CN112061390B - 仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置及控制方法，涉及扑翼飞行机器人技术领域。本发明是为了解决现有的仿生蝙蝠扑翼飞行器体积大、集成度低，不能对仿生蝙蝠扑翼飞行器的飞行姿态进行实时控制与监测的问题。飞行数据采集模块用于实时采集扑翼机器人的飞行数据；机载微控制器用于解析所述飞行数据得到飞行状态，输出四路PWM控制信号，还用于接收机载无线通信模块发送的调节命令，输出四路PWM调节信号；PWM直流电机控制模块用于根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置，还用于根据四路PWM调节信号的命令调整扑翼机器人四肢步态位置；地面测控装置用于用于通过机载无线通信模块向机载微控制器发送调节命令。它用于控制扑翼机器人的飞行。
Description
技术领域
本发明涉及控制仿蝙蝠扑翼机器人飞行。属于扑翼飞行机器人技术领域。
背景技术
仿蝙蝠扑翼飞行器归属于扑翼飞行机器人大类，仅依靠翅膀的扑动即可实现飞行功能。仿生扑翼飞行是通过模仿生物鸟类与昆虫类扑动翅膀而实现飞行的一种飞行方式，该方式区别与传统的旋翼式与固定翼式的飞行方式，其突出特点即为通过规律性地拍动翅膀即可产生飞行所需要的升力与推力。自然界中，蝙蝠飞行效果优于同体积鸟类，可高机动和悬停飞行。相对于仿生鸟类的不可收拢的翅膀和与翅膀结构分离的尾部的特征，仿生蝙蝠机器人则通过调整可收拢展开的翅膀与腿部共同构成三维扑翼面，通过调整四肢的姿态便可产生俯仰、偏航与滚转力矩，实现飞行姿态的改变与维持自身飞行的平衡性。目前对仿生蝙蝠扑翼飞行器研究很少，现有的仿生蝙蝠扑翼飞行器均体积大、集成度低，缺少完备的全闭环、高精度的飞行控制系统，其六轴惯性测量单元存在偏航角度时间漂移，没有地面测控系统对机器人进行实时控制与监测，没有图像回传功能等缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有的仿生蝙蝠扑翼飞行器体积大、集成度低，不能对仿生蝙蝠扑翼飞行器的飞行姿态进行实时控制与监测的问题。现提供仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置及控制方法。
仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，所述装置包括机载控制装置和地面测控装置，
机载控制装置包括飞行数据采集模块、机载微控制器、PWM直流电机控制模块和机载无线通信模块，
飞行数据采集模块，与机载微控制器连接，用于实时采集扑翼机器人的飞行数据，将飞行数据发送至机载微控制器；
机载微控制器，同时与PWM直流电机控制模块和机载无线通信模块连接，用于解析所述飞行数据得到飞行状态，将该飞行状态实时发送至机载无线通信模块，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号，至PWM直流电机控制模块，还用于接收机载无线通信模块发送的调节命令，输出四路PWM调节信号至PWM直流电机控制模块；
PWM直流电机控制模块，用于根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置，还用于根据四路PWM调节信号的命令，调整扑翼机器人四肢步态位置；
地面测控装置，通过所述机载无线通信模块连接所述机载微控制器，用于实时接收所述飞行状态数据并进行显示，还用于通过机载无线通信模块向机载微控制器发送调节命令。
优选地，飞行数据采集模块包括九轴惯性导航单元、四路角位移磁编码器、机身气压计和拍动电位计，
九轴惯性导航单元，用于采集扑翼机器人飞行中的九轴数据；
四路角位移磁编码器，用于采集扑翼机器人四肢的收拢与俯仰角度值；
机身气压计，用于捕捉扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值；
所述拍动电位计安装于扑翼机器人翅膀扑动的曲柄轴上，用于测量扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置；
所述飞行数据包括扑翼机器人飞行中的九轴数据、扑翼机器人四肢的收拢与俯仰角度值、扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值和扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置。
优选地，所述九轴惯性导航单元包括三轴陀螺仪、三轴角加速度计和三轴磁力计，三轴陀螺仪，用于测量扑翼机器人的三轴角速度；
三轴角加速度计，用于测量扑翼机器人的三轴加速度；
三轴磁力计，用于测试磁场强度和方向，根据所述磁场强度和方向定位扑翼机器人的三轴方位；
机载微控制器，用于采用四元数互补滤波的姿态算法从所述三轴角速度、三轴加速度和三轴方位中解析得到三轴姿态角度，所述三轴姿态角度包括偏航角、俯仰角与横滚角。
优选地，四路角位移磁编码器包括左前肢角编码器、右前肢角编码器、左后肢角编码器、右后肢角编码器，
左前肢角编码器和右前肢角编码器分别安装于扑翼机器人左翅膀收拢的交叉位置处和扑翼机器人右翅膀收拢的交叉位置处，分别用于测量扑翼机器人左翅膀收拢角度值和扑翼机器人右翅膀收拢角度值；
左后肢角编码器和右后肢角编码器分别安装于扑翼机器人左边尾部俯仰升降的交叉位置处和扑翼机器人右边尾部俯仰升降的交叉位置处，分别用于测量扑翼机器人左边尾部俯仰升降角度值和扑翼机器人右边尾部俯仰升降角度值；
机载微控制器，用于采用三维曲面叶素理论模型和气动力学算法对扑翼机器人16种飞行姿态进行仿真，得到4种四肢步态位置作为预设四肢步态位置，将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号。
优选地，机载微控制器，用于将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号。
优选地，PWM直流电机控制模块包括PWM直流电机控制单元和4个微型直流电机，4个微型直流电机分别位于扑翼机器人左前肢、右前肢、左后肢和右后肢；
PWM直流电机控制单元，用于接收四路PWM控制信号，并按照预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置控制4个微型直流电机工作，还用于接收四路PWM调节信号的命令，调整4个微型直流电机的工作。
优选地，所述地面测控装置包括地面无线通信模块、地面微型控制器、MATLAB串口接口单元和上位机，
地面微型控制器，通过地面无线通信模块与机载无线通信模块通信，用于通过地面无线通信模块接收所述飞行状态，并将上位机发来的调节命令通过地面无线通信模块回传给机载微控制器；
上位机，通过MATLAB串口接口单元与地面微型控制器进行数据通信，用于通过MATLAB串口接口单元接收所述地面微型控制器发送的飞行状态进行显示，并发送调节命令至地面微型控制器。
优选地，所述装置还包括图传发射单元和图像显示设备，
图传发射单元，用于实时拍摄扑翼机器人的四肢步态位置图像；
图像显示设备，与图传发射单元连接，用于接收所述四肢步态位置图像并进行显示。
优选地，所述装置还包括遥控接收机和遥控器，
遥控器通过遥控接收机向机载微控制器发送调节命令。
优选地，所述装置还包括无刷电机驱动单元和微型无刷电机，
机载微控制器，还用于根据飞行状态，输出调速信号至无刷电机驱动单元；
无刷电机驱动单元，与机载微控制器连接，用于接收调速信号控制微型无刷电机的速度和急停动作。
优选地，所述装置还包括二级稳压电源，
所述二级稳压电源包括3.3V稳压电源与5.0V稳压电源，
3.3V稳压电源，用于同时为机载微控制器和4个微型直流电机供电；
5.0V稳压电源，用于同时为图传发射单元和无刷电机驱动单元供电。
仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、实时采集扑翼机器人的飞行数据；
步骤S2、解析所述飞行数据得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号；
步骤S3、根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置；
步骤S4、实时接收所述飞行状态数据并进行显示，并发送调节命令输出四路PWM调节信号，调整扑翼机器人四肢步态位置。
优选地，步骤S1中，飞行数据包括扑翼机器人的三轴角速度、三轴加速度和三轴方位、四肢的收拢与俯仰角度值、扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值和扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置。
优选地，步骤S2中，解析所述飞行数据得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号的具体过程为：
步骤S21、采用四元数互补滤波的姿态算法从所述三轴角速度、三轴加速度和三轴方位中解析得到三轴姿态角度，所述三轴姿态角度包括偏航角、俯仰角与横滚角；
步骤S22、采用飞行控制算法从所述三轴姿态角度、所述四肢的收拢与俯仰角度值、所述海拔高度值和翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置中解析得到飞行状态；
步骤S23、用于采用三维曲面叶素理论模型和气动力学算法对扑翼机器人16种飞行姿态进行仿真，得到4种四肢步态位置作为预设四肢步态位置，将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号。
优选地，步骤S3中，根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置的具体过程为：
四路PWM控制信号，并按照预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置控制扑翼机器人四肢步态位置。
优选地，步骤S23中，预设四肢步态位置包括向右侧飞行、向左侧飞行、俯冲向下飞行和仰首向上飞行，
向右侧飞行的四肢步态位置为左前肢伸展、右前肢收缩、左腿下降和右腿上抬；
向左侧飞行的四肢步态位置为左前肢收缩、右前肢伸展、左腿上抬和右腿下降；
俯冲向下飞行的四肢步态位置为左前肢收缩、右前肢收缩、左腿下降和右腿下降；
仰首向上飞行的四肢步态位置为左前肢伸展、右前肢伸展、左腿上抬和右腿上抬。
本发明的有益效果为：
本申请结合仿生蝙蝠的结构设计嵌入式控制装置，本申请控制装置中的飞行数据采集模块、机载微控制器、PWM直流电机控制模块和机载无线通信模块均集成在一块电路板上，相比现有飞行器体积小、集成度高；另外，本申请既能根据采集的飞行数据自主调节飞行状态与姿态，做到无人操控自主平稳飞行，还能利用地面测控装置实时接收飞行状态进行显示，并对飞行器的四肢状态进行远程控制，做到对飞行器的监测和调控，实现全闭环、高精度控制。
附图说明
图1为本发明所述的仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置的原理示意图；
图2为飞行数据采集模块的组成图；
图3为九轴惯性导航单元和四路角位移磁编码器的组成图；
图4为PWM直流控制模块的组成图；
图5为地面测控装置的组成图；
图6为本发明所述的仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置的整体原理示意图；
图7为四路角位移磁编码器和机载微控制器的安装布置图；
图8为向右侧飞行的四肢收拢展开、俯仰升降的步态示意图；
图9为向左侧飞行的四肢收拢展开、俯仰升降的步态示意图；
图10为俯冲向下飞行的四肢收拢展开、俯仰升降的步态示意图；
图11为仰首向上飞行的四肢收拢展开、俯仰升降的步态示意图；
图12为本发明所述的仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制方法的流程图；
图13为预设四肢步态位置获得过程流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本能够实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实时例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有飞行器的不足，本申请公开了一种基于无线全双工通信的柔性变形翼机器人全闭环、高精度、传感器数据融合误差小、具备实时图传功能的控制装置与具备高机动性的姿态控制方法。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本发明提供的仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，用于控制扑翼机器人的飞行姿态，如图1所示，所述装置包括机载控制装置和地面测控装置5，
机载控制装置包括飞行数据采集模块2、机载微控制器1、PWM直流电机控制模块3和机载无线通信模块4，
飞行数据采集模块2，与机载微控制器1连接，用于实时采集扑翼机器人的飞行数据，将飞行数据发送至机载微控制器1；
机载微控制器1，同时与PWM直流电机控制模块3和机载无线通信模块4连接，用于解析所述飞行数据得到飞行状态，将该飞行状态实时发送至机载无线通信模块4，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号，至PWM直流电机控制模块3，还用于接收机载无线通信模块4发送的调节命令，输出四路PWM调节信号至PWM直流电机控制模块3；
PWM直流电机控制模块3，用于根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置，还用于根据四路PWM调节信号的命令，调整扑翼机器人四肢步态位置；
地面测控装置5，通过所述机载无线通信模块4连接所述机载微控制器1，用于实时接收所述飞行状态数据并进行显示，还用于通过机载无线通信模块4向机载微控制器1发送调节命令。
具体地，机载微控制器12采用ARM-M3系列的STM32F103RCT6。
机载无线通信模块4为2.4G机载无线通信模块。
本申请既能实现自主姿态控制，又能实现远程姿态控制；
自主姿态控制为：机载微控制器12根据当前的飞行数据确定飞行状态与姿态，通过调整四肢当前状态使机器人达到目标姿态进而实现飞行过程中的姿态控制；
远程姿态控制为：通过地面测控装置接收飞行数据，并对飞行中的机器人进行远程调控，可发送指令调控机器人的四肢状态，实现飞行姿态的远程控制。
本发明的一种较优实施例中，如图2所示，飞行数据采集模块2包括九轴惯性导航单元2-1、四路角位移磁编码器2-2、机身气压计2-3和拍动电位计2-4，
九轴惯性导航单元2-1，用于采集扑翼机器人飞行中的九轴数据；
四路角位移磁编码器2-2，用于采集扑翼机器人四肢的收拢与俯仰角度值；
机身气压计2-3，用于捕捉扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值；
所述拍动电位计2-4安装于扑翼机器人翅膀扑动的曲柄轴上，用于测量扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置；
所述飞行数据包括扑翼机器人飞行中的九轴数据、扑翼机器人四肢的收拢与俯仰角度值、扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值和扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置。
具体地，四路磁编码器是SPI总线在菊花链连接模式下的四路角位移磁编码器，
九轴惯性导航单元采集机器人飞行中的九轴数据，并将九轴数据传输给机载微控制器，机身气压计采集飞行时的气压信号并将数据传输给机载微控制器，四路角位移磁编码器采集四肢的收拢与俯仰角度，并将数据发送给机载微控制器，拍动电位计测得翅膀扑动的频率与位置并将信号发送给机载微控制器。九轴惯性导航通过姿态结算得到更加准确误差小、稳定无时漂的三轴姿态角度，为机器人姿态控制提供准确的反馈；可在飞行时感知四肢收拢角度，为机器人姿态控制提供闭环反馈量。
本发明的一种较优实施例中，如图3和图7所示，所述九轴惯性导航单元2-1包括三轴陀螺仪、三轴角加速度计2-1-2和三轴磁力计2-1-3，
三轴陀螺仪2-1-1，用于测量扑翼机器人的三轴角速度；
三轴角加速度计2-1-2，用于测量扑翼机器人的三轴加速度；
三轴磁力计2-1-3，用于测试磁场强度和方向，根据所述磁场强度和方向定位扑翼机器人的三轴方位；
机载微控制器1，用于采用四元数互补滤波的姿态算法从所述三轴角速度、三轴加速度和三轴方位中解析得到三轴姿态角度，所述三轴姿态角度包括偏航角、俯仰角与横滚角。
具体地，机载微型控制器1得到飞行时的数据后，对九轴数据进行基于四元数互补滤波的姿态解算，得到稳定准确的三轴姿态角度，提高了控制系统的测量反馈精度。
本发明的一种较优实施例中，如图3所示，四路角位移磁编码器2-2包括左前肢角编码器2-2-1、右前肢角编码器2-2-2、左后肢角编码器2-2-3、右后肢角编码器2-2-4，
左前肢角编码器2-2-1和右前肢角编码器2-2-2分别安装于扑翼机器人左翅膀收拢的交叉位置处和扑翼机器人右翅膀收拢的交叉位置处，分别用于测量扑翼机器人左翅膀收拢角度值和扑翼机器人右翅膀收拢角度值；
左后肢角编码器2-2-3和右后肢角编码器2-2-4分别安装于扑翼机器人左边尾部俯仰升降的交叉位置处和扑翼机器人右边尾部俯仰升降的交叉位置处，分别用于测量扑翼机器人左边尾部俯仰升降角度值和扑翼机器人右边尾部俯仰升降角度值；
机载微控制器1，用于采用飞行控制算法从所述三轴姿态角度、所述四肢的收拢与俯仰角度值、所述海拔高度值和翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置中解析得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号。
具体地，本申请根据飞行状态控制机器人的四肢状态，实现自主控制飞行。
本发明的一种较优实施例中，机载微控制器1，用于采用三维曲面叶素理论模型和气动力学算法对扑翼机器人16种飞行姿态进行仿真，得到4种四肢步态位置作为预设四肢步态位置，将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号。
具体地，机载微控制器1融合前肢可收拢展开、尾部俯仰升降的三维曲面扑动翼面的气动力学算法，由该算法筛选出在飞行过程中无耦合的正负俯仰力矩、正负偏航力矩这四种步态，作为控制系统的预设步态。当机载控制器接收控制信号并感知当前三轴姿态角与四肢收拢情况，输出一种预设步态，实现飞行控制。通过该预设四肢步态位置能够更好的控制机器人飞行，飞行精度更高。图13为该算法的流程图。所述气动力学算法内包括翼膜形状函数、简化三维曲面、叶素理论、条带扑动力学、二次积分、六维力矩和柔性扑动规律。
该算法的具体过程为：对仿蝙蝠扑翼机器人的柔性薄膜翼的扑动气动力学所产生的升力与推力进行研究，分析扑翼飞行的迎角、频率、扑动幅度、柔性变形量对飞行性能参数的影响。同时在考虑两前肢伸缩与两腿部的升降动作对推力、升力以及可以改变飞行姿态的力矩的影响，合理分配前肢与腿部的动作，实现高机动的飞行姿态变换。对飞行过程中的16种四肢动作对飞行力矩的影响进行计算与仿真，筛选出高效高机动和无耦合的四种四肢步态，分别为向右侧飞行、向左侧飞行、俯冲向下飞行和俯冲向下飞行，这四种飞行步态可产生实现这种姿态的最大姿态力矩，最小的耦合力矩。筛选步态的结果为：
如图8所示的三幅图，显示了所述机器人向右侧飞行时的三种观看角度；向右侧飞行：左前肢伸展、右前肢收缩；左腿下降、右腿上抬；
如图9所示的三幅图，显示了所述机器人向左侧飞行时的三种观看角度；向左侧飞行：左前肢收缩、右前肢伸展；左腿上抬、右腿下降；
如图10所示的三幅图，显示了所述机器人俯冲向下飞行时的三种观看角度；俯冲向下飞行：左前肢收缩、右前肢收缩；左腿下降、右腿下降；
如图11所示的三幅图，显示了所述机器人仰首向上飞行时的三种观看角度；仰首向上飞行：左前肢伸展、右前肢伸展；左腿上抬、右腿上抬。
所以，有了预设的4种四肢步态位置，一旦机器人根据飞行状态要控制机器人向右侧飞行，就可以控制机器人按照预设的向右侧飞行的四肢步态位置进行飞行。
本发明的一种较优实施例中，如图4所示，PWM直流电机控制模块3包括PWM直流电机控制单元和4个微型直流电机，
4个微型直流电机分别位于扑翼机器人左前肢、右前肢、左后肢和右后肢；
PWM直流电机控制单元，用于接收四路PWM控制信号，并按照预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置控制4个微型直流电机工作，还用于接收四路PWM调节信号的命令，调整4个微型直流电机的工作。
具体地，PWM直流电机控制单元为PWM直流电机控制芯片。
地面测控装置或遥控器根据扑翼机器人当前的飞行状态以及期望状态发送地面命令，机载控制装置接受到地面指令后，通过PWM直流电机控制单元控制机器人4个微型直流电机工作，调节飞行器四肢收拢与俯仰角度，进而控制机器人的飞行姿态。
4个微型直流电机为6mm直径微型直流电机。
本发明的一种较优实施例中，如图5所示，所述地面测控装置5包括地面无线通信模块5-1、地面微型控制器5-2、MATLAB串口接口单元5-3和上位机5-4，
地面微型控制器5-2，通过地面无线通信模块5-1与机载无线通信模块4通信，用于通过地面无线通信模块5-1接收所述飞行状态，并将上位机5-4发来的调节命令通过地面无线通信模块5-1回传给机载微控制器1；
上位机5-4，通过MATLAB串口接口单元5-3与地面微型控制器5-2进行数据通信，用于通过MATLAB串口接口单元5-3接收所述地面微型控制器5-2发送的飞行状态进行显示，并发送调节命令至地面微型控制器5-2。
具体地，机载无线通信模块4为2.4G机载无线通信模块，地面无线通信模块5-1为2.4G地面无线通信模块；2.4G机载无线通信模块与2.4G地面无线通信模块进行全双工无线通信。机载微控制器将飞行时的飞行数据通过2.4G机载无线通信模块发送给2.4G地面无线通信模块，地面测控装置显示并存储该时刻飞行数据。
上位机为台式机电脑或笔记本电脑。
2.4G地面无线通信模块与地面微型控制器5-2以USART总线连接，简单高效，可实现全双工通信，地面微型控制器5-2与MATLAB串口接口单元5-3通过USART总线连接，简单高效，上位机5-4可接受飞行中的机器人的飞行状态数据并实时显示数据曲线，也可对飞行中的机器人发送控制信号，实现远程姿态控制。其中MATLAB软件中集成了串口软件包，直接调用函数即可实现上位机5-4与下位机(地面微型控制器5-2)的通讯，不必复杂的通讯协议开发。
本发明的一种较优实施例中，如图6所示，所述装置还包括图传发射单元6和图像显示设备7，
图传发射单元6，用于实时拍摄扑翼机器人的四肢步态位置图像；
图像显示设备7，与图传发射单元6连接，用于接收所述四肢步态位置图像并进行显示。
具体地，图传发射单元6通过无线通讯实时发送图像至地面图像显示设备。
本申请可实时显示飞行姿态。
本发明的一种较优实施例中，如图6所示，所述装置还包括遥控接收机8和遥控器9，
遥控器9通过遥控接收机8向机载微控制器1发送调节命令。
具体地，可通过遥控器与上位机双路无线控制机器人飞行。
本申请还可以设置电源指示灯和程序指示灯，机载微控制器1由3.3V供电电源供电，当正常供电时电源指示灯被点亮，程序正常运行时，程序指示灯被点亮或闪烁，机载微控制器1通过IIC总线读取机载气压计的高度信号，机载微控制器1通过IIC总线读取九轴惯性导航单元的三轴角速度、三轴角加速度、三轴陀螺仪的信号，经基于四元数互补滤波的姿态解算算法处理后得到稳定准确、无时间漂移的三轴姿态角，即俯仰角、偏航角和滚转角，机载微控制器1通过SPI菊花链模式读取四路角位移编码器的读数，该模式下机载微控制1只需要提供1组SPI接口即可同时读取4组SPI设备的信号，机载微控制器1发送四路PWM信号与正反装信号到PWM直流电机控制模块，实现四路电机的位置控制，机载微控制器1通过AD转换接口读取拍动电位计的信号，处理后即可得到机器人翅膀拍动的频率与位置，机载微控制器1发送一路PWM信号给无刷电机驱动单元即可控制微型无刷电机的速度与急停动作，机载微控制器1与2.4G无线通信模块通过USART总线相连，可以与地面测控装置全双工通信，机载微控制器1通过接受遥控器接收机的PPM信号，并解析该遥控信号，便可得到地面遥控器发送的控制指令。
机器人在飞行过程中可实现自主飞行、地面测控装置控制飞行和地面遥控飞行三种飞行方式。
方式一：飞行过程中机器人的无人自主飞行方式。
机载微型控制器1采集九轴惯性导航单元2-1在飞行中的九轴数据，机身气压计2-3飞行时的气压信号，四路角位移磁编码器2-2在飞行时的四肢收拢展开与俯仰角度，拍动电位计2-4在飞行时的翅膀扑动的频率与位置。机载微型控制器1得到飞行时的数据后，对九轴数据进行基于四元数互补滤波的姿态解算，得到稳定准确的三轴姿态角度，获取地面目标姿态信息，与当前四肢的收拢与俯仰角度数据相结合，经飞行控制算法处理后，微控制器发送四路PWM信号控制四肢步态位置，实现自主姿态控制。
方式二：飞行过程中机器人的地面测控装置控制飞行方式。
机载微型控制器1得到飞行时的数据后，对九轴数据进行基于四元数互补滤波的姿态解算，得到稳定准确的三轴姿态角度，通过2.4G无线通信模块发送至地面测控装置5，地面测控装置5根据扑翼机器人当前的飞行状态以及期望状态发送地面命令，机载控制装置接受到地面指令后，调节PWM直流电机控制模块控制机器人的四肢收拢与俯仰角度，进而控制机器人的飞行姿态。可实现期望的各种飞行动作，包括盘旋、滑翔、转弯、俯冲等飞行动作。
方式三：飞行过程中机器人的地面遥控器控制飞行方式。
该飞行方式，无需携带笨重的地面测控装置，只需要轻便的遥控器即可控制机器人的飞行状态。地面操作手可通过观察当前机器人的飞行状态，实时通过遥控器9发送指令到机器人中的遥控器接收机8，接收机将PPM信号发送给机载微控制器1中，机载微控制器1经遥控信号解析，便可得知地面控制指令，调节PWM直流电机控制模块控制机器人的四肢收拢与俯仰角度，进而控制机器人的飞行姿态，实现各种飞行动作，包括盘旋、滑翔、转弯、俯冲等飞行动作。
本发明的一种较优实施例中，如图6所示，所述装置还包括无刷电机驱动单元10和微型无刷电机11，
机载微控制器1，还用于根据飞行状态，输出调速信号；
无刷电机驱动单元10，用于接收调速信号控制微型无刷电机11的速度和急停动作。
具体地，无刷电机驱动单元10是飞盈佳乐15A超微型电子调速器，微型无刷电机11是朗宇11直流无刷电机。
本发明的一种较优实施例中，所述装置还包括二级稳压电源，
所述二级稳压电源包括3.3V稳压电源与5.0V稳压电源，
3.3V稳压电源，用于同时为机载微控制器12和4个微型直流电机供电；
5.0V稳压电源，用于同时为图传发射单元和无刷电机驱动单元供电。
实施例2：
仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制方法，如图12所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、实时采集扑翼机器人的飞行数据；
步骤S2、解析所述飞行数据得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号；
步骤S3、根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置；
步骤S4、实时接收所述飞行状态数据并进行显示，并发送调节命令输出四路PWM调节信号，调整扑翼机器人四肢步态位置。
本发明的一种较优实施例中，步骤S1中，飞行数据包括扑翼机器人的三轴角速度、三轴加速度和三轴方位、四肢的收拢与俯仰角度值、扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值和扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置。
本发明的一种较优实施例中，步骤S2中，解析所述飞行数据得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号的具体过程为：
步骤S21、采用四元数互补滤波的姿态算法从所述三轴角速度、三轴加速度和三轴方位中解析得到三轴姿态角度，所述三轴姿态角度包括偏航角、俯仰角与横滚角；
步骤S22、采用飞行控制算法从所述三轴姿态角度、所述四肢的收拢与俯仰角度值、所述海拔高度值和翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置中解析得到飞行状态；
步骤S23、用于采用三维曲面叶素理论模型和气动力学算法对扑翼机器人16种飞行姿态进行仿真，得到4种四肢步态位置作为预设四肢步态位置，将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号。
本发明的一种较优实施例中，步骤S3中，根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置的具体过程为：
四路PWM控制信号，并按照预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置控制扑翼机器人四肢步态位置。
本发明的一种较优实施例中，步骤S23中，预设四肢步态位置包括向右侧飞行、向左侧飞行、俯冲向下飞行和仰首向上飞行，
向右侧飞行的四肢步态位置为左前肢伸展、右前肢收缩、左腿下降和右腿上抬；
向左侧飞行的四肢步态位置为左前肢收缩、右前肢伸展、左腿上抬和右腿下降；
俯冲向下飞行的四肢步态位置为左前肢收缩、右前肢收缩、左腿下降和右腿下降；
仰首向上飞行的四肢步态位置为左前肢伸展、右前肢伸展、左腿上抬和右腿上抬。
Claims (9)
1.仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，所述装置包括机载控制装置和地面测控装置(5)，
机载控制装置包括飞行数据采集模块(2)、机载微控制器(1)、PWM直流电机控制模块(3)和机载无线通信模块(4)，
飞行数据采集模块(2)，与机载微控制器(1)连接，用于实时采集扑翼机器人的飞行数据，将飞行数据发送至机载微控制器(1)；
机载微控制器(1)，同时与PWM直流电机控制模块(3)和机载无线通信模块(4)连接，用于解析所述飞行数据得到飞行状态，将该飞行状态实时发送至机载无线通信模块(4)，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号，至PWM直流电机控制模块(3)，还用于接收机载无线通信模块(4)发送的调节命令，输出四路PWM调节信号至PWM直流电机控制模块(3)；
PWM直流电机控制模块(3)，用于根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置，还用于根据四路PWM调节信号的命令，调整扑翼机器人四肢步态位置；
地面测控装置(5)，通过所述机载无线通信模块(4)连接所述机载微控制器(1)，用于实时接收所述飞行状态数据并进行显示，还用于通过机载无线通信模块(4)向机载微控制器(1)发送调节命令；
机载微控制器(1)，用于采用三维曲面叶素理论模型和气动力学算法对扑翼机器人16种飞行姿态进行仿真，得到4种四肢步态位置作为预设四肢步态位置，将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号；
飞行数据采集模块(2)包括九轴惯性导航单元(2-1)、四路角位移磁编码器(2-2)、机身气压计(2-3)和拍动电位计(2-4)，
九轴惯性导航单元(2-1)，用于采集扑翼机器人飞行中的九轴数据；
四路角位移磁编码器(2-2)，用于采集扑翼机器人四肢的收拢与俯仰角度值；
机身气压计(2-3)，用于捕捉扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值；
所述拍动电位计(2-4)安装于扑翼机器人翅膀扑动的曲柄轴上，用于测量扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置；
所述飞行数据包括扑翼机器人飞行中的九轴数据、扑翼机器人四肢的收拢与俯仰角度值、扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值和扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置；
所述九轴惯性导航单元(2-1)包括三轴陀螺仪、三轴角加速度计(2-1-2)和三轴磁力计(2-1-3)，
三轴陀螺仪(2-1-1)，用于测量扑翼机器人的三轴角速度；
三轴角加速度计(2-1-2)，用于测量扑翼机器人的三轴加速度；
三轴磁力计(2-1-3)，用于测试磁场强度和方向，根据所述磁场强度和方向定位扑翼机器人的三轴方位；
机载微控制器(1)，用于采用四元数互补滤波的姿态算法从所述三轴角速度、三轴加速度和三轴方位中解析得到三轴姿态角度，所述三轴姿态角度包括偏航角、俯仰角与横滚角。
2.根据权利要求1所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，四路角位移磁编码器(2-2)包括左前肢角编码器(2-2-1)、右前肢角编码器(2-2-2)、左后肢角编码器(2-2-3)、右后肢角编码器(2-2-4)，
左前肢角编码器(2-2-1)和右前肢角编码器(2-2-2)分别安装于扑翼机器人左翅膀收拢的交叉位置处和扑翼机器人右翅膀收拢的交叉位置处，分别用于测量扑翼机器人左翅膀收拢角度值和扑翼机器人右翅膀收拢角度值；
左后肢角编码器(2-2-3)和右后肢角编码器(2-2-4)分别安装于扑翼机器人左边尾部俯仰升降的交叉位置处和扑翼机器人右边尾部俯仰升降的交叉位置处，分别用于测量扑翼机器人左边尾部俯仰升降角度值和扑翼机器人右边尾部俯仰升降角度值；
机载微控制器(1)，用于采用飞行控制算法从所述三轴姿态角度、所述四肢的收拢与俯仰角度值、所述海拔高度值和翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置中解析得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号。
3.根据权利要求1所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，PWM直流电机控制模块(3)包括PWM直流电机控制单元和4个微型直流电机，
4个微型直流电机分别位于扑翼机器人左前肢、右前肢、左后肢和右后肢；
PWM直流电机控制单元，用于接收四路PWM控制信号，并按照预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置控制4个微型直流电机工作，还用于接收四路PWM调节信号的命令，调整4个微型直流电机的工作。
4.根据权利要求3所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，所述地面测控装置(5)包括地面无线通信模块(5-1)、地面微型控制器(5-2)、MATLAB串口接口单元(5-3)和上位机(5-4)，
地面微型控制器(5-2)，通过地面无线通信模块(5-1)与机载无线通信模块(4)通信，用于通过地面无线通信模块(5-1)接收所述飞行状态，并将上位机(5-4)发来的调节命令通过地面无线通信模块(5-1)回传给机载微控制器(1)；
上位机(5-4)，通过MATLAB串口接口单元(5-3)与地面微型控制器(5-2)进行数据通信，用于通过MATLAB串口接口单元(5-3)接收所述地面微型控制器(5-2)发送的飞行状态进行显示，并发送调节命令至地面微型控制器(5-2)。
5.根据权利要求4所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，所述装置还包括图传发射单元(6)和图像显示设备(7)，
图传发射单元(6)，用于实时拍摄扑翼机器人的四肢步态位置图像；
图像显示设备(7)，与图传发射单元(6)连接，用于接收所述四肢步态位置图像并进行显示。
6.根据权利要求5所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，所述装置还包括遥控接收机(8)和遥控器(9)，
遥控器(9)通过遥控接收机(8)向机载微控制器(1)发送调节命令。
7.根据权利要求6所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，所述装置还包括无刷电机驱动单元(10)和微型无刷电机(11)，
机载微控制器(1)，还用于根据飞行状态，输出调速信号至无刷电机驱动单元(10)；
无刷电机驱动单元(10)，与机载微控制器(1)连接，用于接收调速信号控制微型无刷电机(11)的速度和急停动作。
8.根据权利要求7所述仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制装置，其特征在于，所述装置还包括二级稳压电源，
所述二级稳压电源包括3.3V稳压电源与5.0V稳压电源，
3.3V稳压电源，用于同时为机载微控制器(12)和4个微型直流电机供电；
5.0V稳压电源，用于同时为图传发射单元和无刷电机驱动单元供电。
9.仿蝙蝠柔性变形扑翼机器人的飞行控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、实时采集扑翼机器人的飞行数据；
步骤S2、解析所述飞行数据得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号；
步骤S3、根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置；
步骤S4、实时接收所述飞行状态数据并进行显示，并发送调节命令输出四路PWM调节信号，调整扑翼机器人四肢步态位置；
步骤S1中，飞行数据包括扑翼机器人的三轴角速度、三轴加速度和三轴方位、四肢的收拢与俯仰角度值、扑翼机器人飞行过程中的海拔高度值和扑翼机器人翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置；
步骤S2中，解析所述飞行数据得到飞行状态，根据所述飞行状态输出四路PWM控制信号的具体过程为：
步骤S21、采用四元数互补滤波的姿态算法从所述三轴角速度、三轴加速度和三轴方位中解析得到三轴姿态角度，所述三轴姿态角度包括偏航角、俯仰角与横滚角；
步骤S22、采用飞行控制算法从所述三轴姿态角度、所述四肢的收拢与俯仰角度值、所述海拔高度值和翅膀扑动的频率以及当前时间翅膀所处的位置中解析得到飞行状态；
步骤S23、用于采用三维曲面叶素理论模型和气动力学算法对扑翼机器人16种飞行姿态进行仿真，得到4种四肢步态位置作为预设四肢步态位置，将飞行状态和预设四肢步态位置进行结合判断，以处理得到预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置，并输出四路PWM控制信号；
步骤S3中，根据所述四路PWM控制信号控制扑翼机器人四肢步态位置的具体过程为：
四路PWM控制信号，并按照预设四肢步态位置中的一种四肢步态位置控制扑翼机器人四肢步态位置；
步骤S23中，预设四肢步态位置包括向右侧飞行、向左侧飞行、俯冲向下飞行和仰首向上飞行，
向右侧飞行的四肢步态位置为左前肢伸展、右前肢收缩、左腿下降和右腿上抬；
向左侧飞行的四肢步态位置为左前肢收缩、右前肢伸展、左腿上抬和右腿下降；
俯冲向下飞行的四肢步态位置为左前肢收缩、右前肢收缩、左腿下降和右腿下降；
仰首向上飞行的四肢步态位置为左前肢伸展、右前肢伸展、左腿上抬和右腿上抬。
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