智能飛行鳥(niǎo)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

第1章緒論飛行是人類一直以來(lái)的夢(mèng)想，至今人類仍然再不斷地探索飛行背后的科學(xué)。飛機(jī)的發(fā)萊特兄弟在1903年設(shè)計(jì)并制造出了人類第一架可操控的飛機(jī)。此后的100多年里，各種類型不同用途的飛機(jī)得到了飛速發(fā)展，飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的趨勢(shì)，在目前的飛行器一般可以主要分為三類：固定翼飛行器、旋翼飛行器和撲翼飛行器。其中固定翼飛行器(如各種客機(jī))與旋翼飛行器(如大疆生產(chǎn)的四旋翼飛行器與各種直升機(jī))在實(shí)際生活中已經(jīng)得到了比較成熟的發(fā)展與應(yīng)用，但是撲翼飛行器的研究與應(yīng)用與前兩者在自然界中，飛行的生物，無(wú)論是鳥(niǎo)類還是昆蟲(chóng)，都采用了撲翼飛行的方式。撲翼飛行器所展現(xiàn)出的機(jī)動(dòng)靈活的特性是固定翼飛行器與旋翼飛行器不具備的。撲翼飛行器的特性使得撲翼機(jī)器人使得到了越來(lái)越多的科學(xué)家與工程師的關(guān)注。在許多影視作品中，栩栩如生的龍令人贊嘆。龍能逼真地?fù)鋭?dòng)翅膀，離不開(kāi)工程師與(1)應(yīng)用于國(guó)防(比如軍事偵擦)的微型撲翼飛行器(MAV);(2)應(yīng)用與鳥(niǎo)類與昆蟲(chóng)的仿生撲翼研究；(3)高科技玩具；國(guó)內(nèi)現(xiàn)在關(guān)于撲翼飛行器的研究相對(duì)較少。南京航空航天大學(xué)航空航天系的昂海松教授基于野鴨飛行的視頻簡(jiǎn)化了飛行中機(jī)翼的撲翼模型，并提出了一種新的模型：變速折疊撲翼?yè)鋭?dòng)模型。該模型更接近鳥(niǎo)翼的實(shí)際飛行規(guī)則。通過(guò)非定常渦旋法的對(duì)比計(jì)算，發(fā)現(xiàn)新模型移動(dòng)的撲翼運(yùn)動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)的平均升力系數(shù)明顯高于原來(lái)的勻角速度剛體模型，更適合于小型翼展翼的設(shè)計(jì)。昂海松教授通過(guò)拍打幅度，俯仰幅度和拍打頻率等各種拍打參數(shù)計(jì)算分析了撲翼平均升力系數(shù)的變化曲線，為微型撲翼機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參款撲翼飛行器。該機(jī)構(gòu)使用的一個(gè)杠桿結(jié)構(gòu)，依靠人力驅(qū)動(dòng)機(jī)翼上下擺動(dòng)。盡管該機(jī)構(gòu)并不能實(shí)際飛行，但它被認(rèn)為是撲翼飛行的雛形。隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械從原始的人力驅(qū)動(dòng)變成了液壓、電磁驅(qū)動(dòng)，越來(lái)越多的撲翼飛時(shí)飛行實(shí)驗(yàn)。撲翼機(jī)骨架和機(jī)翼由復(fù)合材料制成，并由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)制造。它們的總量?jī)H為十幾毫克，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和俯仰飛行。飛機(jī)仍然使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄，2014年、2016年與2018年設(shè)計(jì)并制作了SmartBird、BionicOpter、eMotionButterflies和BionicFlyingFox四款仿生撲翼機(jī)器人。為自行式，飛行和著陸，無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)裝置。其驅(qū)動(dòng)形式與MicroBat類似，依靠電機(jī)帶動(dòng)曲柄，從而帶動(dòng)桿件。但是SmartBird的桿件設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，這使得SmartBird能很好地模仿銀鷗的飛行。其外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。BionicOpter的靈感來(lái)源于蜻蜓。它的機(jī)身共有13個(gè)自由度，通過(guò)遙控蜻蜓可幾乎到達(dá)各個(gè)空間角落。每個(gè)翅膀有三個(gè)自由度，分別是：(1)利用一個(gè)空間機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)翅膀的撲動(dòng)，提供推力；(2)利用一對(duì)齒輪副翅膀撲動(dòng)的方向，機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)決定了推力的方向；(3)利用一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了振幅控制，通過(guò)幅度控制器，推力的大小能夠得到調(diào)BionicOpter實(shí)現(xiàn)獨(dú)特飛行特性的先決條件是他得輕量化結(jié)構(gòu)。無(wú)論是傳感器，執(zhí)行器和變速箱等組件，都很設(shè)計(jì)得緊湊，同時(shí)可以很好地協(xié)同工作。其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所eMotionButterflies模仿蝴蝶，機(jī)身高度集成，可體不同，eMotionButterflies可以進(jìn)行群體協(xié)調(diào)飛行。借助蝴蝶的飛行特點(diǎn)，費(fèi)斯托在小型化、輕量化以及功能集成方面又邁出了一步。eMotionButterflies的特點(diǎn)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)集成到了緊湊構(gòu)造空間之中。材料應(yīng)用的降低使接近自然的飛行行為成為可能。其外形與內(nèi)部BionicFlyingFox模仿狐蝠特有的飛行模式。它的技術(shù)(1)配有極其輕薄的翼膜，從兩翼一直延伸到了后肢，使兩翼的面積比較大；(2)翼膜的蜂窩結(jié)構(gòu)可以阻止翼膜上的裂紋擴(kuò)大，從而使得BionicFlyingFox在翼膜(3)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，BionicFlyingFox的所有關(guān)節(jié)點(diǎn)處在同一平面內(nèi)；一起的六桿函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了對(duì)鳥(niǎo)類飛行時(shí)翅膀運(yùn)動(dòng)的模擬。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如下：該機(jī)解每個(gè)關(guān)節(jié)的角度隨時(shí)間的變化。接著用傅立葉級(jí)數(shù)擬合具有光滑連續(xù)周期函數(shù)的離散軌跡，最后利用多項(xiàng)式求解器Bertini求解除了改機(jī)構(gòu)。較好擬合翅尖以及腕關(guān)節(jié)軌跡。但是，為了求解多項(xiàng)式，該方法在2.2GHz的256個(gè)核的圖1-18Calibri的外觀(1)目前大多數(shù)撲翼飛行機(jī)器人的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多為單自由度，能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)一般(3)飛行器偏向輕量化設(shè)計(jì)，拓展功能較少，一般帶負(fù)載能力較差，這導(dǎo)致?lián)湟盹w1.3任務(wù)描述以及實(shí)施方案Inventor是一款強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。本文主要利用Inve編寫(xiě)軟件，本文利用ArduinoIDE編寫(xiě)(1)向下?lián)浯螂A段：向下?lián)浯蚴菗湟磉\(yùn)動(dòng)的主要階段，機(jī)翼展開(kāi)到達(dá)最大區(qū)域，從(2)向上撲打階段：在兩翼運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)后，它們迅速折疊并聚集，然后開(kāi)始向上但長(zhǎng)而尖的羽毛的鳥(niǎo)類會(huì)以連續(xù)的漩渦飛行。飛行模式的選擇也會(huì)在加速和減速之間變3.1空間鏈的選擇翅膀是鳥(niǎo)的飛行器官。研究、設(shè)計(jì)撲翼飛行器離不開(kāi)對(duì)鳥(niǎo)類翅膀的分析。首先需要確立研究對(duì)象。本文選用了喜鵲，一種在大連理工大學(xué)校園中常見(jiàn)的鳥(niǎo)類作為研究對(duì)象。為了研究喜鵲翅膀撲動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，本文將鳥(niǎo)的翅膀的骨架等效成空間四自由度的TRR鏈。其中T代表了肩部二自由度的關(guān)節(jié)，兩個(gè)R分別代表著肘部與腕部的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。如圖所示，T形接頭的第一軸垂直于主體的橫向平面(沿錯(cuò)誤!未找到引用源。的y軸)并且通過(guò)VA來(lái)測(cè)量。T關(guān)節(jié)的第二軸垂直于由肩關(guān)節(jié)，并且通過(guò)VB測(cè)量。該關(guān)節(jié)平行于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，其轉(zhuǎn)動(dòng)分別由VC和VD測(cè)量。令肱骨的長(zhǎng)度為11=45.7200mm、橈骨長(zhǎng)12=58.4200mm,翼尖距離腕關(guān)節(jié)的距離為13=193.0400mm。3.2D-H方程的建立D-H方程主要用在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)上，這種建模方法的過(guò)程如下：(1)在每個(gè)連桿上建立一個(gè)坐標(biāo)系；(2)通過(guò)齊次坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)連桿上坐標(biāo)的變換；(3)在多連桿串聯(lián)的系統(tǒng)中，多次使用齊次坐標(biāo)變換，建立首末坐標(biāo)系的關(guān)系。D-H方程的構(gòu)建需要四個(gè)參數(shù)，分別為：ai,αi-1,di,θi。其中：本文將撲翼機(jī)器人的翅膀即TRR聯(lián)的初始狀態(tài)的D-H參數(shù)定義如下：id0100200300400對(duì)第i個(gè)關(guān)節(jié)，利用這四個(gè)參數(shù)可以將該關(guān)節(jié)的變化矩陣可以寫(xiě)成：把這些連桿變化矩陣連乘可以得到坐標(biāo)系{N}相對(duì)坐標(biāo)系{0}的變化矩陣0T=T?Ti-T…N-T如果能通過(guò)傳感器測(cè)量出關(guān)節(jié)角度的值，翅膀連桿在笛卡爾坐標(biāo)系里的位置與姿態(tài)就可以通過(guò)計(jì)算出來(lái)。3.3Matlab運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析了D-H方程后，本文利用Matlab實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)器人翅膀的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。Toolbox可以完成TRR空間鏈的初步建模，其步驟如下：(1)安裝、啟動(dòng)RoboticsToolbox;(2)將D-H參數(shù)輸入Link函數(shù)建立連桿；N圖3-2運(yùn)動(dòng)鏈建模3.4逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解圖3-4測(cè)量軌跡的位置根據(jù)圖3.1錯(cuò)誤!未找到引用源。中收集的數(shù)據(jù)可以確定空間鏈的運(yùn)動(dòng)。為此，我們首先確定肩肘TR子鏈的構(gòu)型空間，該構(gòu)造是由VA,YB和YC定義的。將圖3.2錯(cuò)誤!未找到引用源。的兩個(gè)視圖手動(dòng)重新繪制到Inventor草圖環(huán)境中，可以獲得每個(gè)點(diǎn)的x,y,z坐標(biāo)。這個(gè)過(guò)程在表3-1軌跡的位置翅尖XVZXyZWV1681399288263398V347845625833672V6628767V769812876表3-1描述了離散的周期軌跡。通過(guò)將每個(gè)數(shù)據(jù)軌跡中的點(diǎn)數(shù)，其間隔為△P=0.05個(gè)單位。這些點(diǎn)表示為，即TR子鏈?zhǔn)侨杂啥冗B桿，當(dāng)指定腕關(guān)節(jié)的點(diǎn)位置時(shí)完全確定。為了解決反向運(yùn)動(dòng)學(xué)，我其中h0和h1分別是原始和雙重部分，值為該變換的平移向量P可以通過(guò)一下關(guān)系來(lái)提取除以(9)并取arctan函數(shù)得到未知的YA。l2=(pxsecyA-l?cosyp)2+(p,-l,sinys)2特征根為可以從方程(12)找到并代入展開(kāi)后的(15)以獲得21√p2+p2coSys+2p,Jsinys-p2-p2-p2-I2+I2=0公式(17)采取的形式已知兩種解決方案通過(guò)將(14)除以(13)并取arctan函數(shù)，我們得到兩個(gè)對(duì)應(yīng)的Vc解，等式(12),(19)和(20)是反向運(yùn)動(dòng)學(xué)解，其描述了將腕部點(diǎn)定位在P處的TR子鏈的兩種構(gòu)型空間。針對(duì)(4)的所有點(diǎn)P求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。在離散化軌跡的每個(gè)點(diǎn)處獲得TR鏈的兩種構(gòu)型空間當(dāng)他們將鳥(niǎo)的肘放在不自然的位置時(shí)，“+”構(gòu)型空間被丟棄。由此產(chǎn)生的TR子鏈構(gòu)型空間序列，代表周期性機(jī)制軌跡。利用Matlab可以求的角度的值。θ0π續(xù)的角度變化函數(shù)。擬合結(jié)果如圖所示。得到該函數(shù)后，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與電機(jī)的運(yùn)動(dòng)a第4章仿生撲翼飛行器動(dòng)力學(xué)分析為了探究撲翼飛行器的輸入力矩與關(guān)節(jié)位置、速度、以及加速度的關(guān)節(jié)的關(guān)系，本文將進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。撲翼飛行器的翅膀的TRR運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)且粋€(gè)開(kāi)放鏈。研究開(kāi)放鏈常用拉格朗日方程以及牛拉格朗日方程的一般形式是：這里Ek是系統(tǒng)的動(dòng)能，Ep是系統(tǒng)的勢(shì)能。通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)能減去系統(tǒng)的勢(shì)能即可得到拉格朗日方程L。動(dòng)力學(xué)方程則可以表示成：對(duì)于撲翼飛行器，可以列出力矩方程：這里M是對(duì)稱正定質(zhì)量矩陣c科里奧利和向心力矩的向量，g是包含重力轉(zhuǎn)矩的向量。拉格朗日方程對(duì)于具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的機(jī)器人非常有效，對(duì)于具有更多自由度的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，就會(huì)變得很麻煩。本部分的目的是分析選取機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)送轉(zhuǎn)化成機(jī)器人的撲翼運(yùn)根軸被約束在翅膀連接件的兩根桿件中(圖5.2),隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)圖5-1驅(qū)動(dòng)件圖5-2翅膀連接件5.2.2BionicOpter的撲翼方向變換機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為0.5,可以起到減少增加力矩的效果。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變翅膀撲打的方向，從而可以為飛行器提供不同方向的動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。BionicOpter的撲翼振幅控制機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。首先是一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動(dòng)曲柄，導(dǎo)致?lián)u桿轉(zhuǎn)動(dòng)。搖桿與凸輪固連。凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑塊的平動(dòng)。5.2機(jī)構(gòu)分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。但是由于滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到較大的摩擦，機(jī)械效率相對(duì)較低。在撲翼飛行器中，常用的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)與單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)。其中雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)具有良好的對(duì)稱性，此外兩翼可以獨(dú)立控制，然而與單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是更多的零部件使得飛行器更重，難以做到輕量化。單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)是最單的一種撲翼運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式，它的效率高、容易輕量化。其缺點(diǎn)是兩翼用同一個(gè)曲柄控制，且存在一定的相位差，控制性能與飛行的穩(wěn)定性稍差。圖5-10雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)圖5-11單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)5.1.3凸輪彈簧機(jī)構(gòu)通過(guò)設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線，凸輪彈簧機(jī)構(gòu)可以輸出需要的撲翼運(yùn)動(dòng)。然而高精度的凸輪制造成本大，并且整體的體積比較的。所以這種機(jī)構(gòu)在撲翼飛行器的應(yīng)用越來(lái)越少了。圖5-12凸輪彈簧機(jī)構(gòu)綜合以上的分析，為了使得設(shè)計(jì)的撲翼飛行器具有良好的控制性能，同時(shí)為了確驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。5.3三維模型制作過(guò)程選取了機(jī)構(gòu)后，本文利用AutodeskInventor進(jìn)行了三維模型制作，其操作過(guò)程如下：(1)利用曲面建模技術(shù)建立鳥(niǎo)的身體，并且將身體作為之后安裝零件的支架；(2)由于身體部分會(huì)被翅膀部分分開(kāi)，建立一個(gè)連接件連接撲翼機(jī)器人的身體；(3)建立翅膀的骨架，骨架的長(zhǎng)度由運(yùn)動(dòng)學(xué)部分給出；為了驗(yàn)證文章運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)部分的結(jié)果，本文利用AutodestInventor的運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行了撲翼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的多項(xiàng)參數(shù)的仿真，其操作過(guò)程如下：(1)為各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)創(chuàng)立運(yùn)動(dòng)副約束；圖5-16翅尖軌跡輸出紹飛行機(jī)器人的執(zhí)行器的選擇與執(zhí)行器的控制方法，以實(shí)現(xiàn)仿生撲翼飛行器的復(fù)雜的運(yùn)且使用簡(jiǎn)單。利用Arduino或51單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)PID控制算法。常用的有ST公司的STM32F103和F407。ARM接口資源與單片機(jī)相比更多。32位的伺服電機(jī)能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的力矩輸出，驅(qū)動(dòng)被控制部分(比如機(jī)械6.3.2直流無(wú)刷電機(jī)近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)在機(jī)器人領(lǐng)域得到了許多的應(yīng)用。MIT的MiniCheetah6.4控制策略位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。[19]利用角度編碼器可以將測(cè)得的角速度積分得到角度，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。用于本文是依據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到角度變化，故采用位置控制。第7章總結(jié)與展望(3)本文僅僅撲翼飛行器的設(shè)計(jì)以及仿真，并未制作模型。可以制作一款模型進(jìn)行撲翼飛行器飛行軌跡控制系統(tǒng)方案如下：在撲翼飛行器虛擬樣機(jī)的支架上任取一根翼?yè)鋭?dòng)頻率F的大小，進(jìn)而控制撲翼飛行器左右KsKs十K,/s十K,反饋信號(hào)位移8傳感器輸入)被控制量位移S運(yùn)行結(jié)果：連接連桿%計(jì)算自由度%計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)方程000000運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：(2)計(jì)算關(guān)節(jié)角度%計(jì)算角度的值，用于傅里葉擬合symspxpypzphillphi2phi3phi4111213thetapx=[1.793.113.372.982.101.480.910.57]phil(i)=atan(-pz(i)/pxAconst=2*11*sqrt(px(i)^2+pCconst=-px(i)^2-pz(i)^phi2(i)=atan(Bconst/Aconst)-acos(-Cconst/sqrt(Aconst^2+phi2(i)=simplify(phi2(phi3(i)=atan((py(i)-11*sin(phi2(i)/(sqrt(px(i)^2+pz(i)^2)-11*cos(ph(3)傅里葉擬合結(jié)果Ab1=-30.43%(-30.43,-30.a4=6.629f(x)=a0+al*cos(x*w)+ba3*cos(3*x*w)+b3*sin(3*x*w)+a4*cos(phiAtheta=[0,pi/4,pi/2,(3*pi)/4,pi,(5*pi)/4,(3*pi)/2,(b2=b3= 0.07097 0.01072bl*sin(x*w)+a2*cos(2*x*w)+b2*sin(2*x*w)+a3*cos(3*x*w)+b3*sin(outputArg1=(1999*cos(2*x)/10000+(727*cos(3*x)/10000+(817*cos(4*x)/12500十(2181*cos(5*x))/50000十(6663*cos(6*x))/100000(2048741513686367*sin(3*x))/576460752303423488+(304498190815433725914323419136-(4918363138652809*sin(5*x))/2305843009213693952十(237*sin(6*x))/10000+(2043*cos(x))/5000+(1899*si%函數(shù)f35637*cos(4*x))/100000-(4*x))/302231454903657293676544-(1117*cos(x))/10000-(4469*sinAconst=2*11*sqrt(pxphi2(i)=atan(Bconst/Aconst)-acos(-Cconst/sqrt(Aconst^2+phi2(i)=simplify(phi2(phi3(i)=atan((py(i)-11*sin(phi2(i)))/(sqrt(px(i)^2+pz(i)^2)-11*cos(phi(4)角度輸出%將求得的角度變化函數(shù)封裝成函數(shù)f1、f2、f3,按時(shí)間變化輸出16個(gè)角度值a1=a'%進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置(5)角度函數(shù)outputArg1=(417*cos(3*x))/125-(1731*cos(2*x))/100+(6629*cos(4**x))/50+11*sin(3*x)-(5749*cos(xoutputArg1=(1999*cos(2*x))/10000+(727*cos(3*x)/10000+(817*cos(4*x))/12500十(2048741513686367*sin(3*x))/576460752303423488+(30449819081543725914323419136-(4918363138652809*sin(5*x))/2305843009213693952