态角期望值作差得到横向姿态角误差；之后飞控板403根据该误差值通过PID控 制算出修正姿态角所需的横向角速度期望值，与陀螺仪测量得到的横向角速度测量值作差得 到横向角速度误差，据此算出消除横向角速度误差所需控制机构4的舵偏量——即圆周舵机 臂401转动角度，并驱动舵机臂移动产生俯仰力矩，使飞行器的横向角速度、横向姿态角发 生改变，完成一次姿态的修正。改变后飞行器新的横向角速度将会由陀螺仪测出，并传递给 飞控板403检测是否达到预期的横向角速度，若不满足则继续计算出新的滚转舵偏进行修正； 另一方面，飞行器新的横向姿态角信息由加速度计测出，并传递给飞控板403检测是否达到 预期的横向姿态角，若不满足则继续下一轮增稳控制。
具体实施例2：
如图3所示，应用一种微型扑翼飞行器的增稳控制方法的微型四扑翼飞行器包括扑翼系 统5、扑翼系统a6、控制系统4和动力系统1。扑翼系统5和扑翼系统a6均为完整的一套 扑翼系统，包括独立的电机101、传动机构2和扑翼3，各自的电机101运转驱动传动机构2进而带动扑翼3往复拍动运动以产生高升力。控制系统4由圆周舵机401、飞控板403组 成，其将左右两对扑翼系统连接为一个整体，同时圆周舵机401可通过舵机臂驱动扑翼系统 5和a6；在整个控制流程中，飞行器的姿态信息由飞控板403中的传感器测量，其中的加 速度计负责测量飞行器姿态角信息，陀螺仪负责测量飞行器角速度信息。飞控板403发出控 制信号后通过驱动圆周舵机401运动和改变两个电机101的转速实现扑翼3姿态变化以产 生变化的气动力矩实现姿态控制，其中圆周舵机401带动两对扑翼系统5和a6整体同步向 前或向后运动，使升力的作用点偏离横向对称平面从而产生俯仰力矩，调整两个电机101的转速实现两对扑翼拍动频率的变化，从而改变两对扑翼产生升力的大小，产生滚转力矩。
微型四扑翼飞行器受纵向和横向运动扰动后进行增稳控制的具体控制流程与微型双扑翼 飞行器基本相同，不同之处在于控制信号驱动下的控制动作和舵偏不同，具体为：微型四扑 翼飞行器纵向增稳过程中控制信号驱动控制系统4的圆周舵机402舵机臂转动产生俯仰力 矩，横向增稳过程中差动改变两对翼电机101转速产生滚转力矩。
Claims (5)
1.一种微型扑翼飞行器增稳控制方法的控制原理，其特征在于，增稳控制为负反馈控制，包括外环姿态角及内环姿态角速度控制两层，纵向与横向增稳控制解耦；
所述外环姿态角控制，其特征在于，利用姿态角期望值和姿态角测量值求得姿态角误差，通过PID控制环节将该误差转换为角速度期望值，姿态角测量值由传感器返回形成外环反馈回路；
所述内环角速度控制，其特征在于，利用角速度期望值和角速度测量值求得姿态角速度误差，然后将角速度误差通过PID环节，得到控制期望指令，控制期望指令经过混控矩阵后变为控制系统的控制执行信号(如电机转速、舵偏值)，角速度测量值由传感器返回形成内环反馈回路。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，传感器包括加速度计和陀螺仪，加速度计负责测量飞行器姿态角信息，陀螺仪负责测量飞行器角速度信息。
3.如权利要求1所述一种微型扑翼飞行器增稳控制方法，其特征在于，应用该方法的微型扑翼飞行器包括扑翼、动力系统、传动机构和控制系统，动力系统由电机和电池组成，传动机构由翼拍动及俯仰运动实现机构组成，控制系统由控制飞行器翼运动状态变化的舵机及与之配合的执行机构、测量飞行器运动姿态参数的各类传感器和负责核心运算的CPU组成；飞行器控制机构收到控制信号后驱动舵机改变飞行器扑翼攻角或控制电机转速等变化，从而产生俯仰、滚转力矩，驱动飞行器的飞行姿态发生变化。
4.如权利要求1所述一种微型双扑翼飞行器增稳控制方法，其特征在于，该方法应用在微型双扑翼飞行器上进行增稳控制时，飞控板发出控制信号后通过驱动位于翼根的圆周舵机和两个直线舵机运动实现左、右扑翼攻角的变化以产生变化的气动力矩实现姿态控制，其中圆周舵机通过牵动翼根梁的位置改变左右翼的攻角，使各瞬时左右翼攻角大小产生差别，在同一下拍或上拍过程中一侧扑翼攻角大一侧扑翼攻角小，使左右两侧的升力产生差别进而在两翼上产生滚转力矩，两个直线舵机通过牵动翼根梁的位置，使左右翼攻角发生相同的改变，但上下拍阶段的攻角大小有所差别，从而使上拍阶段阻力与下拍阶段的阻力有所差别从而最终产生绕重心的俯仰力矩。
5.如权利要求1所述一种微型双扑翼飞行器增稳控制方法，其特征在于，该方法应用在微型四扑翼飞行器上时，四个扑翼两两为一对，分别由两个旋转电机驱动；飞控板发出控制信号后通过驱动圆周舵机运动和改变两个电机的转速实现变化的气动力矩实现姿态控制，其中圆周舵机带动两对扑翼的拍动机构整体同步向前或向后运动，使升力的作用点偏离横向对称平面从而产生俯仰力矩，调整两个电机的转速实现两对扑翼拍动频率的变化，从而改变两对扑翼产生升力的大小，产生滚转力矩。
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