仿生飛鳥機器人嵌入式控制器及地面測控系統(tǒng)研究

　　仿生飛鳥機器人模仿鳥類的飛行方式，可主動適應氣流環(huán)境，因而具有良好的飛行性能，能夠在軍用、警用、民用等方面發(fā)揮重要作用，應用前景十分廣闊。與傳統(tǒng)固定翼或旋翼無人機相比，飛鳥機器人體型小巧，質(zhì)量輕，功耗低，所運行的導航和控制算法卻更復雜，對飛行控制器的體積、質(zhì)量和功耗提出了嚴格的要求，另一方面，在飛行過程中，需要實時監(jiān)控飛行狀態(tài)并獲取有效的監(jiān)測信息，需要一套地面測控系統(tǒng)?；诖?，本文研制仿生飛鳥機器人的嵌入式飛行控制器以及地面測控系統(tǒng)，滿足飛行控制和地面實時監(jiān)控的需求。

　　基于對仿生飛鳥機器人應用場景的分析，確定了嵌入式飛行控制器和地面測控系統(tǒng)的功能需求，并基于此設計了總體框架，制定了通訊協(xié)議。嵌入式飛行控制器采集飛鳥機器人的位置、姿態(tài)、角速度、加速度、翅膀撲動頻率和尾翼角度等信息，并運行導航和控制算法。地面測控系統(tǒng)與嵌入式飛行控制器之間通過無線鏈路進行通信，用于對飛鳥機器人發(fā)送遙控指令，并能實時接收飛行控制器傳回的狀態(tài)數(shù)據(jù)。制定的通訊協(xié)議能夠滿足多種數(shù)據(jù)和指令傳輸、多鳥同時監(jiān)控、軟件升級和維護的要求。飛行控制器在質(zhì)量、體積、功耗方面進行了優(yōu)化，具有小巧、輕型、低能耗的特點。

　　飛鳥機器人的傳感器主要包括一套GPS、一套H3144E芯片和兩套分別安裝于機體和尾翼終端的MPU6050，其中GPS提供經(jīng)緯度和高度信息，H3144E芯片采集翅膀撲動頻率，MPU6050則提供姿態(tài)、角速度和加速度信息。嵌入式飛行控制器采用STM32處理器為核心，對上述傳感器的測量信息進行實時采集，且能對4路電機進行控制。地面面測控系統(tǒng)的軟件基于C#和Labview聯(lián)合開發(fā)，具有隨用隨關的多窗口控制界面，可實時顯示數(shù)據(jù)信息、繪制狀態(tài)波形，并通過3D模型動態(tài)顯示飛鳥姿態(tài)；提供5種模式的飛行控制指令，規(guī)劃飛行軌跡，并通過百度地圖顯示飛行軌跡等功能。通信上，采用具有廣播模式的Zigbee，能進行多鳥飛行的無線通信。

　　在原有樣機的基礎上，改進了飛鳥機器人的結構，提出了一種不同時到達死點的平行四邊形尾翼調(diào)節(jié)機構方案，以及可調(diào)整減速比和補償加工誤差的驅(qū)動機構方案。并制作了樣機、進行了室內(nèi)和室外的實驗，驗證了嵌入式控制器、地面測控系統(tǒng)的功能和性能，實驗表明改進后的結構提高了飛行性能。
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