大中型鸟类启发的2米翼展拍翅飞行机器人

0仿生智能与机器人1（2021）1000020ScienceDirect提供的内容列表0仿生智能与机器人0期刊主页：www.elsevier.com/locate/birob0HIT-Hawk和HIT-Phoenix：两种翼展超过2米的拍翅飞行机器人鸟类0潘尔振，徐辉，袁涵，彭建庆，徐文甫�0a 哈尔滨工业大学深圳校区机械与动力工程学院，中国邮编518055 b哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室，中国哈尔滨邮编1500010文章信息0关键词：仿生机器人拍翅飞行 无人飞行器仿生鸟类0摘要0受大中型鸟类的启发，研发了两种翼展超过2米的拍翅飞行机器人。它们分别具有鹰和凤凰的外观，因此被称为HIT-Hawk和HIT-Phoenix。本文详细介绍了仿生概念、理论分析、设计和制造。首先，总结了大中型鸟类的飞行原理和特性。然后，基于薄翼理论对空气动力学进行了建模，并建立了主要的设计依据。其次，设计了HIT-Hawk和HIT-Phoenix的机械结构，以确保横向和纵向稳定性，并具有优化的飞行性能。此外，提出了一种自主飞行控制方法，并在高度集成的机载控制器中实现；它满足了对质量、尺寸、功率和形状的严格限制。最后，通过实际飞行实验对样机进行了制造和验证。这两种拍翅飞行器的翼展分别为2.0米和2.3米，起飞重量分别为1.15千克和0.86千克，最大稳定续航时间分别为65分钟（带有3S LiPo，4300毫安时的电池）和8分钟（带有3SLiPo，800毫安时的电池）。它们的抗风能力都可以达到4级。与模仿昆虫或小鸟的小型和微型拍翅飞行器相比，它们都具有较强的载荷能力、较强的抗风能力和较长的续航时间。01. 引言0小型飞行动物的飞行方式，主要包括小鸟和昆虫。典型的机器人0众所周知，自然界中能够实现主动拍打飞行的生物主要包括鸟类、昆虫和蝙蝠。每种飞行生0主动拍打飞行主要包括鸟类、昆虫和蝙蝠。每种飞行生物都有其独特的飞行特性。受到飞行生物的启发，许多种拍翅飞行机器人已经被研发出来。0目前，在仿生拍翅飞行器领域，大多数研究者都集中在模拟小型飞行动物的飞行方式，主要0研究人员正在集中研究模拟小型飞行动物的飞行方式，主要包括小鸟和昆虫。典型的机器人0� 通讯作者：哈尔滨工业大学深圳校区机械与动力工程学院，邮编518055，中国。电子邮箱：wfxu@hit.edu.cn（W. Xu）0系统包括哈佛大学的Robobee[1]，普渡大学的蜂鸟[2]，AeroVironment公司开发的NanoHummingbird[3]，荷兰代尔夫特理工大学的Delfly[4]，韩国科学技术院的Kubeetle[5]等。这些小型振翅飞行器依靠高频振动产生飞行所需的空气动力，并依靠翅膀在振动过程中的不对称运动产生的不对称空气动力来产生机动所需的俯仰、横滚和偏航力矩。荷兰代尔夫特理工大学开发的DelflyNimble[6]和哈佛大学的RobobeeX-wing[7]都采用X型翼布局，并采用拍击和抓握机制实现飞行。从理论上讲，这种翼在单次振动运动中产生的空气动力和飞行稳定性可以得到极大的改善。一般来说，微型和小型振翅飞行器原型的设计和制造非常依赖于制造工艺和复杂的振动运动实现机制，以最大程度地模拟小鸟和昆虫的复杂空间运动。0对于中等或大型仿生鸟类，主要系统0包括西北工业大学的Dove[8]，德国Festo公司的Smartbird[9]，以及大学的RoboRaven0https://doi.org/10.1016/j.birob.2021.10000202021年5月8日在线发表 2667-3797/ © 2021 The Authors. 由Elsevier B.V.代表山东大学出版。本是一篇在CCBY许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）下的开放获取文章。20E. Pan, H. Xu, H. Yuan等人。仿生智能与机器人1（2021）1000020图1. 大型鸟类在上行过程中的折叠。0马里兰大学[10]，Clear FlightSolutions公司的Robird[11]，以及模型振翅飞机SlowHawk[12]等。它们都能够实现相对稳定的飞行性能。这些原型机使用各种有效的振翅机制来实现往复振动的振翅运动。其中，Smartbird还可以通过精巧的振动机构设计在上行过程中实现翅膀的折叠，这可以有效减少翅膀在上行过程中产生的负升力。RoboRaven使用两个独立的伺服电机驱动两侧的翅膀，在理论上赋予了它更大的机动性。然而，使翅膀在上行过程中部分折叠（如Smartbird），或完全折叠（如布朗大学的BatBot[13]）只能在理论上减少负载。由于工程实现的限制，传动和翅膀结构造成的实际效果导致飞行性能急剧下降。对于这些原型机，飞行效率、稳定性和续航能力之间的平衡尚未达到最佳点。主要原因是可用的制造技术和材料的限制使得人造仿生振翅飞行器无法在灵活性和空气动力效率上同时与自然界的鸟类相媲美。0对于其他仿生振翅飞行器，如0荷兰代尔夫特理工大学[14]和斯坦福大学的PigeonBot[15]，它们尚不能完全展翅飞行，这意味着它们不能依靠主动的振动运动来实现飞行。然而，它们可以在飞行过程中通过折叠部分翅膀来调整翅膀的面积，因此在结构建模方面也具有某些仿生特征，这也标志着对仿生鸟类研究的重要进展。0一般来说，在振翅飞行器的设计过程中0飞行器的振翅规律、机械结构方案和接头的气密性对振翅时的气流产生和翅膀上下表面的气压差有很大影响。同时，目前的振翅飞行器大多不能仅通过振动翅膀实现基本的飞行和姿态稳定，所以类似固定翼飞行器一样，仍然需要尾翼来平衡机身姿态的俯仰波动和抵抗侧滑。0从长期发展的角度来看，大型和中型0中等大小的振翅飞行机器鸟有可能实现超高飞行效率，在军事侦察、环境探测、灾难救援等户外任务中具有巨大的应用潜力。在自然界中，只有一些大中型鸟类具有长距离迁徙的特征。同时，其中一些（如鹰、秃鹫等）可以利用上升气流滑翔，而其他一些可以利用剪切风实现动态滑翔（如大信天翁等），使它们能够连续飞行数月而不降落。通过利用复杂的飞行机制和策略，这些鸟类充分利用风能，同时有效降低能量消耗，最终大大提高了飞行效率。0近年来，作者一直致力于开发大型0和中等大小的振翅飞行机器人，用于长时间和长距离的户外飞行任务。到目前为止，已经制造了大约1000架稳定飞行性能的振翅飞行机器人。它们被用于科学研究、飞行性能测试、庆祝活动中的高科技表演等。这些飞行机器人可以分为两种类型：HIT-Hawk和HIT-Phoenix。前者0外形酷似2米翼展的老鹰，后者外形酷似2.3米翼展的凤凰。本文将详细介绍仿生概念、理论分析、设计、制造和飞行实验。本文的组织结构如下：第二部分简要介绍和总结了一些鸟类飞行的现象和特点。振翅飞行器和固定翼飞行器之间的相似之处和不同之处也将被描述。在第三部分，介绍了振翅飞行系统的空气动力学建模方法。它是从经典的薄翼理论中改编而来，用于评估飞行性能。第四部分设计了HIT-Hawk和HIT-Phoenix的结构和机构。特别是基于模块化设计的关键翅膀结构和整体布局被详细介绍。第五部分开发了高度集成的机载控制器。它包含所有航空电子设备和传感器，并实现了自主飞行控制。在第六部分，介绍了HIT-Hawk和HIT-Phoenix的样机和典型飞行测试结果。最后一部分是结论和讨论。02. 飞行简介0在自然界，不同的飞行生物有不同的飞行方式。0鸟类和昆虫在振翅时产生升力和推力的方式有所不同。大鸟和小鸟的振翅规律也存在很大差异。一般来说，飞行生物越小，其振翅方式就越复杂。而飞行动物越大，其振翅飞行时翅尖轨迹就越简单。小鸟在空中飞行时，其翅膀在振翅过程中会伴随着快速的折叠，并且它们还会利用振翅滑翔和振翅跳跃等机制来节省能量。而大鸟的翅膀轨迹相对简单。它们在巡航时翅膀几乎在一个平面上振动，而且翅膀的折叠相对不那么剧烈和复杂（图1）。当大鸟滑翔和翱翔时，它们的翅膀会锁定在特定位置，几乎不会移动。这个过程与人造固定翼飞行器和滑翔机非常相似。0从另一个角度来看，固定翼飞机的飞行实际上是0大鸟的滑翔飞行实际上是大鸟飞行的特例（图2）。当鸟类的翅膀在其拍打过程中被锁定在某个位置时，鸟类实际上可以被视为固定翼飞机。追溯固定翼飞机发展的历史，我们可以发现它完全参考了鸟类在自然界中的滑翔方式-锁定翅膀，然后使用螺旋桨或喷气发动机产生推力，并依靠翅膀上下表面的压力差产生升力以实现飞行。鸟类在自然界和固定翼飞机在飞行中的区别在于鸟类拍打翅膀同时产生升力和推力。关于机动所需的姿态调整和气动力矩，固定翼飞机使用副翼、尾翼等控制面来实现机动，而鸟类主要通过不对称地调整它们的两只翅膀，只有在某些情况下才通过尾巴。固定翼的发展和成功也充分证明了人类对飞行原理的理解的正确性。0尽管鸟类飞行和固定翼飞机的飞行之间存在某些相似之处0（特别是中大型鸟类）和固定翼飞机，鸟类的飞行原理相对更加复杂。首先，鸟类拍打翅膀同时产生升力和推力，而固定翼飞机的升力和推力是由两个不同的系统产生的。𝑤 = 𝑣 + 𝜆 = 𝑢0𝜕ℎ + 𝜕ℎ + 𝑣0 + 𝑣1𝑥(1)ℎ = ℎ𝑛 cos(𝑛𝜑)(2)ℎ𝑛 = 𝑘∕(𝑔 + 1) ⋅ ∫𝜋0ℎ(𝜑) cos(𝑛𝜑)𝑑𝜑(3)𝑘 ={1𝑛 = 02𝑛 > 1(4)𝒉𝑛 = 𝑻 𝑔 ⋅ 𝒉𝜑(5)𝑻 𝒈 =⎡⎢⎢⎢⎢111⋯cos 𝜑1cos 𝜑2cos 𝜑3⋯cos 2𝜑1cos 2𝜑2cos 2𝜑3⋯⋮⋮⋮⋱⎤⎥⎥⎥⎥(6)𝛥𝑃 = 2𝜌𝜏0 (1 − cos 𝜑) ∕ sin 𝜑 +𝜏𝑛 sin (𝑛𝜑)](7)30E. Pan, H. Xu, H. Yuan et al. Biomimetic Intelligence and Robotics 1 (2021) 1000020图2. 大型鸟类的滑翔飞行类似于固定翼飞机的飞行。0图3. 拍打影响翅膀的实际迎角和空速。0其次，当鸟类飞行时，其翅膀所经历的实际空气速度是身体前进运动和翅膀相对于身体的拍打运动的组合。这两种运动的组合将改变翅膀周围的气流。改变的参数，如翅膀的速度和迎角，如图3所示，将导致翅膀处于相当不稳定的气流中，使得鸟类能充分利用高升力机制。相对而言，固定翼飞机周围的气流要稳定得多。鸟类和固定翼飞机在飞行中的气流差异也导致了两者之间飞行效率和性能的很大差异。0总的来说，鸟类是固定翼飞机的灵感来源0飞行器和固定翼飞机在一定程度上是鸟类飞行方式的特殊表现。关于固定翼飞机的完善程度和发展，以及自然界中鸟类的飞行特性，我们在拍打式机翼飞行器的设计过程中参考了固定翼飞机的设计原则。在动态产生升力和推力的前提下，使用等效的上反角来保持横向稳定性，并使用传统的气动布局和尾翼来实现纵向稳定性和机动性。03. 气动力学的计算方法03.1. 薄翼型理论0薄翼型理论是一种计算气动力的方法0在上个世纪流体力学理论的转化基础上，推导出了低速状态下薄翼型的气动力学理论。此后，Peters DavidA.等人引入了一种状态空间理论模型，基于经典薄翼型理论计算气动力[16]。在本节中，我们介绍了基于Peter提出的理论的拍打式机翼气动模拟和计算方法[17]。该理论可以用动态方程的矩阵形式表示，并且可以很容易地与0图4.  翼型坐标系。0结构动力学方程。最重要的是，这种方法不需要像计算流体力学（CFD）方法那样长时间的计算和大量的计算资源，并且可以轻松用于振翅飞行器的动态模拟和控制律设计。0首先，如图所示建立翼型坐标系0图4.翼型弦线平行于�轴，中弦与�轴重合，我们定义翼型在���平面内有任意平面摆动运动。沿着正�轴方向的风速分量定义为�0，沿着正�轴方向的风速分量定义为�0。由于坐标系旋转引起的速度梯度为�1，我们定义逆时针为正方向。然后垂直速度可以表示为�0 + �1��∕�，其中�是半弦长。翼型的变形�(�′,�)沿着�轴的负方向是正的。0然后非穿透边界条件可以直接写成0如：0其中，�是总诱导流，�是由尾迹环流引起的诱导流的一部分，�是由束缚环流引起的诱导流的另一部分。0令� = arccos(�∕�)，然后使用格劳特变换，我们可以得到：0其中，�是格劳特展开的阶数。根据高斯-切比雪夫积分公式，��可以表示为：0在上述公式中，�是每个翼型上的高斯点的数量，0而且，� � 是每个高斯点的位置函数。它可以用矩阵形式表示：0其中，�  �  是一个(�+1)×�的积分矩阵：0使用格劳特变量，压力分布0将是：0无穷大总和E. Pan, H. Xu, H. Yuan et al.Biomimetic Intelligence and Robotics 1 (2021) 100002𝐹𝑦 = ∫𝑏−𝑏𝛥𝑃 𝑑𝑥 = ∫𝜋0𝑏𝛥𝑃 sin (𝜑) 𝑑𝜑 = 2𝜋𝜌b (𝜏0 + 1∕2𝜏1)= 2𝜋𝜌𝑏 𝑢0𝑤0 − 𝑢0𝜆0 + 𝑢0𝑤1∕2 + 𝑏 ̇𝑤0∕2 − 𝑏 ̇𝑤2∕4)(8)𝐹𝑥 = ∫−𝑏(𝛥𝑃 ) (𝜕ℎ∕𝜕𝑥) 𝑑𝑥 − 2𝜋𝜌𝑏 (𝑤0 − 𝜆0)2= −2𝜋𝜌𝑏 𝑣0 + ̇ℎ0 − 𝜆0)(𝑣0 + ̇ℎ0 − 𝜆0 + 𝑢0)+ 2𝜋𝜌ℎ𝑛 𝑏 ̈ℎ𝑛−1 − ̈ℎ𝑛+1 ∕4 + 𝑛𝑢0 ̇ℎ𝑛 + 𝑛 ̇𝑢0ℎ𝑛∕2](9)(10)40图5.  翼的坐标系。0其中，�是空气密度，��可以用�0，�0，�1，��和� ��来表示。0最终，沿着�轴的气动力可以表示为0如：0沿着�轴的气动力是：0无穷0� =1 第 � 个� ∕ �0无穷大总和0+ 2 ��� 1 ( � �� 0 ∕2 +  ��� 0 ∕4 )  +  ��  ( �� 2  �� 1 ∕2 +  � 0 � 1 � 1 )0点的俯仰力矩是：0�  =  �  0− � ��  cos  ���  =  ��� 2 ( � 2 ∕2 −  � 0 )0=  ��� 2 � 0 ( � 0  −  � 0  +  � 2 ∕2) +  ���� 3 (  �� 1  −  �� 3 )∕80HIT-Hawk的空气动力模型0当HIT-Hawk的振动频率低于5赫兹时，0翼展方向上的形成相对较小。在这种情况下，振动翼的运动可以简化为俯冲运动和绕前缘的旋转运动的组合。沿着翼展方向均匀划分振动翼为几个部分，并分析每个部分翼型的空气动力负载。如  Fig. 5所示。假设翼展的每个部分受到相同的翼展方向上的空气动力负载，每个部分的空气动力负载之和可以被视为总的空气动力负载。0每个截面的二维翼型，位置函数0�  ( �, � )  可以通过高斯–切比雪夫积分公式求解。每个高斯点的运动是垂直于  �-轴的俯冲运动和绕前缘的旋转运动的组合，如  Fig. 6 所示。定义函数  �  ( � )代表翼型的形状，与弓形线重合。每个高斯点的位置函数可以表示为：0� �  = ( �  +  � )  �  −  �  −  �  ( � ) (11)0其中，  �  是绕前缘的旋转角度，  �  是振动翼的俯冲运动，  �  =  �� ，  �是振动角度。0� -轴与稳定来流  � ∞ 之间的角度0攻角  � 。根据  Fig. 6 ，我们可以得到  � 0  =  � ∞  cos  � , � 0  =  � ∞  sin  �。不考虑HIT-Hawk的俯仰运动，速度梯度  � 1  = 0 。0图6. 翼型的运动0对于每个二维翼型，空气动力负载的计算结果是相对于其翼型坐标系的。为了获得左右振动翼所受的总空气动力负载，需要将每个部分获得的空气动力负载转换为全局坐标系  ���，其原点设置在HIT-Hawk的重心处（HIT-Hawk的重心位置可以通过六维力传感器通过实验获得）。沿着  � -轴的负方向的空气动力负载是推力。沿着  �-轴的正方向的空气动力是升力。考虑到左右振动翼相对于机体的对称振动，最终我们可以得到：0� ����  =  ∫ �0( 2 � � �  cos  �  cos  �  − 2 � � �  sin  � ) (12)0� ����  =  ∫ �0( 2 � � �  cos  �  + 2 � � �  sin  �  cos  � ) (13)0通过风洞实验验证0为了验证推导出的空气动力学计算的准确性0我们进行了多次风洞实验来验证计算方法的准确性。实验是在哈尔滨工业大学深圳的风洞中进行的。该风洞的试验段为24.0米×6.0米×3.6米，风速场的不均匀性和湍流度均小于1%。风速可以在1-30m/s之间控制，非常适合进行HIT-Hawk全尺寸原型的风洞测试。图7显示了HIT-Hawk的测试设置。0以下图表 Figs. 8 和 9 显示了计算结果0特定机翼的计算结果和风洞实验在5m/s的风速、10°的迎角、2Hz的振动频率和大致余弦振动定律的情况下进行。结果显示在其他参数条件下，准确率为60%�80%，可靠性超过50%。然而，这种方法仍然不太令人满意，因为当振动参数变化时，计算结果有时会有很大的不同。04. HIT-Hawk和HIT-Phoenix的设计04.1. HIT-Hawk和HIT-Phoenix的结构0影响飞行性能的最重要因素主要包括机翼、动力传输单元和尾翼。在设计HIT-Hawk和HIT-Phoenix时，为了方便在实验中更快地更换损坏的部件，并通过组合和匹配不同的结构部件来测试不同部件对飞行性能的影响，我们采用了模块化设计方案。如下图10和图11所示，HIT-Hawk和HIT-Phoenix都由四个部分组成。在这两组图片的右侧，A50E. Pan, H. Xu, H. Yuan等人。仿生智能与机器人学1（2021）1000020图7. HIT-Hawk的风洞实验。0图8. 一次振动周期中的升力。0图9. 一次振动周期中的推力。0是动力传输单元，B是尾部模块，C是机翼模块，E是机身，D是连接A和C的连接杆。在HIT-Phoenix（图11）中，F是覆盖机身的外壳。外壳的外观和轮廓模仿了中国传统文化中的凤凰形象。在机械结构和飞行原理方面，HIT-Hawk和HIT-Phoenix完全相同。有关机翼和尾部的飞行原理和结构特点的更多细节，请参阅我们以前的工作[18]。0HIT-Hawk和HIT-Phoenix机翼的详细特征0分别如下图12和13所示。整个机翼由机翼表面和支撑杆组成。机翼表面由涤纶布制成，机翼支撑杆均为碳纤维杆。所有机翼支撑杆都通过碳纤维杆连接器相互连接。机翼用胶水和胶带粘合在一起。在整体结构中，前缘的碳纤维杆和后缘的碳纤维杆形成了基本的结构框架。在机翼内部的两侧，机翼表面由机翼肋支撑，形成了一个具有厚度和弯度的部分，以增加振动时的升力产生效率。机翼的外部部分稍微加固，通过具有特定直径的碳纤维杆的翼尖加固件来控制整个外部机翼的刚度，以产生适当的推力。0与HIT-Hawk前缘的碳纤维杆布局不同0在图12中HIT-Hawk机翼的连续部分，HIT-Phoenix机翼的内部和外部前缘是两根不同的碳纤维杆，它们通过碳纤维杆连接器（小白圈）连接，如图13所示。与0完整的碳纤维杆，两根独立的碳纤维杆固定在一起使整体弯曲刚度变差，导致振动时机翼的效率也降低，最终导致了载荷能力和耐久性也降低。04.2. 空气动力布局和俯仰稳定性0HIT-Hawk和HIT-Phoenix指的是固定式0在空气动力布局中的机翼。我们根据图14和15所示的位置确定了机身重心、气动中心和尾部产生的气动力。这也被称为传统的空气动力布局，其中重心位于前部，压力中心的平均点（��）位于中部，尾部的压力中心的平均点（������）位于末端。这三个点的位置是通过实验获得的周期平均方法来近似的。0在这种空气动力布局下，产生在机翼上的升力0当在振动周期内振动时，HIT-Hawk和HIT-Phoenix产生的升力将平衡机身的重力和尾部产生的负气动升力：0∫ � ��� � �  =  ∫ � � ( � ����  −  ��  −  � ���� ) = 0 (14)0同时，在振动周期内，由振动产生的升力-0振动和尾部产生的负升力会导致相对于重心产生不同的力矩，它们共同平衡机身的俯仰运动：0∫ � ���  =  ∫ � �� ����  �  � 1  +  �� ����  �  � 2  = 0 (15)0其中，  � 代表一个完整的振动周期，  � ���� 代表机翼上产生的平均升力，  � ����代表尾部产生的平均负升力，  �� ����  �  � 1 代表由  � ����相对于飞机重心产生的瞬时微元的俯仰力矩，  �� ����  �  � 2 代表由  � ����相对于飞机重心产生的瞬时微元的俯仰力矩。在上述公式中，  � ���� ，  � ���� ，  � 1 和  � 2都是动态变化的值。04.3. 滚转稳定性0同样，HIT-Hawk和HIT-Phoenix也参考了设计原则0当控制机身的滚转稳定性时，固定翼的原理。我们使用等效的上反角来确保原型在横向方向上有足够的余量来抵抗飞行中的阵风。固定翼飞机如何利用上反角实现滚转稳定性的原理可以在图16中的以下示意图中简要解释。示意图显示，当飞机向左（b）或向右（c）滚动时，对应的空气动力学力  � ′ ���� (b) 和  �  ′′ ����� (c) 会产生0侧面将增加，最终导致机身产生一定的恢复滚动力矩，以抵抗滚动波动的发生。lenequivalent dihedral angle means that although the wings have differentdihedral angles at different positions in a flapping cycle, then the wingcould be regarded as with a certain dihedral if in most of the flappingcycle the instantaneous positions of the wings is in the dihedral state.Though we are not sure what the exact dihedral is, what we are sure of60E. Pan, H. Xu, H. Yuan等人。仿生智能与机器人学1 (2021) 1000020图10.  HIT-Hawk的3D装配和组件布局。0图11.  HIT-Phoenix的3D装配和组件布局。0图12.  HIT-Hawk机翼结构的布局。0固定翼飞机实现滚转稳定性的原理可以0可以通过以下总滚转力矩来描述。当飞机由于右侧的侧风向左滚动时（b），  �� <0，那么机身将产生向右的滚动恢复力矩来抵抗左滚动运动。当飞机由于从左侧吹来的侧风向右滚动时（c），  �� >  0，那么机身将产生向左的滚动恢复力矩来抵抗向右的滚动运动。特殊的横向空气动力布局总是确保  � 为0，或者围绕0波动。 ∑ �  = − � 1  �  � 1  +  � 3  �  � 3  = 0 (0其中  � 代表总滚转力矩，  � 1 代表左翼上产生的平均升力的垂直分量，  � 1代表左翼上平均升力点到飞机重心的距离，  � 3代表右翼上产生的平均升力的垂直分量0右翼和  � 2 代表右翼上平均升力点到飞机重心的距离。0一般来说，对于具有传统空气动力学的固定翼0布局并借助上反角来实现滚转稳定性，上反角越大，机身的滚转稳定性越强，机动性越差。相反，上反角越小，甚至是倒置的上反角布局，滚转稳定性就越差，机动性就越强。070E. Pan, H. Xu, H. Yuan等。仿生智能与机器人学1（2021）1000020图13. HIT-Phoenix的机翼结构布局。0图14. HIT-Hawk在飞行过程中的空气动力布局。0图15. HIT-Phoenix在飞行过程中的空气动力布局。0是一个等效的副翼角，可用于表示整体的副翼效应。在我们的扑翼飞行器设计中，我们使得机翼的极限位置 � � ′在最高点 � ′0要远大于机翼在最低点 � ′ 的极限位置 � � ′，以确保系统在扑翼周期内具有足够的滚转稳定性，如下图17所示。0在上图中，红色双点标出的位置 � ′0虚线表示扑翼周期内的最高点，黄色双点虚线表示最低点 � ′。水平位置 � ′ � ′′之间的角度分别为 � � ′ 和 � � ′ 。在典型的扑翼机构设计中，我们设置 � � ′ 和 � � ′分别为30.81◦和5.61◦。在这种80E. Pan, H. Xu, H. Yuan等。仿生智能与机器人学1（2021）1000020图16. 滚转时两侧机翼受力变化的示意图。0图17. 扑翼时机翼的极限位置。0设计下，等效有效副翼角约为10◦。此时，原型在飞行过程中具有非常好的滚转稳定性。05. 机载飞行控制器0应用于HIT-Hawk和HIT-Phoenix的飞行控制系统是0主要用于收集和传输飞行数据到地面站，接收来自遥控器或地面站的控制命令，并遵循预设的飞行模式。更具体地说，接收到来自遥控器和地面控制站的控制信号后，飞行控制器将生成控制输出来驱动BLDC电机或舵机。我们现在使用的飞行控制系统是基于开源飞行控制Pixhawk设计的，我们使用的地面站是开源地面站软件QGroundControl，如下图18所示。0HIT-Phoenix上飞行控制器的安装如下所示0图19 .0图20的模块图是飞行控制器的硬件框架0飞行控制系统，主要由主控制器和一些外围设备组成。中间的黄色块是飞行控制器的核心模块，包括MCU和MEMS传感器。黄块周围的浅蓝色块是一些必要的外围设备0图19. HIT-Phoenix上飞行控制系统的安装图。0模块，最外层的绿色块是每个外围模块对应的功能。控制器的核心模块包括两组MCU（主处理器和从处理器，用于计算所有数据），MEMS传感器（IMU、磁力计和气压计等，提供所有运动学源数据），必要的辅助组件（LED、电阻和电容等），所有这些作为一个整体主要负责传感器数据的采集和飞行控制算法的实施。外围设备包括外围接口，用于接收遥控信号，串行端口，电源模块，电子速度控制器，数据传输模块，GPS和microSD卡等。它们主要负责与地面站和其他模块的通信。0图21显示了该飞行控制软件的流程图。0这与开源固件PX4[19]的功能类似。软件的功能是根据传感器收集的原始姿态和位置数据来控制HIT-Hawk和HIT-Phoenix实现自主或半自主飞行。绿色模块是位置和姿态传感器。0整个控制过程描述如下：0• 首先，来自地面控制或遥控器的控制信号0控制器将在用户模块中解析为特定的飞行模式；0• 然后，指挥官模块将判断现有的0飞行状态可以切换到预定的飞行模式；0图18.  开源飞行控制器Pixhawk和QGroundControl界面。90E. Pan, H. Xu, H. Yuan等人。生物启发智能与机器人学1（2021）1000020图20.  机载飞行控制系统的硬件框架结构。（有关本图中颜色的解释，请参阅本文的网络版本。）0图21.  飞行控制系统软件的流程图。0• 通过使用PID控制，导航模块将生成de-0通过比较从位置估计器模块获取的当前位置和期望位置，生成所需的轨迹命令；0• 位置控制模块结合当前的姿态0由姿态估计器模块计算，并使用PID控制实现所需的姿态角速度；0• 最后，混合器模块将期望的姿态角0速度到横滚、俯仰和油门通道，根据HIT-Hawk和HIT-Phoenix的配置特性，最终将控制信号发送到电机驱动器或舵机，实现飞行控制。0有关控制器原理的更多细节可以参考PX4的官方网站[19]，相关应用和细节可以在我们以前的工作中找到。06. 原型和飞行实验06.1. HIT-Hawk和HIT-Phoenix的原型0HIT-Hawk和HIT-Phoenix的开发原型0分别在图22和图23中显示。这些机器鸟在上行过程中不能折叠翅膀，但它们本身起到了0图22.  HIT-Hawk原型图片。0图23.  HIT-Phoenix原型图片。0在理解蝶式飞行的许多基本原理方面起着重要作用，例如翅膀的刚度布局决定了升力和推力的产生，翅膀质量和惯性的分布影响了功耗和振动效率，翅膀的几何形状和大小以及振动运动的规律将影响飞行稳定性等。0HIT-Hawk和HIT-Phoenix之间最明显的区别0在它们的翅膀结构中。设计这两种翅膀的目的是检查翅膀形状和翅膀结构对飞行性能的影响。飞行过程中这两种飞机的典型参数如表1所示，它们的详细翅膀布局和外观如图12和图13所示。最大toothe flight at the 826.87 s. Figures (b) and (c) show that the accelerationrange during flight is 0∼6 m/s2, and the maximum acceleration canalso reach 8∼10 m/s2. (c) shows that the flight speed range is similarto HIT-Hawk, also in the range of 2∼8 m/s. (D) shows that 𝜇𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ is22.48◦, 𝜎𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ is 9.52◦, 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑙 is −3.21◦ and 𝜎𝑟𝑜𝑙𝑙 is 14.85◦. The averagepitch angle is higher than that of HIT-Hawk, meaning that HIT-Phoenixhas a lower lift coefficient, and this is all because the total mass ofHIT-Phoenix after installing the flight control system and battery ishigher than that of HIT-Hawk. So, in order to maintain stable flight,a larger elevation angle is required. But the standard deviation of pitchfluctuation is smaller, indicating that the pitch stability of HIT-Phoenixis much better than that of HIT-Hawk. The average roll angle 𝜇𝑟𝑜𝑙𝑙 isnegative, being opposite to HIT-Hawk’s average roll angle, indicatingthat the hand-made prototype has the opposite deviation to HIT-Hawkat this time. And it is also smaller than HIT-Hawk, indicating that theroll stability is also better. In (f), the power range of HIT-Phoenix duringflight is mainly distributed between 40 W∼80 W, and it is larger thanHIT-Hawk’s. This can also be explained by the fact that the total massof100E. Pan, H. Xu, H. Yuan等人。生物启发智能与机器人学1（2021）1000020图24.  HIT-Hawk和HIT-Phoenix的户外飞行测试。0表1 HIT-Hawk和HIT-Phoenix的典型参数。0参数HIT-Hawk HIT-Phoenix0质量792克675克0翼展2.0米2.3米0平均展弦比5.936.540最大起飞重量1150克860克0最大续航时间65分钟8分钟0电池容量3S 5C 4300毫安时3S 15C 800毫安时0风阻等级4等级40HIT-Phoenix的续航时间明显短于HIT-Hawk。原因是HIT-Phoenix内翼和外翼的不一致严重影响了刚度，严重降低了在振动过程中产生升力和推力的效率。06.2.飞行实验0HIT-Hawk和HIT-Phoenix组装完成后，我们进行了0在两个原型机上进行了多次室外飞行实验。室外飞行测试如下图24所示。0在测试HIT-Hawk和HIT-Phoenix的性能时，0完成室外飞行过程，包括起飞、爬升、机动、下降和着陆。在整个过程中，机载飞行控制系统将记录有关飞行状态信息的一切。记录完所有信息后，我们将通过分析日志数据来评估原型机的性能。接下来的图25和26分别是HIT-Hawk和HIT-Phoenix的两次典型飞行实验的结果。在每个子图中，列出了反映飞行状态和性能的部分数据，包括空间中的三维轨迹、机体坐标系沿三轴的线性加速度和速度、姿态波动、遥控器三个通道的值以及功耗特性等。在接下来的两个图中，除了3D空间飞行轨迹图之外，所有图中�轴的单位都是微秒。这是因为记录所有信息时时间戳是以微秒为单位的。0图25中记录的数据总共持续了334.27秒。HIT-Hawk0系统上电后37.8秒起飞，结束于372.07秒。从图(b)可以看出，飞行过程中的加速度范围主要集中在0�4m/s2，最大加速度可达8�10m/s2。加速度与振动产生的推力直接相关。最大加速度在一定程度上反映了最大风阻。从(c)中可以看出，飞行速度主要在2到8m/s之间，这表明只要风速或阵风速度低于8m/s，HIT-Hawk就能一直向前移动。0始终能够向前移动。图(d)显示，飞行过程中俯仰角的平均值为14.41°。这个角度有点高，是因为HIT-Hawk的升力系数仍然不够高，所以在飞行过程中需要一定的仰角来保持足够的迎角。在调整高度和飞行方向时，俯仰角会有一定程度的波动。波动幅度的标准偏差������为11.77°。这个值小于������，表明系统的俯仰稳定性很好。飞行过程中横滚角的平均值为1.45°，这表明原型机在组装完成后存在一定的方向偏差。这个偏差是因为原型机全部手工组装，手工制作不能始终完全保证翼面完全机械对称以实现平均横滚角为0°。横滚角的标准偏差�����为15.36°，也很小，表明原型机的横滚稳定性也很好。在图(f)中，HIT-Hawk在飞行过程中的功率范围主要分布在30瓦至70瓦之间。曲线中间394秒到500秒之间的总功率低于11瓦，这是因为HIT-Hawk在飞到足够高度后降低了振动频率(见(e)中相应时间段的油门值)。飞行过程中的功率范围与原型机的总重量和天气条件有较大的关系。负载重时和风力强时功耗会更大。0总体上，HIT-Hawk和HIT-Phoenix的功耗仍然相对较高。这是因为当前的飞行控制系统仍然不够轻。飞行控制、GPS、OSD模块和相应的电线的总质量已经达到152克，几乎占总质量的20%，这对我们的振翼飞机原型来说是很大的负担。其次，给出的实验结果ticiCentral Television (CCTV) in branch venue of Shenzhen, hovering inan organized formation flight by remote controlling and as an image ofPhoenix from ancient Chinese legendary, to celebrate the atmosphereof auspiciousness and happiness of Chinese Lunar New Year. About twoyears later, in late December 2020, after comprehensive improvementin mechanical structure an