仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计

孙永斌, 马宝忠, 贺威, 何修宇, 付强. 仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计. 中国科学: 信息科学, DOI: 10.1360/SSI-2022-0067

研究意义

相比于固定翼和旋翼飞行器, 扑翼飞行器是一个新兴的飞行器分支, 具有噪声小、隐蔽性好、机动性强、能量利用效率高等优势, 在机场驱鸟、军事侦查、珍稀鸟类的拍摄和保护等工作中具有广阔的应用前景. 

但是, 扑翼飞行方式的运动机理非常复杂, 这给仿生扑翼飞行器的设计制作与控制带来了不小的挑战.

目前, 全世界已经有许多研究人员开展了扑翼飞行器相关的研究工作, 并取得了一些研究成果. 但是要走向实际应用, 除了可靠稳定的机构设计, 自主飞行能力不可或缺. 

仿生扑翼飞行器特有的驱动结构给其自主飞行控制研究带来了较大的挑战, 其有限的负载能力导致了飞行器无法搭载高性能的计算平台和传感器, 因此如何平衡性能和负载选择合适的计算平台和传感器、基于计算平台设计高效的制导与控制算法成为了该研究的关键.

本文工作

本文以仿猎鹰扑翼飞行器作为研究平台设计了自主飞行控制系统. 

由于仿猎鹰扑翼飞行器的负载较小, 采用了重量较轻的STM32微型计算平台作为主控芯片设计了硬件系统. 

针对微型计算平台算力有限的特点, 本文综合考虑制导精度和运算速度, 提出了一种线性/非线性切换制导算法, 并与线性制导、非线性制导算法进行了对比, 证明了其更加适合于仿猎鹰扑翼飞行器. 

考虑到仿猎鹰扑翼飞行器的机构滞后问题, 对滚转角和高度设计了一个串级PID控制器. 

结合面向仿猎鹰扑翼飞行器的地面站软件, 最终实现了基于仿猎鹰扑翼飞行器的自主定高圆弧轨迹跟踪任务.

实验结果

为验证仿猎鹰扑翼飞行器飞行控制系统设计中的线性/非线性切换制导算法的可行性, 利用Matlab工具对线性制导、非线性制导和线性/非线性切换制导三种制导算法进行仿真, 对比其制导效率和跟踪效果.

仿真结果表明, 相比于线性制导算法, 线性/非线性切换制导算法的运算时间相当, 但制导效果更好, 累计误差更小; 相比于非线性制导算法, 制导效果相当, 累计误差更小, 且运行时间远远小于非线性制导算法. 

因此能够得出结论, 三种制导算法应用于相同的轨迹跟踪任务时, 线性/非线性切换制导算法计算量小, 制导效果良好, 因此制导效率更高, 更加适合于搭载轻量级计算平台的仿猎鹰扑翼飞行器圆弧轨迹跟踪任务.

在室外空旷环境开展了仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行实验. 起飞阶段通过遥控器手动遥控起飞, 当仿猎鹰扑翼飞行器稳定飞行达到一定速度和高度后视为满足自主飞行的实验条件, 通过遥控器切换为自主飞行模式, 飞控系统执行制导和控制逻辑, 使仿猎鹰扑翼飞行器逐渐达到目标高度和目标轨迹.

图16为通过地面站绘制的自主飞行实验飞行轨迹, 可以看出, 仿猎鹰扑翼飞行器从起始位置开始自主飞行, 以明显的飞行趋势靠近目标轨迹, 并在之后以±5 m的误差持续跟踪目标轨迹飞行. 

图17为通过地面站绘制的自主飞行实验高度曲线, 仿猎鹰扑翼飞行器在自主飞行实验中以±2 m的误差在目标高度15 m定高飞行. 实验结果证明了本文针对仿猎鹰扑翼飞行器设计的自主飞行控制系统的可行性和良好性能.

本文内容可能会与最终出版文章有微小差异，点击下方阅读原文按钮，快速获取文章最新版本。

《中国科学：信息科学》| SCIENCE CHINA Information Sciences

及时报道计算机科学与技术、控制科学与控制工程、通信与信息系统、微电子与固体电子学等领域基础与应用研究方面的原创性成果.

英文版投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/scis

中文版投稿：https://www.scicloudcenter.com/SSI/login/index

快速访问：http://scis.scichina.com/