仿生扑翼飞行器研究中NOKOV（度量）动作捕捉系统的应用

Xsens动作捕捉 2023-05-02 6395

仿生扑翼飞行器 (Flapping-wing air vehicle, 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。自达芬奇起就有与仿生扑翼飞行器相关的设计图纸。但由于其飞行系统复杂,在20世纪70年代之后才出现较为系统的研究。仿生扑翼飞行器集仿生学、空气动力学分析、机械结构分析、能源、通信、控制等多学科交叉技术于一身，其发展经历了早期的低频扇动大型载人扑翼机,到中频扇动的仿鸟扑翼机和高频扇动的昆虫扑翼机(低雷诺数条件),理论建模也从最初直接做正弦运动的固定翼，逐步发展到后来运动模式复杂的复合翼。

仿生扑翼飞行器的优势

目前飞行器形式主要为固定翼，旋翼和扑翼三种。固定翼飞行器有最小速度及翼展的限制，机动性和灵活性差，难以实现微型化；而旋翼飞行器依靠螺旋桨的旋转产生动力，对旋翼的尺寸和强度均有一定要求，且要考虑平衡旋转带来的扭矩等问题，实现起来较为复杂。与之相对，仿生扑翼飞行能够通过调整翅膀的运动来利用空气的涡流效应，因此具备较强的机动性以及更大的升阻比和飞行效率，可以将尺寸缩小到极小范围。

扑翼飞行时同时产生升力与推力，将举升、悬停和推进功能集成于一个系统，具有较强的机动性与灵活性。通过调整扑翼系统的扑动参数就可以灵活改变飞行状态，从而可以省略部分控制机构，大大简化结构，减轻机身重量。此外，仿生扑翼飞行器的扑翼可以在水平位置锁定，利用势能在高空进行翱翔，相比直升机的螺旋桨必须不停旋转节省能量。而且理论研究表明，扑翼推进效率比常规推进系统的推进效率要高，最高可达85%。

由于仿生扑翼飞行器具有生物扑翼飞行的众多优点，可以实现原点快速起飞、加速、悬停和降落，且其外形、飞行方式与鸟或昆虫相似，具有隐蔽性好、伪装性高、噪声小、机动性能好等特点，在军工、民用领域有着广泛的前景。在军事上，仿生扑翼飞行器可用于敌情侦察、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。在民用上，仿生扑翼飞行器可用于环境监测、灾情监测、交通道路监控、机场驱鸟等。

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仿生扑翼飞行器研究中NOKOV（度量）动作捕捉系统的应用第3张 — 美剧《黑镜》中的“杀人蜂”群

开发结构合理、性能优良的仿生扑翼飞行器需要综合仿生学、生物学、空气动力学、机械机构设计、控制设计、能源设计等多个学科，目前对于扑翼机的主要研究方向包括飞行动力学、飞行控制、飞行能源等。

仿生扑翼飞行机理

鸟类和昆虫经历了1.5亿多年的进化历程后获得了高超的飞行技巧，可以长时间飞行或迅速完成复杂的飞行动作。因此，通过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。

仿生扑翼飞行器按照其仿生对象的飞行方式又分为仿鸟扑翼飞行器(Ornithopter)与仿昆扑翼飞行器(Entomopter)。鸟类飞行依据飞行特征可以分为滑翔、翱翔和扑翼飞行三类，其中滑翔和翱翔不消耗肌肉收缩能量。扑翼飞行是飞行动物基本的飞行方式，靠肌肉群扑动双翼产生能量，产生升力克服重力,推力克服阻力。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。鸟类翅膀的基本运动方式分为扑动、扭转、挥摆和折叠四种。

鸟翼在进行周期性扑动时，会产生一些列尾涡（涡街）。当位于尾涡中心面上方的一组涡按逆时针转动，而位于下方的按顺时针转动时，在尾涡中心面附近形成一个量值更大且方向与前方来流方向一致的流动区域，此时尾涡诱导出推力。鸟类进化过程中形成了两种截然不同的扑动模式来有效产生升力，即涡环模式和连续涡线模式。

而对于昆虫，扑翼是飞行时必要模式，即使是翱翔时也要辅以扑翼飞行，主要是由于是鸟类与昆虫翱翔时各自的雷诺数不同造成的。而且昆虫的胜利路结构决定其扑翼过程没有折叠动作。不过昆虫扑动、扭转与挥摆运动的幅值比鸟类要大得多，而且运动方式也复杂得多，主要表现在昆虫翅翼有较大幅值的扭转运动、翅翼的弯度也能够改变、昆虫能改变翅翼受力的面积和昆虫采用倾斜拍翅平面等。

早期人们用准定常理论来估算并解释昆虫的扑翼飞行原理不能与实验结果相适应，因此人们开始寻找其高升力机制。目前人们掌握的昆虫产生高升力的机制有以下三种：Weis-Fogh 机制、前缘涡与延后失速和旋转环流与尾流捕获，其中后两种是由实验得出的机制。

利用动作捕捉技术进行仿生扑翼运动学分析

由于鸟类在飞行过程中经常改变翅膀的形状和大小以适应不同飞行速度，为了提取不同状态下的翼型进行运动学分析，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。

使用动作捕捉技术进行仿生扑翼飞行器开发

设计仿生扑翼飞行器结构时，首先要确定驱动机构。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。常用的单自由度驱动机构包括曲柄滑块机构、凸轮弹簧机构、双曲柄双摇杆机构和单曲柄双摇杆机构。建立选定机构的数学模型及多体动力学模型，比较左右扑翼角的数学模型计算曲线和ADAMS仿真得到的曲线，验证数学模型的正确性。完成扑翼飞行器实物制作后，可以利用光学动作捕捉系统，在內翼、外翼和曲柄相应位置粘标志点，将获取的实物角度曲线与前两者对比，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。扑翼机飞行控制中最关键、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。