技术专题 |仿生扑翼飞行器研究中动作捕捉系统的应用

仿生扑翼飞行器 (Flapping-wing airvehicle, FAV)是一种模拟昆虫以及鸟类飞行方式的飞行器。仿生学和空气动力学研究表明，尺寸近于鸟类或者昆虫的微型飞行器，利用扑翼方式的飞行效率最高。

相较于固定翼飞行器和旋翼飞行器，仿生扑翼飞行器具有隐蔽性好、伪装性高、噪声小、机动性能好等特点，可用于敌情侦察、目标追踪、电子干扰、损伤评估、核生化取样、部署传感器、中继通信、甚至主动进攻和防御。

仿生扑翼飞行器按照其仿生对象的飞行方式分为仿鸟扑翼飞行器(Ornithopter)与仿昆扑翼飞行器(Entomopter)。研究鸟类和昆虫翅膀的拍动轨迹、拍动频率、翅膀周围空气流场结构以及其翅膀尺度和能量消耗等问题来揭示其飞行的空气动力学原理，对于微型飞行器的设计具有着重要的意义。

使用动作捕捉技术分析扑翼运动学

对于鸟类，翅膀的基本运动方式、翅膀的形状、翼幅负载、翼、面弧度、后掠角以及飞翔的位置，均随每一次扇翅而发生显著变化，扑翼频率和幅度也随翼的连结角和飞行速度而改变。

为了提取不同状态下的翼型以便进行运动学分析，可以利用三维动作捕捉系统获取鸟类飞行时翅翼关节角度与飞行时间的关系。将反光标记贴在鸟的翅膀和身体上，通过跟踪反光点的运动轨迹，获取鸟类飞行的运动学数据，得到扑翼运动对称性、拍动角范围、运动频率及关节角等指标。

同理可以捕捉昆虫扑翼飞行时的状态和轨迹，难点在于将标志点固定在体型微小的昆虫翅膀及身体上。

使用动作捕捉技术设计扑翼飞行器

仿生扑翼的驱动机构主要可以分为两大类，一类是仅仅实现上、下拍动的单自由度扑翼驱动机构；另一类是实现复杂运动形式如扭转、折叠等动作的多自由度扑翼驱动机构。首先建立机构的数学模型，设计飞行器结构，完成扑翼飞行器实物制作后，利用光学动捕系统，在內翼、外翼和曲柄相应位置粘标志点，将获取的实物内外翼翅翼角度曲线，与数学方程及多体动力学仿真分析结果对比，用实物验证运动方程和仿真建模的正确性。

仿生扑翼飞行器是非线性非定常的复杂系统,多采用柔性结构,易受扰动的影响,而且由于飞行器尺寸小，响应传感器和执行机构随着尺寸的减小性能急剧下降,这需要更良好的控制器来实现系统的稳定。仿生扑翼飞行器飞行控制中最关键、研究最广泛的就是飞行姿态控制, 即设计控制器对姿态角 (俯仰角、偏航角、滚动角)以及扑翼角实施控制,从而实现姿态的调整。

哈佛大学研制了世界上第一台拥有飞行能力的昆虫尺度双压电独立驱动仿昆虫 FMAV，飞行器的每个翅膀由一个压电驱动器通过球面四连杆单独控制，通过使用“劈裂信号”驱动，成功产生翻滚、俯仰和偏航三轴力矩。实验过程中采用动作捕捉系统捕捉飞行器的运动和姿态，实时反馈，利用自适应控制，实现了仿昆虫飞行器的稳定起降。

除姿态控制，飞行器的振动控制也是一个重要的环节,决定着飞行器性能表现。飞行过程中,机翼和机身容易受外界干扰以及自身电机、机翼结构运动产生的振动影响, 需要设计控制器对振动进行抑制, 以保证系统的稳定。常用的有振动主动控制和边界控制，如将H∞鲁棒控制的混合灵敏度理论方法应用于飞行器中解决尾翼振动主动控制问题，或利用 Lyapunov 直接法,设计边界控制器实现机翼控制等。NOKOV动作捕捉设备定位精度高达亚毫米级，采样频率达到380Hz，利用动作捕捉系统捕捉内外翼、机身、尾翼上的标志点，验证振动抑制控制器有效性。

NOKOV参与的仿生扑翼飞行器研发举例

NOKOV度量动作捕捉系统具备目前世界顶级性能参数，目前已参与多所高校仿生扑翼飞行器的研发。

山东大学

空间大小：3m*3m

山东大学仿生扑翼飞行器团队在实验室内，用三脚架架设了8个Mars 2H红外光学镜头，在两翼及机身粘贴反光标志点，通过对仿生扑翼飞行器的两翼、机身的空间位置和姿态的捕捉，获取仿生扑翼飞行器两翼不同扑打频率和模式，机身振动规律，并提出仿生扑翼飞行器柔性结构有害振动主动抑制方法。

北京科技大学

空间大小：6m*6m*3m

北京科技大学仿生扑翼飞行器团队，在仿生扑翼飞行器头部及尾翼粘贴三个标志点，将仿生扑翼飞行器视作一个刚体，利用布置在场地四周的NOKOV红外光学镜头，捕捉仿生扑翼飞行器在不同扑动面倾角、扑动频率等状态下，旋转飞行轨迹和姿态变化。

哈尔滨工业大学（深圳）

空间大小：15m*20m*8m（NOKOV燕郊动捕实验室）

哈尔滨工业大学（深圳）徐文福老师团队，为了获取更大空间内仿生扑翼飞行器的飞行位置和姿态，在NOKOV燕郊动捕实验室进行仿生扑翼飞行器飞行实验。考虑到实验捕捉空间大、精度要求高，仿生扑翼飞行器上粘贴主动marker（marker自身发出红外光）。