科研團(tuán)隊(duì)：北京科技大學(xué)賀威團(tuán)隊(duì)

關(guān)鍵詞：微型仿生撲翼;路徑跟蹤;室內(nèi)定位驗(yàn)證

仿生撲翼飛行機(jī)器人因其出色的飛行機(jī)動(dòng)性和較低的飛行成本等優(yōu)點(diǎn)，在隱蔽偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。微型仿生撲翼飛行機(jī)器人在此基礎(chǔ)上還具有尺寸小、重量輕、隱蔽性好等特點(diǎn)，在狹窄受限空間作業(yè)任務(wù)中優(yōu)勢(shì)更為突出。

然而，微型撲翼飛行機(jī)器人由于尺寸、負(fù)載和氣動(dòng)機(jī)理等限制，難以直接應(yīng)用傳統(tǒng)飛行器的路徑跟蹤算法，針對(duì)微型撲翼飛行機(jī)器人的路徑跟蹤控制問(wèn)題，北京科技大學(xué)賀威團(tuán)隊(duì)將在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域效果出色的基于矢量場(chǎng)制導(dǎo)的路徑跟蹤控制策略引入微型仿生撲翼飛行機(jī)器人的領(lǐng)域并開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

北科大賀威團(tuán)隊(duì)方案設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)了一款翼展為27厘米、重量?jī)H為18克的微型仿生撲翼飛行機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)自由可控飛行，并具備穩(wěn)定懸停能力。

圖1 團(tuán)隊(duì)自主研制微型仿生撲翼飛行機(jī)器人

針對(duì)微型撲翼飛行機(jī)器人的矢量場(chǎng)路徑跟蹤問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)目標(biāo)路徑的矢量場(chǎng)，并設(shè)計(jì)了直線(xiàn)路徑跟蹤控制器，使飛行器在飛行過(guò)程沿著各點(diǎn)位的矢量場(chǎng)方向飛行，精確地按照目標(biāo)路徑飛行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)路徑的跟蹤。

圖2 直線(xiàn)路徑跟蹤控制器

算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法的可行性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)，得到了微型仿生撲翼飛行機(jī)器人的飛行軌跡以及與目標(biāo)路徑的橫向誤差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在無(wú)其他干擾的理想條件下，無(wú)論目標(biāo)直線(xiàn)位于微型仿生撲翼飛行機(jī)器人的左側(cè)還是右側(cè)，都能準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)直線(xiàn)。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)

在室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用元客視界亞毫米級(jí)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，為室內(nèi)飛行的微型仿生撲翼飛行機(jī)器人提供了高精度、非接觸、間接性的實(shí)時(shí)位姿信息采集，隨后通過(guò)上位機(jī)處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)ZigBee模塊將控制信號(hào)傳輸給微型仿生撲翼飛行機(jī)器人，控制其飛行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論目標(biāo)直線(xiàn)位于微型仿生撲翼飛行機(jī)器人的左側(cè)還是右側(cè)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的飛行后，與目標(biāo)路徑的橫向誤差都能夠穩(wěn)定在20cm范圍以?xún)?nèi)，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)直線(xiàn)路徑的跟蹤。

圖4 室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)

圖5 微型仿生撲翼飛行機(jī)器人飛行路徑

圖6 橫向誤差

關(guān)于「元客視界」

元客視界是凌云光設(shè)立的全資子公司，主要面向元宇宙虛擬現(xiàn)實(shí)、Web3.0時(shí)代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計(jì)算光學(xué)成像等應(yīng)用，已形成光場(chǎng)建模、運(yùn)動(dòng)捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內(nèi)的產(chǎn)品布局。

FZMotion光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是元客視界自主開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量并記錄三維空間內(nèi)點(diǎn)的軌跡、剛體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及人體動(dòng)作，空間定位精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。

FZMotion動(dòng)捕系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)室內(nèi)定位、仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)械臂示教學(xué)習(xí)、氣浮臺(tái)位姿驗(yàn)證、水下運(yùn)動(dòng)捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)與清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開(kāi)展合作。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案，助力科研發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

Huang, H., Liu, Y., Niu, T.et al.Vector field path following for a micro flapping-wing robot.Sci. China Inf. Sci.67, 164201 (2024). https://doi.org/10.1007/s11432-023-4027-x

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