CN113504722B - 扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备，包括：主控制器、全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器和正交编码器；所述主控制器分别与全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器、正交编码器连接；所述全桥驱动器驱动所述无刷电机通过减速齿轮和弹簧进行机翼拍打；所述惯性传感器安装在机身旋转中心，包括九轴传感器和气压计；所述编码器用于获取无刷电机的位置和转速。本发明提出了共振频率下无刷直接驱动的翅膀的瞬时闭环机翼轨迹跟踪，采用的控制算法能够更好地跟踪给定机翼正弦轨迹，同时适应机翼几何形状和刚度的变化。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体地，涉及一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备。
背景技术
仿生扑翼飞行器尺寸微小、隐蔽性高、灵活机动，可以在空气中实现悬停、快速逃生、任意方向飞行和快速转弯，类似于昆虫实现超低空飞行，在复杂地形和狭窄空间中高效地执行特定任务，可以搭载传感器，实现信息收集与传输；可以完成传统飞行器所无法完成的工作。
目前世界上能保证手掌尺度两翅仿生飞行器多为带扑翼机构的构型，其机械结构和驱动方式各异，其中大多数为连杆机构、线传动机构，扑翼机构用于将电机的旋转运动转换为机翼的往复运动从而确保电机高效的运行。但其结构复杂，且会由于不对称加速度和以高频运行的连杆系统引起的寄生结构振动；而对于电机直驱的飞行器来说，其特点是电机带动翅膀，通过控制电机完成翅膀的往返拍打，其结构简单，机理更仿生，可以精准建模，但对控制精度要求较为严格。双翅仿生飞行器在军事以及民用领域存在着巨大的潜在价值和应用前景。目前，国内在电机直驱双翅微型扑翼飞行器的研究工作还比较少，并且电机直驱双翅微型扑翼飞行器可只靠调制机翼运动即可产生多自由度力矩，不需要附加的控制机构，而保证机翼运动的精确跟踪是飞行器平稳飞行的必要前提，因此有必要开展具有鲁棒性和精确性快速性的扑翼飞行器机翼运动控制技术。
专利文献CN107487456A(申请号：CN201710507621.2)公开了一种机翼加工过程的外翼调姿定位系统，涉及机翼加工领域，它包括：数据采集模块、调姿运动解析模块、控制模块和人机交互模块；所述的数据采集模块与调姿运动解析模块相连接，调姿运动解析模块与控制模块相连接，控制模块和人机交互模块相连接。一种机翼加工过程的外翼调姿定位方法包括：当前机翼实际姿态的数据采集：对待加工机翼的位置、姿态数据进行采集；调姿运动的数据解析及调整：将待加工机翼位置、姿态进行调整；对数控定位柱进行运动控制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备。
根据本发明提供的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，包括：主控制器、全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器和正交编码器；
所述主控制器分别与全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器、正交编码器连接；
所述全桥驱动器驱动所述无刷电机通过减速齿轮和弹簧进行机翼拍打；
所述惯性传感器安装在机身旋转中心，包括九轴传感器和气压计；
所述编码器用于获取无刷电机的位置和转速。
优选的，所述弹簧为扭力弹簧，用于分担电机的输出力矩和能量存储，所述扭力弹簧安装在负载轴上，在机翼从中间行程位置移开时产生恢复扭矩。
优选的，机翼由两个独立的无刷电机控制，所述无刷电机通过一级减速齿轮带动机翼进行往复拍打运动，控制无刷电机的电压使得机翼轨迹跟踪预设正弦函数。
优选的，机翼拍打角度为无刷电机旋转角度的整数倍，其比值为传动机构的齿轮减速比。
优选的，建立数学模型，进行瞬时闭环机翼轨迹跟踪，表达式为：
其中，
为集总阻尼，Ks为扭转弹簧弹性系数，Ku为集总输入增益，
Ng为齿轮传动比，Jm为电机转动惯量，Jw为翅膀转动惯量，Jg为齿轮转动惯量，Bm为电机转轴阻尼，Ra为电机的电阻值，Ka为扭矩常数，φ为机翼拍打位置，
为机翼拍打角变化率，u为电机电压。
根据本发明提供的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法，包括如下步骤：
步骤1：通过正交编码器得到无刷电机的位置和转速，经过转速计算得到机翼拍打位置和拍打角变化率，将设定角度与实际角度的差值作为位置控制器的输入，位置控制器的输出与实际拍打角变化率的差值作为转速环控制器的输入；
步骤2：根据电流检测电路将定子电流ia、ib、ic经等幅值Clark变换为平面两相电流iα和iβ；将iα和iβ作为等功率Park变换的输入，同时根据正交编码器得到的转子电角度也作为Park变换的输入，得到旋转坐标系下的电流值id和iq；
步骤3：取转速环控制器输出的参考电流
与实际电流iq的差值作为第一个电流环控制器的输入，输出为交轴电压uq；
步骤4：令参考电流
与实际电流id的差值作为第二个电流环控制器的输入，输出为交轴电压ud；
步骤5：根据uq和ud得到电压矢量
判断幅值是否大于调制电压最大值Max_Module，若是，则根据uq和ud计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统；否则，将uq和ud在矢量方向缩小幅值，得到参考交轴电压
和
再计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统。
优选的，电流的采样频率和电流环控制器的控制频率均为16Khz。
优选的，转速环的控制周期为2ms。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
根据本发明提供的一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制设备，包括：控制器；
所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提出了共振频率下无刷直接驱动的翅膀的瞬时闭环机翼轨迹跟踪，采用的控制算法能够更好地跟踪给定机翼正弦轨迹，同时适应机翼几何形状和刚度的变化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明涉及的机翼运动轨迹的精确闭环控制系统控制与驱动电路原理图；
图2为本发明涉及的机翼运动轨迹的精确闭环控制系统系统框图；
图3为本发明涉及的驱动及采样电阻电路图；
图4为本发明涉及的紧凑型整机控制板的正背面图；
图5为本发明涉及的本发明涉及的升压调节器的正背面图；
图6为本发明涉及的电机-弹簧-翅膀系统的模型等效图；
图7为本发明涉及的机翼运动轨迹的精确闭环控制效果仿真图；
图8为本发明涉及的机翼运动轨迹的精确闭环控制拍打角跟踪效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明的一种电机直驱的两翅扑翼飞行器控制系统，紧凑型硬件电路如图1所示，包括：主控制器、IMU、全桥驱动、无刷电机、编码器，主控制器分别与驱动器和无刷电机连接；电机作为整个扑翼飞行器的“肌肉”通过减速齿轮和弹簧直接驱动翅膀。
如图4a、图4b和图5a、图5b，所述升压调节器在飞行器最低端，连接控制板和驱动板，升压调节器将锂电池的供电电源升压至12V用来为驱动芯片供电，所述直流-直流升压调节器被连接以分离逻辑和驱动电路的功率。
扑翼飞行器由两个电机独立控制两个翅膀，两个电机由驱动模块的全桥芯片DRV8313驱动、STM32微控制器控制，机翼的柔性部分在拍打运动中产生形变，由此被动扭转产生攻角提供升力，所述升力与翅膀拍打的幅值和频率的平方成正比，增大拍打的幅值可增大升力。为保证翅膀产生的升力和电机效率最大原则，拍打角频率为系统的自然频率。
电机直驱的两翅扑翼飞行器由电机作为驱动器带动翅膀做正弦规律的扑打运动，力矩的产生是于对称的拍打轨迹中引入不对称产生的，分别调制两个翅膀的拍打角的幅值、偏置、劈裂因子产生翻滚、俯仰、偏航力矩，具备多自由度飞行能力，可实现空中悬停和任意方向飞行，因此保证机翼运动的精确控制是飞行器平稳飞行的必要前提。安装在扑翼飞行器负载轴上的线性扭转弹簧在机翼从其中间行程位置移开时产生恢复扭矩。扭转弹簧具备分担电机的输出力矩和能量存储作用。
飞控板为集成了主控(stm32F446MEY)、驱动(DRV8313)、电流放大器(MCP6024)无线通讯芯片(NRF51822)和(RFX2401C)功率放大器的紧凑型电路，面积为2.6cm*1.8cm，重量不大于2.5g。升压芯片为TPS61089，升压调节器不大于1.5g。惯性传感模块由九轴(MPU9250)和气压计(SPL06)组成，安装在机身旋转中心。
本发明提供了一种微型扑翼飞行器的机翼运动轨迹的精确闭环控制系统，如图2所示，控制系统包括：翅膀拍打角度环、转速环PI控制器、电流环PI控制器、Park逆变换、SVPWM调制模块、电机+传动+翅膀模型、电流检测电路、Clark变换、Park变换、正交编码器转速反馈。其中：
本系统中电机通过一级减速齿轮带动翅膀往复拍打运动，通过控制无刷电机电压，使得翅膀拍打角跟踪设定正弦函数。
所述控制器的被控对象为电机+传动+翅膀模型，其可建模等效成线性二阶模型，模型参数由电机的电阻、电感值、扭矩常数和转动惯量，电机转轴阻尼，齿轮传动比和转动惯量，扭转弹簧弹性系数，翅膀转动惯量得到。
图3a～图3e为本发明涉及的采样电阻电路图。所述装置的电机驱动器包括三相采样电阻，通过测量通过采样电阻上端的电压值得到定子三相电流，每次电流采样由两个ADC同时读取亮两项的电压，参考电压为1.65V，所述采样电阻的输出端直接接地。选取的MCP6024芯片包括四个放大器，其中一个作为稳压器用于产生1.65V参考电压，其余三个为电流放大作用，为避免电流变化导致的干扰使采样信号不准确，选择下桥臂导通时间长的相来读取，且采样点均设置为下桥臂导通时间段的中心点，采样频率为16Khz，电流环的控制频率也为16Khz。
微型扑翼飞行器的翅膀拍打角度反馈由正交编码器得到，正交编码器由微控制器进行初始电角度校准，每次电机启动时给定子电压设定固定方向的磁场；翅膀拍打角度为电机旋转角度的整数倍，其比值为传动机构的齿轮传动比。
图6为电机-弹簧-翅膀系统的模型等效图。其中电机、弹簧、机翼系统的数学模型表达式为：
其中，
为集总阻尼，Ks为扭转弹簧弹性系数，Ku为集总输入增益，
Ng为齿轮传动比，Jm为电机转动惯量，Jw为翅膀转动惯量，Jg为齿轮转动惯量，Bm为电机转轴阻尼，Ra为电机的电阻值，Ka为扭矩常数，φ为机翼拍打位置，
为机翼拍打角变化率。u为电机电压。
闭环控制的步骤如下：
步骤一：正交编码器得到电机位置和转速，经过转速计算模块得到翅膀拍打位置φ和拍打角变化率
将设定角度φd与实际角度的差值作为位置P控制器的输入，位置控制器的输出
与实际拍打角变化率
的差值作为速度环PI控制器的输入；
步骤二：将电流检测电路得到定子电流ia、ib、ic经Clark变换为平面两相电流iα和iβ；将iα和iβ作为Park变换的输入，同时根据正交编码器得到的转子电角度也作为Park变换模块的输入，得到旋转坐标系下的电流值id和iq。
步骤三：取转速环PI控制器输出的参考电流
与实际电流iq的差值作为第一个电流环PI控制器的输入，输出为交轴电压uq，转速环的控制周期为2ms；
步骤四：令
与实际电流id的差值作为第二个电流环PI控制器的输入，输出为交轴电压ud；
步骤五：根据uq和ud得到电压矢量
判断幅值是否大于Max_Module，其中Max_Module为调制电压最大值，根据百分比乘直流电压得到；
若是，将uq和ud输入SVPWM模块，计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制电机和翅膀组成的机翼系统。
若否，通过将uq和ud保矢量方向缩小幅值，得到
和，
进入SVPWM模块，计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制电机和翅膀组成的机翼系统。
基于FOC的电机直驱的高频扑翼飞行器瞬时翅膀运动学跟踪控制算法仿真结果见图7，实际系统的给定为30Hz幅值100度的正弦给定信号，其跟随性能良好，位置环见图8a，转速环跟随效果见图8b，电流环跟随效果见图8c，证明了该方法的有效性。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，包括：主控制器、全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器和正交编码器；
所述主控制器分别与全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器、正交编码器连接；
所述全桥驱动器驱动所述无刷电机通过减速齿轮和弹簧进行机翼拍打；
所述惯性传感器安装在机身旋转中心，包括九轴传感器和气压计；
所述编码器用于获取无刷电机的位置和转速；
取转速环控制器输出的参考电流与实际电流的差值作为第一个电流环控制器的输入，输出为交轴电压uq；
令参考电流为0，与实际电流的差值作为第二个电流环控制器的输入，输出为交轴电压ud；
得到电压矢量
判断幅值是否大于调制电压最大值Max_Module，若是，则根据uq和ud计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统；
否则，将uq和ud在矢量方向缩小幅值，得到参考交轴电压
和
再计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统。
2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，所述弹簧为扭力弹簧，用于分担电机的输出力矩和能量存储，所述扭力弹簧安装在负载轴上，在机翼从中间行程位置移开时产生恢复扭矩。
3.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，机翼由两个独立的无刷电机控制，所述无刷电机通过一级减速齿轮带动机翼进行往复拍打运动，控制无刷电机的电压使得机翼轨迹跟踪预设正弦函数。
4.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，机翼拍打角度为无刷电机旋转角度的整数倍，其比值为传动机构的齿轮减速比。
5.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，建立数学模型，进行瞬时闭环机翼轨迹跟踪，表达式为：
其中，Js＝Ng 2Jm+Jw+Jg，
为集总阻尼，Ks为扭转弹簧弹性系数，Ku为集总输入增益，
Ng为齿轮传动比，Jm为电机转动惯量，Jw为翅膀转动惯量，Jg为齿轮转动惯量，Bm为电机转轴阻尼，Ra为电机的电阻值，Ka为扭矩常数，φ为机翼拍打位置，
为机翼拍打角变化率，u为电机电压。
6.一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，包括如下步骤：
步骤1：通过正交编码器得到无刷电机的位置和转速，经过转速计算得到机翼拍打位置和拍打角变化率，将设定角度与实际角度的差值作为位置控制器的输入，位置控制器的输出与实际拍打角变化率的差值作为转速环控制器的输入；
步骤2：根据电流检测电路将定子电流ia、ib、ic经等幅值Clark变换为平面两相电流iα和iβ；将iα和iβ作为等功率Park变换的输入，同时根据正交编码器得到的转子电角度也作为Park变换的输入，得到旋转坐标系下的电流值id和iq；
步骤3：取转速环控制器输出的参考电流
与实际电流iq的差值作为第一个电流环控制器的输入，输出为交轴电压uq；
步骤4：令参考电流
与实际电流id的差值作为第二个电流环控制器的输入，输出为交轴电压ud；
步骤5：根据uq和ud得到电压矢量
判断幅值是否大于调制电压最大值Max_Module，若是，则根据uq和ud计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统；否则，将uq和ud在矢量方向缩小幅值，得到参考交轴电压
和
再计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统。
7.根据权利要求6所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法，其特征在于，电流的采样频率和电流环控制器的控制频率均为16Khz。
8.根据权利要求6所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法，其特征在于，转速环的控制周期为2ms。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至8中任一项所述的方法的步骤。
10.一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制设备，其特征在于，包括：控制器；
所述控制器包括权利要求9所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至8中任一项所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求1至5中任一项所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统。
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