扑翼飞行器飞行控制方法及系统与流程

本发明涉及的是一种飞行器控制领域的技术，具体是一种大幅提升飞行稳定性、混合控制的扑翼飞行器飞行控制方法及系统。

背景技术：

近年来，仿生扑翼飞行器开始逐渐进入人们的视野。仿生扑翼飞行器由于其鸟类的外形和飞行模式，以及其飞行过程中几乎没有机械噪音的产生，具有较高的隐蔽性，在军用侦查和打击方面具有得天独厚的优势。在民用方面，已经有仿鹰等猛禽的固定翼飞机在机场进行驱鸟工作。仿生扑翼飞行器不仅是外形的改变，由于其高度的仿生，升力，续航和飞行效率相比固定翼飞机具有极大的提升。而以往的扑翼飞行器可操纵的自由度少，且没有和气动力耦合在一起，稳定性和可操纵性很差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术无法对翼尖的扭转进行主动控制、或无法对偏航力矩进行主动控制平衡、或无法对俯仰力矩进行主动控制平衡的缺陷，提出一种扑翼飞行器飞行控制方法及系统，利用新型传感器和多个操纵面的混合控制，可以实现极高的稳定性和可操纵性；相比于没有翼尖扭转的扑翼飞行器，升力及飞行效率的得到了极大的提升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种扑翼飞行器飞行控制方法，通过实时检测仿生飞行器的扑翼的扑动角度，计算得到鸟类在对应扑动角度下的翼尖扭转角和俯仰调整角，并以该翼尖扭转角设置舵机进行仿生飞行器的翼尖的扭转以及俯仰姿态的调整，实现飞行效率的提升。

所述的仿生飞行器包括：仿鸟和仿昆虫扑翼飞行器。

所述的扑动角度，即翼根连杆关于机身水平基准面的相对角度。

所述的实时检测，通过对与连杆连接的减速齿轮的相位角进行检测，利用霍尔传感器，在齿轮旋转中心处，放置一枚圆柱形磁铁，并在其前段放置该霍尔传感器感知相位角。

所述的翼尖扭转角，根据实时检测仿生飞行器的扑翼的扑动角度进行以下设置：

①60°以下时设置为：torsionangle+89°，

②60°至120°时设置为：torsionangle+89°-torsionangle/30*(angleval-60)；

③120°至240°时设置为：90°-torsionangle

④240°至300°时设置为：90°-torsionangle+torsionangle/30*(angleval-240)；

⑤300°至359°时设置为：torsionangle+89°

其中：torsionangle是预先设置的最大扭转角度，angleval是传感器感知的角度。

所述的舵机，包括但不限于分别设置于两侧翼尖内的扭转舵机以及设置于翼尖末端的翼肋转动轴处的俯仰舵机。

所述的扭转舵机通过翼尖的扭转调整两侧扑翼的气动力，并基于两侧气动力的差值，产生一个滚转力矩，使扑翼飞行器进行滚转运动。

由于扑翼飞行器的升力是周期性的，而且还存在负升力，这就让扑翼飞行器在扑动的过程中，一直会有抬头和低头的震荡。为了使飞行更加的稳定，飞控系统利用角度传感器感应到的角度控制翼尖两个扭转舵机的同时，利用该角度与遥控器的俯仰信号进行耦合(假定该比例为1/4)，对俯仰舵机进行控制，以抵消扑动过程中周期性的抬低头力矩。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：设置于飞行器内的角度采集模块、遥控器信号接收模块、扭转计算模块以及执行模块，其中：角度采集模块与扭转计算模块相连并传输角度信息，扭转计算模块综合遥控器接收模块和角度采集模块的数据进行计算，将目标角度传输给执行模块。

技术效果

与现有技术相比，本发明在气动效率方面通过采用翼尖的主动扭转，充分利用前缘涡，从而实现更大的升力和推力。在能耗方面通过采用翼尖的主动扭转之后，机翼扑动的扭转力矩减小，从而可以减少能耗。同时选取扭矩更小的电机，选取更小的电池，从而减轻飞行器重量，继而减少能耗。由于利用了翼尖扭转做滚转运动的控制面、并且对周期性俯仰力矩进行了约束，充分有效的控制面对为闭环控制提供了基础，为扑翼飞行器的自动飞行提供了可能。

附图说明

图1为扑动时翼尖的主动扭转；

图2为滚转运动的混合控制；

图3为抑制周期抬低头力矩的混合控制；

图4为本发明系统结构示意图。

具体实施方式

如图4所示，本实施例涉及的扑翼飞行器飞行控制系统包括：设置于飞行器内的角度采集模块、遥控器信号接收模块、扭转计算模块以及执行模块，其中：角度采集模块与扭转计算模块相连并传输角度信息，扭转计算模块综合遥控器接收模块和角度采集模块的数据进行计算，将目标角度传输给执行模块。

所述的角度采集模块采用但不限于霍尔角度传感器实现。

本实施例中的扭转计算模块，采用arduino单片机实现，其信号输入包括两种形式，一种是模拟信号，一种是数字信号。角度传感器的信号就是模拟信号，直接读取，并将其信号0-1023的大小缩放至0-359°。而遥控器信号则是数字信号，而且是pwm波，需要接在arduino专门的数字信号接口，然后再将其转化为数值。

根据鸟类扑动和扭转运动，得出扑动角度和扭转角度的函数关系。在实际组装调试过程中，还要预设对相位差的调整的部分，减少对机械的调整。

舵面的控制耦合通过角度传感器的信号对应的扭转角度，进而加上遥控器信号，可以得到各个舵机的输出角度。

为了进行飞行调试，需要将各个变量输出到串口监视器，并且需要使信号处理周期设置符合当前扑翼飞机的延迟。

本实施例涉及上述系统的扑翼飞行器飞行控制方法，具体包括以下步骤：

1)采集角度、预处理转化为扑动角度。

2)计算该扑动角度对应的翼尖扭转角、俯仰调整角。

所述的翼尖扭转角，根据实时检测仿生飞行器的扑翼的扑动角度进行以下设置：

①60°以下时设置为：torsionangle+89°，

②60°至120°时设置为：torsionangle+89°-torsionangle/30*(angleval-60)；

③120°至240°时设置为：90°-torsionangle

④240°至300°时设置为：90°-torsionangle+torsionangle/30*(angleval-240)；

⑤300°至359°时设置为：torsionangle+89°；

其中：torsionangle是预先设置的最大扭转角度，angleval是传感器感知的角度。

servovall＝angleval+rollval，servovalr＝angleval-rollval，其中：servovall和servoralr是输出给舵机的信号，rollval是遥控器发出的角度信号。

所述的俯仰调整角，具体通过以下方式计算得到：其中：系数n是针对不同的飞行器设置不同的值，本实施例中举例设置为n＝4。

3)执行目标角度。

arduino飞控板1接收来自角度传感器2感知的扑动角度信号，处理后将扭转信号发送给翼尖扭转舵机5和6，如此可在扑翼机上下扑动的同时叠加翼尖的扭转运动，进一步增强其气动力获益。为抑制周期性的俯仰震荡，飞控系统利用角度传感器感应到的角度控制翼尖两个扭转舵机的同时，对俯仰舵机进行补偿控制。

进一步，当人工执行遥控器“副翼”滚转命令时，遥控器接收器3收到该信号后，将会由飞控板计算得出差动信号，并叠加到原本设定的左右两侧翼尖扭转运动中，如此做到初始设定扭转和人工主动滚转的混合控制，达到所需滚转动作。

另一方面，人工执行遥控器俯仰命令时，遥控器接收器3收到该信号后，将会由飞控板计算得出联动信号，并叠加到原本设定的左右两侧翼尖扭转运动中，如此做到初始设定扭转和人工主动俯仰的混合控制，达到所需俯仰动作。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。