扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备技术方案

本发明专利技术提供了一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备，包括：主控制器、全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器和正交编码器；所述主控制器分别与全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器、正交编码器连接；所述全桥驱动器驱动所述无刷电机通过减速齿轮和弹簧进行机翼拍打；所述惯性传感器安装在机身旋转中心，包括九轴传感器和气压计；所述编码器用于获取无刷电机的位置和转速。本发明专利技术提出了共振频率下无刷直接驱动的翅膀的瞬时闭环机翼轨迹跟踪，采用的控制算法能够更好地跟踪给定机翼正弦轨迹，同时适应机翼几何形状和刚度的变化。同时适应机翼几何形状和刚度的变化。同时适应机翼几何形状和刚度的变化。

【技术实现步骤摘要】
扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备


[0001]本专利技术涉及飞行器
，具体地，涉及一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备。

技术介绍

[0002]仿生扑翼飞行器尺寸微小、隐蔽性高、灵活机动，可以在空气中实现悬停、快速逃生、任意方向飞行和快速转弯，类似于昆虫实现超低空飞行，在复杂地形和狭窄空间中高效地执行特定任务，可以搭载传感器，实现信息收集与传输；可以完成传统飞行器所无法完成的工作。
[0003]目前世界上能保证手掌尺度两翅仿生飞行器多为带扑翼机构的构型，其机械结构和驱动方式各异，其中大多数为连杆机构、线传动机构，扑翼机构用于将电机的旋转运动转换为机翼的往复运动从而确保电机高效的运行。但其结构复杂，且会由于不对称加速度和以高频运行的连杆系统引起的寄生结构振动；而对于电机直驱的飞行器来说，其特点是电机带动翅膀，通过控制电机完成翅膀的往返拍打，其结构简单，机理更仿生，可以精准建模，但对控制精度要求较为严格。双翅仿生飞行器在军事以及民用领域存在着巨大的潜在价值和应用前景。目前，国内在电机直驱双翅微型扑翼飞行器的研究工作还比较少，并且电机直驱双翅微型扑翼飞行器可只靠调制机翼运动即可产生多自由度力矩，不需要附加的控制机构，而保证机翼运动的精确跟踪是飞行器平稳飞行的必要前提，因此有必要开展具有鲁棒性和精确性快速性的扑翼飞行器机翼运动控制技术。
[0004]专利文献CN107487456A(申请号：CN201710507621.2)公开了一种机翼加工过程的外翼调姿定位系统，涉及机翼加工领域，它包括：数据采集模块、调姿运动解析模块、控制模块和人机交互模块；所述的数据采集模块与调姿运动解析模块相连接，调姿运动解析模块与控制模块相连接，控制模块和人机交互模块相连接。一种机翼加工过程的外翼调姿定位方法包括：当前机翼实际姿态的数据采集：对待加工机翼的位置、姿态数据进行采集；调姿运动的数据解析及调整：将待加工机翼位置、姿态进行调整；对数控定位柱进行运动控制。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统、方法、介质及设备。
[0006]根据本专利技术提供的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，包括：主控制器、全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器和正交编码器；
[0007]所述主控制器分别与全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器、正交编码器连接；
[0008]所述全桥驱动器驱动所述无刷电机通过减速齿轮和弹簧进行机翼拍打；
[0009]所述惯性传感器安装在机身旋转中心，包括九轴传感器和气压计；
[0010]所述编码器用于获取无刷电机的位置和转速。
[0011]优选的，所述弹簧为扭力弹簧，用于分担电机的输出力矩和能量存储，所述扭力弹
簧安装在负载轴上，在机翼从中间行程位置移开时产生恢复扭矩。
[0012]优选的，机翼由两个独立的无刷电机控制，所述无刷电机通过一级减速齿轮带动机翼进行往复拍打运动，控制无刷电机的电压使得机翼轨迹跟踪预设正弦函数。
[0013]优选的，机翼拍打角度为无刷电机旋转角度的整数倍，其比值为传动机构的齿轮减速比。
[0014]优选的，建立数学模型，进行瞬时闭环机翼轨迹跟踪，表达式为：
[0015]其中，其中，为集总阻尼，K
s
为扭转弹簧弹性系数，K
u
为集总输入增益，N
g
为齿轮传动比，J
m
为电机转动惯量，J
w
为翅膀转动惯量，J
g
为齿轮转动惯量，B
m
为电机转轴阻尼，R
a
为电机的电阻值，K
a
为扭矩常数，φ为机翼拍打位置，为机翼拍打角变化率，u为电机电压。
[0016]根据本专利技术提供的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0017]步骤1：通过正交编码器得到无刷电机的位置和转速，经过转速计算得到机翼拍打位置和拍打角变化率，将设定角度与实际角度的差值作为位置控制器的输入，位置控制器的输出与实际拍打角变化率的差值作为转速环控制器的输入；
[0018]步骤2：根据电流检测电路将定子电流i
a
、i
b
、i
c
经等幅值Clark变换为平面两相电流i
α
和i
β
；将i
α
和i
β
作为等功率Park变换的输入，同时根据正交编码器得到的转子电角度也作为Park变换的输入，得到旋转坐标系下的电流值i
d
和i
q
；
[0019]步骤3：取转速环控制器输出的参考电流与实际电流i
q
的差值作为第一个电流环控制器的输入，输出为交轴电压u
q
；
[0020]步骤4：令参考电流与实际电流i
d
的差值作为第二个电流环控制器的输入，输出为交轴电压u
d
；
[0021]步骤5：根据u
q
和u
d
得到电压矢量判断幅值是否大于调制电压最大值Max_Module，若是，则根据u
q
和u
d
计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统；否则，将u
q
和u
d
在矢量方向缩小幅值，得到参考交轴电压和再计算得到全桥电路六个功率管的导通时间，控制无刷电机和机翼组成的机翼系统。
[0022]优选的，电流的采样频率和电流环控制器的控制频率均为16Khz。
[0023]优选的，转速环的控制周期为2ms。
[0024]根据本专利技术提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
[0025]根据本专利技术提供的一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制设备，包括：控制器；
[0026]所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程
序被处理器执行时实现所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术提出了共振频率下无刷直接驱动的翅膀的瞬时闭环机翼轨迹跟踪，采用的控制算法能够更好地跟踪给定机翼正弦轨迹，同时适应机翼几何形状和刚度的变化。
附图说明
[0028]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0029]图1为本专利技术涉及的机翼运动轨迹的精确闭环控制系统控制与驱动电路原理图；
[0030]图2为本专利技术涉及的机翼运动轨迹的精确闭环控制系统系统框图；
[0031]图3为本专利技术涉及的驱动及采样电阻电路图；
[0032]图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，包括：主控制器、全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器和正交编码器；所述主控制器分别与全桥驱动器、无刷电机、惯性传感器、正交编码器连接；所述全桥驱动器驱动所述无刷电机通过减速齿轮和弹簧进行机翼拍打；所述惯性传感器安装在机身旋转中心，包括九轴传感器和气压计；所述编码器用于获取无刷电机的位置和转速。2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，所述弹簧为扭力弹簧，用于分担电机的输出力矩和能量存储，所述扭力弹簧安装在负载轴上，在机翼从中间行程位置移开时产生恢复扭矩。3.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，机翼由两个独立的无刷电机控制，所述无刷电机通过一级减速齿轮带动机翼进行往复拍打运动，控制无刷电机的电压使得机翼轨迹跟踪预设正弦函数。4.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，机翼拍打角度为无刷电机旋转角度的整数倍，其比值为传动机构的齿轮减速比。5.根据权利要求1所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，其特征在于，建立数学模型，进行瞬时闭环机翼轨迹跟踪，表达式为：其中，为集总阻尼，K
s
为扭转弹簧弹性系数，K
u
为集总输入增益，N
g
为齿轮传动比，J
m
为电机转动惯量，J
w
为翅膀转动惯量，J
g
为齿轮转动惯量，B
m
为电机转轴阻尼，R
a
为电机的电阻值，K
a
为扭矩常数，φ为机翼拍打位置，为机翼拍打角变化率，u为电机电压。6.一种扑翼飞行器机翼运动跟踪控制方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
5中任一项所述的扑翼飞行器机翼运动跟踪控制系统，包括如下步骤：步骤1：通过正交编码器得到无刷电机的位置和转速，经过转速计算得到机翼拍打位置和拍打角变化率，将设定角度与实际角度的差值作为位置控制器的输入，位置控制器的输出与实际拍打角变化率的差值作为转速环控制器的输入；步骤2：根据电流检测电路将定子电流i
a<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，郭倾城，吴朝封，牟家旺，叶伟杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：