[發明專利]一種仿生微型撲翼飛行器偏航控制方法和機構

在審

• 申請號: 202010783527.1
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN112034868A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 吳江浩;曹赫宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;B64C33/02;G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種仿生微型撲翼飛行器偏航控制方法和機構，其特征在于，當需對平衡狀態下飛行器的偏航角進行偏差修正，保證飛行器的精準懸停時，包括如下步驟：

(1)解算偏航姿態角：通過解算偏航姿態角獲得飛行器當前偏航姿態角估計值；

(2)獲得偏航控制執行指令：計算所述偏航姿態角估計值與偏航姿態角指令值的差值作為偏航姿態角差值；根據所述偏航姿態角差值，采用PID控制算法計算獲得偏航控制執行指令；

(3)產生偏航力矩：將所述偏航控制執行指令輸入給偏航控制執行部件，所述偏航控制執行部件受控產生偏航力矩，改變飛行器的偏航姿態，使偏航姿態恢復至平衡位置。

2.如權利要求1所述一種仿生微型撲翼飛行器偏航控制方法和機構，其特征在于，當需要飛行器的偏航姿態在小范圍內發生變化，即進行偏航精準機動時，包括如下步驟：

(1)首先實現精準懸停，偏航角控制在預期值，此時輸入偏航指令為零，飛行器進行偏航增穩控制，使飛行器在狹小空間內保持在預期的平衡位置，在此基礎上進行后一時刻的偏航機動控制；

(2)解算偏航姿態角：通過解算偏航姿態角獲得飛行器當前偏航姿態角估計值；

(3)獲得偏航控制執行指令：計算所述偏航姿態角估計值與偏航姿態角指令值的差值作為偏航姿態角差值；根據所述偏航姿態角差值，進行混控矩陣計算，獲得偏航舵偏量控制執行指令；

(4)偏航力矩產生：將所述偏航舵偏量控制執行指令輸入給偏航控制執行部件；所述偏航控制執行機構部件受控產生偏航力矩，在小范圍內改變飛行器的偏航姿態，使偏航姿態到達指令要求位置。

3.如權利要求1或2所述一種仿生微型撲翼飛行器偏航控制方法和機構，其特征在于，所述解算偏航姿態角包括如下步驟：

(1)由加速度計、陀螺儀、磁力計分別測得偏航角加速度、偏航角速度和磁方向角；

(2)將測得的所述偏航角加速度、偏航角速度、磁方向角作為輸入，采用互補濾波與擴展卡爾曼濾波組成的姿態解算算法得到所述偏航姿態角估計值。

4.如權利要求1所述一種仿生微型撲翼飛行器偏航控制方法和機構，其特征在于，基于PID控制算法獲得偏航控制執行指令包括以下兩個步驟：

(1)計算所述偏航姿態角估計值與所述飛行器偏航姿態角指令值的差值作為所述偏航姿態角差值；

(2)根據所述偏航姿態角差值，采用PID控制算法計算得到偏航姿態角控制執行期望；根據所述偏航姿態角控制執行期望，采用混控矩陣計算出消除所述偏航姿態角偏差值所需的偏航舵偏量，得到偏航舵偏量控制執行指令。

5.一種應用如權利要求1-4任意一項所述的仿生微型撲翼飛行器的偏航控制方法和機構的仿生微型撲翼飛行器，包括機身、偏航控制舵機和呈左右對稱分布在所述機身兩側的左側翼和右側翼，其特征在于，所述左側翼、右側翼均包括翼桿、翼膜，所述翼桿包含前緣翼桿和側翼桿，所述翼膜的上緣和側緣垂直，下緣呈圓弧狀；所述前緣翼桿與所述翼膜上緣連接，所述側翼桿與所述翼膜側緣連接；偏航控制舵機位于側翼桿之間的下方；

當需要右偏航力矩時，所述偏航控制舵機通過其上的舵機臂帶動所述左側翼的側翼桿繞翼根位置向后擺動，所述右側翼的側翼桿繞翼根位置向前擺動，使前拍時所述左側翼的翼膜張緊，攻角減小，所述右側翼的翼膜松弛，攻角增加；后拍時所述左側翼的翼膜松弛，攻角增加，所述右側翼的翼膜張緊，攻角減小，從而使所述左側翼的后拍阻力大于前拍阻力，所述右側翼的后拍阻力小于前拍阻力，進而形成右偏航力矩；

當需要左偏航力矩時，所述偏航控制舵機通過其上的舵機臂帶動所述右側翼的側翼桿繞翼根位置向后擺動，所述左側翼的側翼桿繞翼根位置向前擺動，使前拍時所述右側翼的翼膜張緊，攻角減小，所述左側翼的翼膜松弛，攻角增加；后拍時所述右側翼的翼膜松弛，攻角增加，所述左側翼的翼膜張緊，攻角減小，從而使所述右側翼的后拍阻力大于前拍阻力，所述左側翼的后拍阻力小于前拍阻力，進而形成左偏航力矩。

6.如權利要求5所述的仿生微型撲翼飛行器，所述偏航控制舵機位于所述左側翼、右側翼的側翼桿底端連線的中心處，單一偏航控制舵機的旋轉舵機臂同時帶動所述左側翼、右側翼的側翼桿前后擺動，形成向右或向左的偏航力矩。

7.如權利要求5所述的仿生微型撲翼飛行器，所述偏航控制舵機包括左、右兩個旋轉舵機，分別位于所述左側翼、右側翼的側翼桿下方，所述兩個旋轉舵機的旋轉舵機臂分別帶動所述左側翼、右翼翼的側翼桿前后擺動，形成向右或向左的偏航力矩。