CN112476456A - 一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种仿猛禽的臂‑翼协同变体控制系统及控制方法，属于飞行器控制技术领域。它包括翅膀骨骼和手臂骨骼，所述翅膀骨骼包括翅膀肱骨、翅膀尺骨和翅膀桡骨、翅膀掌骨三段骨骼，三段骨骼的转动实现翅膀的运动，所述翅膀骨骼结构与人体手臂骨骼一一对应。本发明通过手臂动作来控制仿鸟类飞行器翅膀动作，可以实现多自由度仿鸟类飞行器的控制，使得仿鸟类飞行器的控制方式变得简单；面对一些突发情况需要仿鸟类飞行器快速变化翅膀形态，这种协同控制方式可以有效实现这种变化；飞行器飞行时可以通过手臂动作来微调翅膀的动作，提高仿鸟类飞行器的飞行效率。

Description

一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，具体涉及一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统及控制方法。

背景技术

鸟类是自然界主要的飞行生物之一，其具有高超的飞行技巧，而鸟类翅膀的复杂变形是实现这些技巧的主要原因之一。随着人类对鸟类飞行研究的逐渐深入，飞行能力越来越强的仿鸟类飞行器也逐渐被研发出来，但要实现和鸟类翅膀相似的复杂动作，飞行器就需要有更多的自由度。当飞行器的自由度较多时，若采用传统的仪器控制方式对每一个自由度进行操控，一方面无法快速同时操控多个自由度来实现某个飞行技巧，另一方面，对仿鸟类飞行器的控制操作将变得十分复杂，无法很好操控飞行器。所以提出一种可以快速、简单控制仿鸟类飞行器的控制方式具有很好的现实意义。

鸟类翅膀和人类手臂具有极其相似的骨骼系统，因此人类可以通过手臂来近似模拟鸟类翅膀的动作。但是鸟类翅膀骨骼关节变化的角度和频率与人类骨骼关节不同，因此需要通过建立一种鸟类翅膀运动和人类手臂翅膀运动的相互映射关系。通过这种映射关系人类可以通过模拟翅膀动作来控制飞行器的飞行。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统及控制方法，建立手臂动作和翅膀动作的相互映射关系，可以通过模仿猛禽翅膀的运动来控制仿鸟类飞行器翅膀的运动，使得人们可以快速、简单操控仿鸟类飞行器，实现仿鸟类飞行器的各种高超飞行技巧。

本发明提供如下技术方案：一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于包括翅膀骨骼，所述翅膀骨骼包括翅膀肱骨、翅膀尺骨和翅膀桡骨、翅膀掌骨三段骨骼，三段骨骼的转动实现翅膀的运动，所述翅膀骨骼对应设置有手臂骨骼，所述手臂骨骼包括与翅膀骨骼结构一一对应的人体肱骨、人体尺骨和人体桡骨、人体掌骨三段骨骼。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于所述翅膀肱骨一端连接翅膀肩关节，另一端通过翅膀肘关节与翅膀尺骨和翅膀桡骨相连接，所述翅膀尺骨和翅膀桡骨一段骨骼通过翅膀腕关节与翅膀掌骨相连接。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于所述人体肱骨一端连接人体肩关节，另一端通过人体肘关节与人体尺骨和人体桡骨段骨骼相连接，所述人体尺骨和人体桡骨段骨骼通过人体腕关节与人体掌骨相连接。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于所述翅膀肱骨具有三个自由度，其能绕肩关节进行扭转、上反、后掠，对应人体肱骨绕肩关节进行扭转、前后、上下摆动，所述翅膀尺骨和翅膀桡骨具有一个自由度，其能绕肘关节进行后掠，对应人体尺骨和人体桡骨绕肘关节进行上下摆动，所述翅膀掌骨具有一个自由度，其能绕腕关节进行后掠，对应人体掌骨绕腕关节进行上下摆动。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、获取猛禽翅膀的运动规律；

步骤2、对模仿猛禽翅膀运动的手臂动作进行大样本采集；

步骤3、采用卷积神经网络对样本数据进行深度学习，建立起猛禽翅膀运动和手臂运动的映射关系；

步骤4、基于步骤3中的映射关系，通过模拟鸟类运动来控制仿鸟类飞行器的运动。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤1中，采用姿态传感器对翅膀骨骼每个自由度参数进行识别，从而获得翅膀骨骼各个自由度参数数据，进而获取猛禽翅膀的运动规律。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤2中，通过姿态传感器对手臂骨骼每个自由度参数进行识别，采集手臂动作大样本数据。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述采集的手臂动作大样本数据是在获取猛禽翅膀运动规律的基础上，手臂对猛禽翅膀骨骼的各个自由度进行模拟，从而获得手臂骨骼各个自由度参数的大样本数据。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤3中，利用翅膀骨骼各个自由度数据和手臂骨骼各个自由度参数的样本数据，通过卷积神经网络进行深度学习，建立起猛禽翅膀骨骼各个自由度参数和手臂骨骼各个自由度参数之间的映射关系。

所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤4中，在建立翅膀骨骼和人体手臂骨骼的映射关系后，通过人体手臂的伸展、收缩、扑动来实现仿鸟类飞行器翅膀在飞行过程的伸展、收缩和扑动。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过手臂动作来控制仿鸟类飞行器翅膀动作，可以实现多自由度仿鸟类飞行器的控制，使得仿鸟类飞行器的控制方式变得简单；面对一些突发情况需要仿鸟类飞行器快速变化翅膀形态，这种协同控制方式可以有效实现这种变化；飞行器飞行时可以通过手臂动作来微调翅膀的动作，提高仿鸟类飞行器的飞行效率。

附图说明

图1为本发明的臂-翼骨骼关节示意图；

图2为本发明的臂-翼骨骼的运动自由度示意图；

图3为本发明的臂-翼骨骼佩戴姿态传感器示意图；

图4为本发明的臂-翼协同变体参数神经网络识别示意图。

图中：1、翅膀肱骨；2、翅膀桡骨；3、翅膀尺骨；4、翅膀掌骨；5、人体肱骨；6、人体桡骨；7、人体尺骨；8、人体掌骨。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-4，一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，如图1所示，包括翅膀骨骼及手臂骨骼，翅膀骨骼包括翅膀肱骨1、翅膀尺骨3和翅膀桡骨2、翅膀掌骨4三段骨骼，与手臂骨骼中的人体肱骨5、人体尺骨7和人体桡骨6、人体掌骨8一一对应。

翅膀肱骨1具有三个自由度，其可以绕肩关节进行扭转、上反、后掠，对应人体肱骨5绕肩关节进行扭转、前后、上下摆动，如图2所示，翅膀肱骨1绕轴1进行扭转，绕轴2进行上反、绕轴3进行后掠。

翅膀尺骨3和翅膀桡骨2可以视为同一个构件，具有一个自由度，其可以绕肘关节进行后掠，对应于人体尺骨7和人体桡骨6绕肘关节进行上下摆动，如图2所示，翅膀尺骨3和翅膀桡骨2绕轴4进行后掠。

翅膀尺骨3和翅膀桡骨2具有一个自由度，其可以绕腕关节进行后掠，对应于人体掌骨8绕腕关节进行上下摆动，如图2所示，翅膀掌骨4绕轴5上下摆动。

一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、获取猛禽翅膀的运动规律：采用姿态传感器对翅膀骨骼每个自由度参数进行识别，从而获得翅膀骨骼各个自由度参数数据，进而获取猛禽翅膀的运动规律；

步骤2、对模仿猛禽翅膀运动的手臂动作进行大样本采集：在获取猛禽翅膀运动规律的基础上，手臂对猛禽翅膀骨骼的各个自由度进行模拟，通过姿态传感器对手臂骨骼每个自由度参数进行识别，从而获得手臂骨骼各个自由度参数的大样本数据，采集手臂动作大样本数据；

步骤3、采用卷积神经网络对样本数据进行深度学习，建立起猛禽翅膀运动和手臂运动的映射关系：如图4所示，利用大量的翅膀骨骼运动数据和手臂骨骼运动数据，采用卷积神经网格进行深度学习，从而获得翅膀每个骨骼自由度参数和人体每个骨骼自由度参数的映射关系；其中，输入层X1-X7为人体手臂7自由度变体参数，h1-hx为神经网络的隐藏层数据，输出层y1-y7为机翼变体7自由度参数。

步骤4、基于步骤3中的映射关系，通过模拟鸟类运动来控制仿鸟类飞行器的运动：在建立翅膀骨骼和人体手臂骨骼的映射关系后，人们通过手臂的伸展、收缩、扑动来实现仿鸟类飞行器翅膀在飞行过程的伸展、收缩和扑动；人们也可以通过手臂的细微变动来不断改善仿鸟类飞行器在飞行时的姿态，提高飞行效率；人们可以在突发情况时快速变动手臂来大幅度改变仿鸟类飞行器的姿态。

针对巡航时，人体可以将肱骨绕肩关节向上摆动，使得人体肱骨5与身体角度接近90度，将人体尺骨7和人体桡骨6绕肘关节向下摆动，使得人体肱骨5和人体尺骨7之间角度接近180度，将人体掌骨8绕腕关节向上摆动，使得人体掌骨8和人体尺骨7之间的角度接近180度，即使得整个手臂水平伸直。相应的，根据翅膀骨骼和手臂骨骼的映射关系，翅膀骨骼摆动到相应的位置，使得翅膀伸展开，使得仿猛禽飞行器的飞行效率增大。

针对仿猛禽飞行器向下俯冲时，人体可以将肱骨绕肩关节向下摆动，使得人体肱骨5与身体角度接近30度，将人体尺骨7和人体桡骨6绕肘关节向上摆动，使得人体肱骨5和人体尺骨7之间角度接近60度，将人体掌骨8绕腕关节向下摆动，使得人体掌骨8和人体尺骨7之间的角度接近60度，即使得整个手臂呈收缩状态。相应的，根据翅膀骨骼和手臂骨骼的映射关系，翅膀骨骼摆动到相应的位置，使得翅膀收缩。使得仿猛禽飞行器在向下俯冲时减小飞行阻力和提高机动性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于包括翅膀骨骼，所述翅膀骨骼包括翅膀肱骨（1）、翅膀尺骨（3）和翅膀桡骨（2）、翅膀掌骨（4）三段骨骼，三段骨骼的转动实现翅膀的运动，所述翅膀骨骼对应设置有手臂骨骼，所述手臂骨骼包括与翅膀骨骼结构一一对应的人体肱骨（5）、人体尺骨（7）和人体桡骨（6）、人体掌骨（8）三段骨骼。

2.根据权利要求1所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于所述翅膀肱骨（1）一端连接翅膀肩关节，另一端通过翅膀肘关节与翅膀尺骨（3）和翅膀桡骨（2）相连接，所述翅膀尺骨（3）和翅膀桡骨（2）一段骨骼通过翅膀腕关节与翅膀掌骨（4）相连接。

3.根据权利要求2所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于所述人体肱骨（5）一端连接人体肩关节，另一端通过人体肘关节与人体尺骨（7）和人体桡骨（6）段骨骼相连接，所述人体尺骨（7）和人体桡骨（6）段骨骼通过人体腕关节与人体掌骨（8）相连接。

4.根据权利要求3所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统，其特征在于所述翅膀肱骨（1）具有三个自由度，其能绕肩关节进行扭转、上反、后掠，对应人体肱骨（5）绕肩关节进行扭转、前后、上下摆动，所述翅膀尺骨（3）和翅膀桡骨（2）具有一个自由度，其能绕肘关节进行后掠，对应人体尺骨（7）和人体桡骨（6）绕肘关节进行上下摆动，所述翅膀掌骨（4）具有一个自由度，其能绕腕关节进行后掠，对应人体掌骨（8）绕腕关节进行上下摆动。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、获取猛禽翅膀的运动规律；

步骤2、对模仿猛禽翅膀运动的手臂动作进行大样本采集；

步骤3、采用卷积神经网络对样本数据进行深度学习，建立起猛禽翅膀运动和手臂运动的映射关系；

步骤4、基于步骤3中的映射关系，通过模拟鸟类运动来控制仿鸟类飞行器的运动。

6.根据权利要求5所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤1中，采用姿态传感器对翅膀骨骼每个自由度参数进行识别，从而获得翅膀骨骼各个自由度参数数据，进而获取猛禽翅膀的运动规律。

7.根据权利要求6所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤2中，通过姿态传感器对手臂骨骼每个自由度参数进行识别，采集手臂动作大样本数据。

8.根据权利要求7所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述采集的手臂动作大样本数据是在获取猛禽翅膀运动规律的基础上，手臂对猛禽翅膀骨骼的各个自由度进行模拟，从而获得手臂骨骼各个自由度参数的大样本数据。

9.根据权利要求7所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤3中，利用翅膀骨骼各个自由度数据和手臂骨骼各个自由度参数的样本数据，通过卷积神经网络进行深度学习，建立起猛禽翅膀骨骼各个自由度参数和手臂骨骼各个自由度参数之间的映射关系。

10.根据权利要求9所述的一种仿猛禽的臂-翼协同变体控制系统的控制方法，其特征在于所述步骤4中，在建立翅膀骨骼和人体手臂骨骼的映射关系后，通过人体手臂的伸展、收缩、扑动来实现仿鸟类飞行器翅膀在飞行过程的伸展、收缩和扑动。

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