摘要
扑翼飞行是自然界鸟类和飞行类昆虫生物普遍采用的方式。近年来，随着仿生学、微机械电子学、现代控制等学科的快速发展，仿生扑翼飞行器作为模仿生物飞行方式的仿生机器人，受到国内外研究者的广泛关注。与传统的飞行机器人相比，仿生扑翼飞行器具有气动效率高、噪音低、隐蔽性强和机动性强等特点，未来将在军事领域和民用领域得到广泛的应用。然而，由于研究起步较晚，技术尚不成熟，现阶段扑翼飞行器还无法在现实环境中完成复杂的工作。因此，关于扑翼飞行器的飞行机理、机械结构和先进控制算法的研究已经成为飞行器设计和控制领域的热门。本文的主要研究内容是设计制造由三舵机驱动的仿鸟扑翼飞行器，建立该仿生扑翼飞行器的动力学模型，并在此基础上对该仿生扑翼飞行器的飞行控制系统进行设计。本文的主要内容如下： （1）设计和制造一款使用三舵机驱动的仿鸟扑翼飞行器。该扑翼飞行器采用柔性翼设计，利用舵机独立控制机翼和尾翼。其整体结构简单，质量轻便，抗冲击能力强。设计基于STM32F407微控制器的硬件系统，满足扑翼飞行器飞行任务的需求。 （2）对扑翼飞行器动力学模型进行研究。首先，在飞行坐标系的基础上，基于准稳态定理，将扑翼飞行器飞行时受到的气动力分为机身空气动力和机翼扑动力，利用叶素法对两种动力进行建模。其次，分析舵机驱动机翼的特点，建立扑翼飞行器低耦合力矩模型。最后，将气动力模型和力矩模型相结合，建立扑翼飞行器单刚体动力学模型。 （3）确定由内环姿态控制器、外环位置控制器和水平制导律共同组成的扑翼飞行器控制方案。首先，针对扑翼飞行器飞行过程中姿态动力系统内部转动惯量参数不确定的情况，将自适应控制方法和滑模控制相结合，设计了基于PID滑模面的自适应滑模控制器。其次，针对扑翼飞行过程中受内外部的干扰情况，利用线性扩张状态观测器良好的观测性能对干扰进行估计，设计出基于线性扩张状态观测器和PID滑模面的滑模位置控制器，对竖直高度和水平前向飞行速度进行控制。接着，建立具有人工势场性质的虚拟目标点，并在此基础上设计水平切向制导律，控制扑翼飞行器在水平面上对设定航线进行平滑跟踪。最后，利用类Sigmoid函数平滑性的优点，设计出基于类Sigmoid函数的爬升航线，对竖直爬升轨迹进行优化。 （4）结合建立的动力学模型，对扑翼飞行器控制算法进行仿真，分别验证姿态控制器、位置控制器和制导律的性能，以及由上述三种算法组成的级联结构的控制系统执行三维复杂航线跟踪任务的能力。最后在室外实验环境中对搭载飞行控制系统的扑翼飞行器进行飞行实验，验证了飞行控制系统在实际环境中具有一定的有效性。
NETL