CN112224443A - 扑翼飞行器室内飞行轨迹监测平台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开扑翼飞行器室内飞行轨迹监测平台及其实验方法，应用于机械、图像采集、数据处理技术领域，针对现有技术中相关的实验平台相对缺乏，不能够满足研究者们的需求，使得扑翼飞行器的研究也受到了极大的阻碍；本发明实验平台包含可移动的扑翼飞行器放置平台，能够根据实验环境的变化进行任意的改变，即扑翼飞行器根据轨迹规划得到的飞行路径，其初始起飞位置发生改变时，能够随时进行调整，灵活多变的适应不同的环境需求；本发明的方法可以实现在空气动力学不明确的情况下，改进扑翼飞行器的性能。

Description

扑翼飞行器室内飞行轨迹监测平台及其实验方法

技术领域

本发明属于机械、图像采集、数据处理技术领域，特别涉及一种扑翼飞行器飞行轨迹监测平台及其监测方法。

背景技术

近年来扑翼飞行器的研究越来越火热，国内外众多研究者对扑翼飞行器开展了大量的研究工作。扑翼飞行器作为集成技术的产物，融合了众多前沿技术；与传统飞行器相比，其具有体积小，轻便，使用方便；飞行灵活便捷，隐身性更好等特点；此外，它还具有便于携带，造价相对较低等优点。其良好的性能使其拥有广泛的应用前景，可用于情报侦查，信息联络，电子干扰，航空测绘，森林防火，缉毒巡查等，因此扑翼飞行器的研究拥有广阔的前景。

由于扑翼飞行器是学科交叉融合的产物，涉及到新能源，材料，微电子，多传感器信息融合，图像处理，自动控制理论，空气动力学，人工智能等前沿领域，扑翼飞行器的研究充满了挑战。目前扑翼飞行器的飞行机理还比较模糊，空气动力学相关的原理更是匮乏，必须通过其他的途径解决这个难题，因此，搭建一个能够监测扑翼飞行器在实际环境中飞行状态的平台成为了迫切的需求；目前国内外相关的实验平台相对缺乏，不能够满足研究者们的需求，使得扑翼飞行器的研究也受到了极大地阻碍。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台及其操作方法，本发明的实验平台基于扑翼飞行器进行布置，并广泛适用于各类不同的扑翼飞行器；通过本实验平台，能够对扑翼飞行器的飞行状态和飞行轨迹进行实时的监测，通过监测得到的数据能够对扑翼飞行器的性能进行有效的改进。

本发明采用的技术方案之一为：一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台，包括：合适的房间、防护海绵、可移动的扑翼飞行器放置平台、摄像头若干、上位计算机；其间的内在联系为：一间适合扑翼飞行器室内飞行的房间，在房间墙体表面以及地面贴上防护海绵，在贴上防护海绵的墙体合适位置布置摄像头；扑翼飞行器放置在可移动的安放平台上，所述放置平台布置于房间地面上，扑翼飞行器通过数据传输线与上位计算机相连，且上位计算机与摄像头连接。

防护海绵贴在房间墙体上以及地面，用于防护扑翼飞行器发生故障时，减少碰撞和坠落产生的扑翼飞行器损坏。

摄像头固定在墙体上，摄像头根据实验需求进行布置，本发明提供两种布置方法，方法一为在房间四面墙体顶部边线中部各放置一个摄像头；方法二为在房间对角处各放置一个摄像头。布置好摄像头后调节角度使摄像头能够监测到整个房间。

本发明的另一技术方案为：基于上述实验平台的运用方法，包括：

S1、根据实验需求对实验平台进行布置与调整，确定采用摄像头的个数以及布置的方法，确保能够完整的采集到扑翼飞行器的飞行轨迹；

S2、启动上位计算机，初始化实验参数，初始化路径规划，并将路径规划的数据传输给扑翼飞行器；

S3、启动摄像头，调整拍摄画面，进行预录像；

S4、根据轨迹规划得到的飞行路径，在飞行路径起点处启动扑翼飞行器，并从此时记录飞行轨迹，传给上位计算机进行处理；

S5、扑翼飞行器是否发生故障，若发生故障，则回到步骤S2，若没有发生故障，继续录像，实时将数据传给上位机进行处理与分析，直至扑翼飞行器到达轨迹规划得到的飞行路径的终点；

S6、处理与分析监测得到的飞行轨迹数据，根据分析得到的结果对扑翼飞行器进行改进，改善性能。

本发明的有益效果：本发明的实验平台，能够在扑翼飞行器空气动力学模型还不完善的情况下监测室内扑翼飞行器的飞行轨迹，通过监测得到的数据可以对理论的发展产生推进作用，同时在相关理论不太清晰的情况下，推进扑翼飞行器的研究，改善扑翼飞行器的性能；本发明平台具备以下的优点：

(1)本发明的实验平台包含防护海绵，用海绵将墙体对地面进行覆盖，可以有效的减少实验过程中因故障产生的扑翼飞行器损坏；

(2)本发明的实验平台包含可移动的扑翼飞行器放置平台，能够根据实验环境的变化进行任意的改变，即扑翼飞行器根据轨迹规划得到的飞行路径，其初始起飞位置(高度，房间某一固定位置)发生改变时，能够随时进行调整，灵活多变的适应不同的环境需求；

(3)本发明的实验平台还包括摄像头，摄像头的布置是根据实验的环境和需求进行改变的，本发明提供两种布置方法，方法一为在房间四面墙体顶部边线中部各放置一个摄像头；方法二为在房间对角处各放置一个摄像头。布置好摄像头后调节角度使摄像头能够监测到整个房间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的扑翼飞行器室内监测平台的示意图。

图2是本发明实施例提供的摄像头的两种布置方法俯视图；

其中，图2(a)为摄像头布置方式一，图2(b)为摄像头布置方式二。

图3是本发明实施例提供的摄像头监测扑翼飞行器室内飞行轨迹示意图。

图4是本发明实施例提供的监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的流程示意图。

其中，1为扑翼飞行器，2为扑翼飞行器放置平台，3为摄像头，4为房间墙体，5为防护海绵，6为上位计算机，7为监测轨迹示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明是一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台，并给出了具体的操作方式，如图1所示，实验平台包括：扑翼飞行器1，扑翼飞行器放置平台2，摄像头3，房间墙体4，防护海绵5，上位计算机6；其间的内在联系为：一间适合扑翼飞行器室内飞行的房间，即房间大小应能满足扑翼飞行器基本的飞行动作(俯仰，前飞，转弯)，以翼展为22cm的扑翼飞行器为例，其安装实验平台的房间的长宽高应至少为4m*4m*3.5m，具体房间大小根据实际的扑翼飞行器尺寸而定；在房间墙体表面以及地面4贴上防护海绵5，用于保护扑翼飞行器受损；同时在贴上防护海绵的墙体4合适位置布置摄像头3，根据不同的实验环境以及需求采用不同的布置方法；扑翼飞行器1放置在可移动的安放平台2上；同时扑翼飞行器1通过数据传输线与上位计算机6相连，实现上位机向扑翼飞行器传输轨迹规划信息的任务；且上位计算机6与摄像头3连接，实现信息交互与数据采集的任务。

本发明中提到的扑翼飞行器1没有特定的种类，应是广泛的扑翼飞行器(例如无尾翼扑翼飞行器，有尾翼扑翼飞行器，单扑翼飞行器，双扑翼飞行器等)，意味着本实验平台是适用于所有的扑翼飞行器的。

本发明提到的扑翼放置平台2，是可移动的扑翼飞行器放置平台，能够根据实验环境的变化进行任意的改变，能够灵活多变的适应不同的环境需求；具体使用为：根据实验开始规划的飞行路径，将扑翼飞行器放置平台安放在飞行路径起点附近，再将扑翼飞行器放置在平台上，等待下一步实验的进行。

本发明提到的防护海绵5，如图1所示，安装在墙体和地面4的表面上，与墙体4之间有一定的间距，并非紧密贴合，这是为了实验室后方便拆卸，能够不损害墙体的同时重复利用防护海绵；防护海绵最主要的目的是预防扑翼飞行器1在实验过程中，由于故障发生碰撞甚至坠落时，能够减小直接碰撞墙体和地面带来的损坏，对扑翼飞行器进行有效的防护作用，避免不必要的损失。

本发明提到的摄像头3，摄像头3固定在墙体上，摄像头根据实验需求进行布置，本发明提供两种布置方法，如图2所示，方式一为在房间四面墙体顶部边线中部各放置一个摄像头，图2(a)为方式一俯视图；方式二为在房间对角处各放置一个摄像头，图2(b)为方式二俯视图。布置好摄像头后调节角度使摄像头能够监测到整个房间。可以意识到的是：摄像头3是便于拆卸与安装的，根据不同的需求能够快速的实现安装，安装好摄像头3之后需要连接上位计算机6，实现信息的传输，调节摄像头的角度使摄像头能够采集到整个房间内部的图像。

如图3所示，是本发明实验平台监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的示意图，扑翼飞行器1接受轨迹规划得到的路径，从起始点出发，到达终点的过程中，全程由特定的摄像头进行监测，如图所示，本发明中的扑翼飞行器1在起飞的那一瞬间就开始由摄像头监测其轨迹，为了使监测得到的飞行轨迹更加的清晰，本发明中选取的是距离扑翼飞行器最近的摄像头进行监测，监测其轨迹直至扑翼飞行器运动到预先规划路线的终点，将监测得到的飞行图像实时传输给上位计算机，上位计算机对飞行图像进行处理，得到可视的飞行路线图，具体可视化方法可采用如北京大学轨迹可视化系统之类的软件。通过实验得到的飞行路线图与轨迹规划仿真得到的飞行路线图对比，得到二者时间的实验误差，以减小实验误差为目标，对算法进行改进，同时也能对扑翼飞行器进行改进，进而能够对扑翼飞行器整体性能进行提升。

如图4所示，基于本发明实验平台的扑翼飞行器监测方法，包含以下几个步骤：

步骤一：根据实验需求对实验平台进行布置与调整，首先确定采用摄像头3的个数以及布置的方法，本发明采用的摄像头为4个，有两种布置方式，如图2(a)、2(b)所示，具体选取依据为选取较容易的布置方法，若房间四面墙体顶部边线中部容易布置摄像头则选取图2(a)所示的方式，若房间对角处容易布置则选取图2(b)所示的方式，布置好摄像头后调整其俯仰角度，确保能够完整的采集到扑翼飞行器的飞行轨迹，并将扑翼飞行器放置平台置于合适的位置；

步骤二：启动上位计算机6，初始化实验参数，初始化路径规划，并将路径规划的数据传输给扑翼飞行器1，初始化路径规划应运用相应的轨迹规划算法以选取合适的路径，如A*算法，粒子群算法，蚁群算法等；

步骤三：启动摄像头3，调整拍摄画面，进行预录像，即调整拍摄的角度以及拍摄画面的清晰度，确保能够监测到完整清晰的飞行轨迹，此操作的目的是为了提高监测得到数据的准确性，排除因拍摄原因带来的误差；根据轨迹规划得到的飞行路径，在飞行路径起点处启动扑翼飞行器1，并从此时记录飞行轨迹，传给上位计算机进行处理；

步骤四：扑翼飞行器1是否发生故障，若发生轻微故障，如扑翼飞行器1因飞行不稳定，受到干扰坠落但没有损害扑翼飞行器1时，检测排除故障后回到步骤S2重新规划轨迹后进行实验；若发生严重故障，如核心器件烧毁，扑翼飞行器受干扰坠落后使机械部件撞碎时，需要立马关闭电源，并停止实验。若没有发生故障，继续录像，实时将数据传给上位机进行处理与分析，直至扑翼飞行器到达轨迹规划得到的飞行路径的终点；

步骤五：处理与分析监测得到的飞行轨迹数据，根据分析得到的结果对扑翼飞行器1进行改进，改善性能，即将平台监测得到的飞行轨迹与初始路径规划得到的仿真飞行轨迹进行对比，得到实验误差，以减小实验误差为目标对扑翼飞行器1进行改进，本发明的方法可以实现在扑翼飞行器空气动力学等理论不明确的情况下，改善扑翼飞行器的飞行性能。

本步骤中对扑翼飞行器进行改进，具体为：当实际轨迹与仿真轨迹存在误差较大的情况时，运用最优化的思想：假设误差为θ，设定目标函数minθ，以扑翼机构自身参数为约束，例如齿轮，杆长等参数，求解得到使误差θ最小的参数；根据得到的参数对扑翼机构进行优化，从来达到改善性能的目的。

上述步骤二中，初始化路径规划算法的选择中，应使算法的代价函数选取为最小能量损耗代价，因为本实验是为了监测扑翼飞行器的飞行状态，处理飞行状态得到的数据从而推进扑翼飞行器的研究，最小能量损耗代价函数可表示为：

公式(1)中，C(p)为总能耗代价，w_i为扑翼飞行器各类型能耗代价，具体如扑翼能耗，气动能耗，惯性能耗，弹性能耗等，g_p为约束条件。

上述步骤三中，若摄像头3监测得到的数据不符合预期，即平台监测所得轨迹与初始轨迹规划所得轨迹相差较大时，应调整实验平台后重新测量，减小实验平台带来的误差；同时应测量多组数据减少误差，提高实验精度，比如当监测得到的实际轨迹与初始仿真轨迹的误差均值的绝对值不超过3cm时，为符合预期的精度。

上述步骤四中，若扑翼飞行器3发生严重的故障，如核心器件烧毁，机械部件撞碎，需要立马关闭电源，并停止实验。

上位计算机6处理得到的监测数据，在扑翼飞行器相关空气动力学理论缺失的情况下，能够对扑翼飞行器相关理论的发展产生辅助作用，推动扑翼飞行器研究的发展。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台，其特征在于，包括：与扑翼飞行器飞行轨迹实验适配的房间、防护海绵、可移动的扑翼飞行器放置平台、摄像头若干、上位计算机；

在房间墙体表面以及地面贴上防护海绵，在贴上防护海绵的墙体上布置摄像头；扑翼飞行器放置在放置平台上，所述放置平台布置于房间地面上，扑翼飞行器通过数据传输线与上位计算机相连，且上位计算机与摄像头连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台，其特征在于，所述可移动的扑翼飞行器放置平台的三维坐标可调。

3.根据权利要求1所述的一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台，其特征在于，摄像头布置方式为：

在房间四面墙体顶部边线中间各放置一个摄像头；

或，在房间对角处各放置一个摄像头。

4.根据权利要求3所述的一种用于监测扑翼飞行器室内飞行轨迹的实验平台，其特征在于，布置好摄像头后还包括调节摄像头角度使摄像头能够监测到整个房间。

5.一种基于权利要求1至4任一权利要求所述的实验平台的扑翼飞行器室内飞行轨迹实验方法，其特征在于，包括：

S1、根据实验需求对实验平台进行布置与调整，确定采用摄像头的个数以及布置的方法，确保能够完整的采集到扑翼飞行器的飞行轨迹；

S2、启动上位计算机，初始化实验参数，初始化路径规划，并将路径规划的数据传输给扑翼飞行器；

S3、启动摄像头，调整拍摄画面，进行预录像；

S4、根据路径规划得到的飞行路径，在飞行路径起点处启动扑翼飞行器；

S5、摄像头记录飞行轨迹，并将记录的飞行轨迹传给上位计算机进行处理；

S6、上位机处理与分析监测得到的飞行轨迹数据。

6.根据权利要求5所述的扑翼飞行器室内飞行轨迹实验方法，其特征在于，步骤S6具体通过将平台监测得到的飞行轨迹与初始路径规划得到的仿真飞行轨迹进行对比，得到实验误差，若实验误差大于设定阈值，则对扑翼飞行器进行改进。

7.根据权利要求5所述的扑翼飞行器室内飞行轨迹实验方法，其特征在于，还包括：若扑翼飞行器发生故障，则回到步骤S2，若没有发生故障，继续录像，直至扑翼飞行器到达轨迹规划得到的飞行路径的终点。

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