仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计

仿生扑翼飞行器作为一种新型的飞行器,具有噪声小、隐蔽性好、机动性强、能量利用效率高等优势,在民用和军用领域具有广阔的应用前景.仿生扑翼飞行器的自主飞行能力是高效执行飞行任务的关键.目前,国内外飞行器的自主飞行研究已经取得了一些成果,然而鲜有以仿生扑翼飞行器为载体的研究.仿生扑翼飞行器特有的驱动结构给自主飞行控制研究带来了较大的挑战.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,本文采用了重量较轻的STM32微型计算平台作为主控芯片设计了硬件系统.由于微型计算平台的算力有限,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,并通过仿真实验与线性制导、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,对其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.     

无尾扑翼无人机动力学建模及仿真

近年来,仿生无人机在战场侦察和飞行巡逻等方面应用广泛,使其成为无人机领域的研究热门,传统仿生无尾扑翼无人机的飞行建模问题通常较为复杂,计算难度较大,因此亟待对此类无人机进行飞行控制的研究。文章针对仿昆虫无尾扑翼无人机的动力学建模问题进行了研究,基于叶素法、准稳态假设模型以及刚体动力学建模方法,对机翼运动进行受力分析,得到机翼的动力学模型;机体采用刚体动力学方法,建立无人机飞行模型。仿昆虫无尾扑翼无人机系统采用PID控制模型对机体纵向动力学模型控制,以俯仰角、阶跃输入方式,通过实验表明,系统的超调量分别为和,调节时间分别为0.5和1,稳态误差符合实验要求。     

基于MEMS技术的SU-8仿昆虫微扑翼飞行器设计及制作

为研制一种轻质仿昆虫微扑翼飞行器,提出了采用微机电系统(MEMS)领域的SU-8光刻胶作为结构材料的制作方案.基于仿生学原理和微机电系统加工技术,设计微扑翼飞行器结构及MEMS 工艺方法.研究结果表明,该种结构设计及制作方案满足设计要求,为仿昆虫微扑翼飞行器的研制提供了一种很好的途径.     

仿生变形飞行器的飞行特性研究

随着无人飞行器的小型化甚至微型化发展,扑翼飞行的优势逐渐显现出来。受鸟类及昆虫飞行运动的启发,分析鸟类及昆虫的扑翼运动特性,设计了一种鸟类扑翼飞行方式,使用涡格法进行了扑翼的气动计算,并采用质点弹道学模型分析了仿生飞行的轨迹特性。仿真结果表明,设计的扑翼运动效果良好。     

基于MEMS的微型手术器中的传感器

基于MEMS的微型手术器是一种可用于微创手术的新型医疗器械。这种手术器实际上是一种微型智能机器人 ,其中的传感器采用MEMS技术制造 ,具有微型、机电一体化集成、智能等特点。介绍了国际上具有代表性的微型手术器及其所采用的新传感技术 ,并探讨了这些传感器的发展和应用前景。     

仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考

在成功研制仿生扑翼飞行机器人样机的基础上，提出仿生扑翼飞行机器人研究中值得思考的若干问题。有关低雷诺数问题,提出以动量定理为基础分析昆虫翅膀产生高飞行升力方法具有合理性的观点；有关非定常微分方程问题，提出非定常微分方程并非解决一切问题之关键的观点；有关翅变形问题，提出采用柔性翅的模型翅膀进行研究的观点。     

微型飞行器的仿生感知与控制

微型飞行器是无人机家族的新成员,它体小质轻的特点决定了它对所需传感器的质量、尺寸、能耗和性能有严格的限制,根据常规传感器已经很难设计出具有良好飞行性能的厘米级微型飞行器。一些学者根据飞行生物感觉器官的工作原理,设计了多种性能优异的仿生传感器。在概述了仿生传感器,特别是光流传感器的研究和发展现状基础上,分析了仿生传感器的研制所涉及的关键技术,讨论了它在微型飞行器控制中的应用前景     

仿鸟类扑翼飞行器研究进展

仿生扑翼飞行器有着优异的气动性能和灵活的飞行能力,在军民领域均有广泛的应用前景,学者们在原理样机研制、扑翼气动机理、驱动机构、飞行控制等多领域取得了一系列重要进展.本文从总体设计方法、驱动机构设计与优化、气动机理等方面综述了仿鸟类扑翼飞行器技术的发展历程与研究进展.首先,从扑翼总体设计方法入手,总结了仿鸟类扑翼飞行器仿生构型,归纳了总体设计参数估算方法;其次,综述了多种构型曲柄连杆机构在扑翼驱动中的应用与优缺点;接着总结了扑翼气动机理研究的实验方法与数值计算方法,分析了不同扑翼气动算法针对不同应用场景在计算成本和准确度方面的优劣情况;最后,对仿鸟类扑翼飞行器系统设计研究现状进行总结,针对原理样机研制过程提出展望.     

微扑翼飞行器控制系统相关技术研究进展

微型扑翼飞行器(FMAV)由于微型化和采用扑翼飞行方式的特征,许多传统理论和设计方法不再完全适用,相关理论和技术仍在不断地发展中,所以对国内外相关理论和技术的发展现状进行及时跟踪和研究,具有非常重要的参考意义;通过调查研究,介绍了与微型扑翼飞行器控制系统有关的低雷诺数非定常空气动力学、控制系统数学模型、控制方案和控制方法等的研究进展,总结出了微型扑翼对飞行器控制系统的设计要求,控制系统的特点和需要解决的关键问题,并展望了未来发展趋势。     

扑翼飞行器的建模与控制研究进展

扑翼飞行器（Flapping-wing air vehicle,FAV）即通过模拟昆虫以及鸟类飞行方式而制造的仿生机器人.与常见的固定翼和旋翼飞行器相比,具有效率高、质量轻、机动性强、耗能低等显著优点,是飞行器发展的重要方向.关于扑翼机的研究始于上世纪后期,现如今从理论探索到机体开发都有了可喜的成果.本文首先介绍了世界领先的几款扑翼飞行器的特点,接着简述了扑翼飞行器在动力学、能源、控制等方面的发展现状,并对未来的研究方向做出了展望.     

Flapping flight for biomimetic robotic insects: part I-system modeling

This paper presents the mathematical modeling of flapping flight inch-size micro aerial vehicles (MAVs), namely micromechanical flying insects (MFIs). The target robotic insects are electromechanical devices propelled by a pair of independent flapping wings to achieve sustained autonomous flight, thereby mimicking real insects. In this paper, we describe the system dynamic models which include several elements that are substantially different from those present in fixed or rotary wing MAVs. These models include the wing-thorax dynamics, the flapping flight aerodynamics at a low Reynolds number regime, the body dynamics, and the biomimetic sensory system consisting of ocelli, halteres, magnetic compass, and optical flow sensors. The mathematical models are developed based on biological principles, analytical models, and experimental data. They are presented in the Virtual Insect Flight Simulator (VIFS) and are integrated together to give a realistic simulation for MFI and insect flight. VIFS is a software tool intended for modeling flapping flight mechanisms and for testing and evaluating the performance of different flight control algorithms.     

The design and micromachining of an electromagnetic MEMS flapping-wing micro air vehicle

An electromagnetic MEMS flapping-wing micro air vehicle at insect scale is presented. The detailed scheme, design, micro fabrication and experiment are given in this paper. Firstly, by commercial software ANSYS and MATLAB, electromagnetic analysis, modal analysis and kinetics analysis are proposed. Moreover, based on the result of theoretical analysis, appropriate structure, material and inherent frequency are selected. Then, a new LIGA-like process based on SU-8 photoresist technology is adopted to fabricate thorax, tergum and vein. Finally, a 3.5 cm wingspan, 144 mg weight prototype is integrated, and then we finish the flapping test for this prototype, which has a flapping resonance frequency range of 120–150 Hz. The test result demonstrates the feasibility solution in the development of FMAV based on MEMS, this work is a stepping-stone on the path toward flying robotic insects.     

用于MEMS传感器批量制造的微装配系统

手工操作限制了MEMS传感器的批量生产.为了降低生产成本,同时提高传感器的产品质量,研制了柔性自动阳极键合系统.该系统包括一系列功能模块,包括精密定位系统、显微视觉子系统、柔性微操作手、加热系统、键合夹具、物流系统以及其它的附属系统.通过模块重构和调整,可实现不同尺寸规格传感器的键合.基于显微视觉以及微装配系统的特性,提出了基于小波变换的自动调焦清晰度评价函数,同时提出了基于改进史密斯预估器的用于克服视觉延迟的伺服控制结构.集成一维微力传感器的微操作手可实现高精度和无损操作.为了实现自动化操作,开发了包括任务规划和实时控制功能的控制系统.试验验证了该系统的自动键合功能.     

MEMS-based gas flow sensors

Micro-electro-mechanical system (MEMS) devices integrate various mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a single silicon substrate in order to accomplish a multitude of different tasks in a diverse range of fields. The potential for device miniaturization made possible by MEMS micro-fabrication techniques has facilitated the development of many new applications, such as highly compact, non-invasive pressure sensors, accelerometers, gas sensors, etc. Besides their small physical footprint, such devices possess many other advantages compared to their macro-scale counterparts, including greater precision, lower power consumption, more rapid response, and the potential for low-cost batch production. One area in which MEMS technology has attracted particular attention is that of flow measurement. Broadly speaking, existing micro-flow sensors can be categorized as either thermal or non-thermal, depending upon their mode of operation. This paper commences by providing a high level overview of the MEMS field and then describes some of the fundamental thermal and non-thermal micro-flow sensors presented in the literature over the past 30 years or so.     

Flapping flight for biomimetic robotic insects: part II-flight control design

In this paper, we present the design of the flight control algorithms for flapping wing micromechanical flying insects (MFIs). Inspired by the sensory feedback and neuromotor structure of insects, we propose a similar top-down hierarchical architecture to achieve high performance despite the MFIs' limited on-board computational resources. The flight stabilization problem is formulated as high-frequency periodic control of an underactuated system. In particular, we provide a methodology to approximate the time-varying dynamics caused by the aerodynamic forces with a time-invariant model using averaging theory and a biomimetic parametrization of the wing trajectories. This approximation leads to a simpler dynamical model that can be identified using experimental data from the on-board sensors and the voltage inputs to the wing actuators. The overall control law is a periodic proportional output feedback. Simulations, including sensor and actuator models, demonstrate stable flight in hovering mode.     

欧美传感器发展趋势

欧美先进传感器的应用现状是全球传感器发展的风向标。介绍了传感器领域的未来发展重点,详细阐述了MEMS传感器、光纤传感器、无线传感器和气体传感器及其应用现状和发展趋势,总结分析了传感器的宏观技术特点,为我国传感器技术发展与应用具有重要的指导意义。     

针对不同类型热敏MEMS器件的高性能前置放大器设计

针对不同应用的热敏MEMS器件的界面电路设计高性能放大器,提出建立与CMOS工艺兼容的热敏MEMS器件前置放大器的IP库的概念。通过提取相关热敏器件的典型参数,设计低功耗、低噪声且分别符合精度和速度等特殊要求的前置放大器,对3种不同结构的放大器进行分析研究,并利用Cadence软件,基于CSMC 0.5μm标准CMOS工艺库进行设计仿真。仿真结果表明:3种不同结构的放大器可以用于相应性能要求的热敏MEMS器件中。     

飞行器健康管理中传感器的应用及趋势分析

传感器技术是飞行器健康管理实现的基本使能技术。详述了光纤传感器、微机电传感器在飞行器健康管理中的应用现状,并讨论了传感器在该领域中的发展趋势。