小“蜂鸟”大智慧(下)

Aero Vironment微型无尾扑翼机“蜂鸟”研发纪实

3.控制系统

（1）无尾翼飞行控制

Aero Vironment的设计目标是：没有尾翼，仅通过双翼的扑动实现俯仰、滚转和偏航角度的控制。滚转角和俯仰角的控制方式类似于直升机：如果增加左边升力、减小右边升力，扑翼机向右滚转（图31）；同理，如果增加前边升力，减小后边升力，则扑翼机向上抬头（图32）。控制偏航角的方法是：如果要向右偏航，就增加逆时针方向扑翼时的平均阻力，或者把右扑翼平面向后倾斜，并把左扑翼平面向前倾斜。

为了达到良好的控制效果，Aero Vironment尝试了多种方法：改变扑翼幅度、改变扑翼轴心、改变机翼迎角和扑翼平面倾斜（矢量推力）等。最后选择了两种方法：机翼旋转和机翼扭转，并设计了一套类似于直升机倾斜盘的机构，通过这个不旋转、不振动的零件来控制周期运动的翼面。

（2）机翼旋转控制

Aero Vironment先试验了机翼旋转控制方式：机翼绕前缘转动。气动力使机翼转向顺气流方向，这类似于风帆的作用。设定两个限位器，控制机翼上、下扑动时旋转幅度不超过一定值（图33、图34）。随着机翼的旋转，迎角不断增加或减小，升力和阻力也随之不断变化。这样就能控制每个机翼的升力和阻力，从而产生控制力矩。例如左右阻力差产生航向偏转力矩。

Aero Vironment试验了各种传动机构：杠杆、线、杠杆与线组合。其设计难点在于：如何将控制力从机身舵机传递到活动的机翼上，且不损失控制力度和控制精度。最后利用线的弹性，使用线结构将控制力从机身传递到扑动的机翼上。虽然用这套控制系统首次实现了无尾翼盘旋飞行，但其有很多问题：噪声大、控制精度低、效率低。

（3）机翼扭转控制

为了得到更好的性能，Aero Vironment又研究了机翼扭转控制。试验证明，通过调节机翼的扭转幅度，能够控制扑翼升力和阻力的大小，因此可以通过调整薄膜机翼的扭转产生控制力矩。这种方式的优点是，机翼扭转后的气动效率有一定提高。其缺点是设计难度大。

因为机翼的弹性薄膜会随着气流被动变形，所以薄膜的松紧程度会影响机翼扭转角的分布，这类似于风帆的特性。由于机翼薄膜可以绕前缘轴自由转动，因此改变翼根杆的位置即可控制薄膜的松紧程度（图35）。横侧移动翼根杆的位置主要影响扑翼中程的机翼薄膜松紧度，可以控制滚转。前后移动翼根杆的位置主要影响上、下扑动转换区的机翼薄膜松紧度，可以控制俯仰。通过翼根杆前、后、左、右的复合操纵就可实现扑翼机的滚转、俯仰、偏航的控制（图36、图37）。试验证明，相对于旋转控制方式，这种方法机翼只需扭转更小的角度就能实现类似的控制效果。

4.机翼旋转和扭转混合控制

虽然机翼扭转控制方法优点很突出：有较高的控制精度、不损失推力效率、噪声更小、更美观。但在Jupiter试验机上的飞行试验说明，这种控制方法在滚转方向偶尔会发生难以控制的发散。为了研究这一现象，设计者把扑翼机装在台架6自由度仪器上进行试验分析（图38）。

通过试验探明了这一现象的成因：俯仰和偏航控制量耦合产生了滚转力矩（图39），而且这个滚转力矩比较大，难以通过滚转操纵进行矫正。唯一的解决方案就是换用其它俯仰或偏航控制系统。因为用机翼扭转控制偏航比控制俯仰更容易实现，效果也更好，所以Aero Vironment研发了一套复合控制系统：用机翼旋转控制俯仰，用机翼扭转控制滚转和俯仰。在实际制作之前，Aero Vironment先绘制了CAD模型，并进行了虚拟组装（图40、图41）。

在把复合控制系统装入扑翼机前，Aero Vironment先测量了其控制特性。试验结果显示（图42），新的控制系统在交叉耦合方面大大改善，同时单轴控制可靠性达到原有水平，混合控制可靠性达到标准。把它和线控扑翼机构一起装在试验机上，不仅能满足需要，而且能完成一些特技飞行动作。于是最终采用了这套复合控制系统。

（4）航电系统

DARPA并不要求实现完全的自控飞行。AeroVironment采用的是第一视角遥控和机载电子器件无线电反馈遥控的方式。但因为扑翼机本身稳定性不够，所以需要电子设备辅助增稳。

对于设计改进过程中使用的电子器件，主要由电子器件厂家定制。航电系统主要包括：控制所有电子设备的微处理器、用于增稳的微机电系统三轴陀螺仪、接收机、控制动力电机的驱动器电路、控制作动器和DC电流转换器。

航电系统研发过程主要分两个阶段。第一个阶段不使用印刷电路板，而是在一块木质基板上堆砌各种用电线连接的电子设备（图43）。这是为了便于修改和测量，从而降低研发资金和时间成本。第二阶段的航电系统进行了比较大的改进：更换了微处理器、陀螺仪和直流电机驱动电路的离散驱动电路，增加了一块记录数据的闪存芯片。最终的电路板总重0.65g（图44），其形状是根据安装位置和“蜂鸟”整流罩外形设计的。

微处理器中的程序在台式机上开发，其功能主要是增稳、执行操纵手指令、存储数据、监督任务进程等。微处理器对航向速率、俯仰速率、滚转速率、航向舵位、俯仰舵位和滚转舵位以及扑翼频率进行闭环控制。操纵手在地面站控制扑翼机的扑翼频率、偏航速率、俯仰速率和滚转速率。

与固定翼飞机和直升机不同的是，扑翼机机舱内的震动非常强烈。扑翼产生升力的行程贯穿整机重心的前后，导致机身一直在俯仰方向绕重心震动。另外，因扑翼过程中的加速度不断有周期变化，使机身因惯性力作用而产生前后方向的震动。这些震动带来很多实际问题。

Aero Vironment经过试验发现，即使标牌上的性能参数一致，但是不同厂商的陀螺仪在这种特殊环境中的性能却大相径庭。例如图45的两组实测数据证明，两个陀螺仪都安装在以40Hz扑翼频率飞行的扑翼机上，安装位置也相同，但是其中一个能正常工作，而另一个则超过了工作范围。因此，在扑翼机上，必须选用能适应振动环境的电子设备。

扑翼机很小很轻，基本没有滑翔状态，如果失去控制，马上就会坠落，故需使用高速、轻质、小功率伺服机构。为此，Aero Vironment尝试使用了记忆合金和压敏技术，但其性能无法达到要求。他们最终还是采用了传统舵机，购买了市面上最轻的直流舵机，配以轻质、精密的传动机构和无摩擦磁力反馈系统。为了提高精度，将舵机和反馈系统安装在控制结构的铰链轴上。

为了进一步减轻重量、提高精度，Aero Vironment去掉了连接舵机和控制机构的传动机构，把控制机构与舵机直接相连（图46）。

航电系统和舵机需要不同的电压，均低于动力电池的7.9～12.4V。Aero Vironment最初使用了线性调压器，但是随着对更大航程的追求，迫切需要换用效率更高的直流调压器。因此他们把调压电路整合在定制电路板中，将原来的47%转换效率提高到了78%。

动力组采用一台直流电机，用电压调节电路控制其转速，以产生不同的扑翼频率。经过台架试验和设计优化，将电机和电路的复合效率从63%提高到了68%，而且没有增加任何重量。

机载摄像头分辨率很低，视频需通过2.4GHzFM信号传到地面站。摄像头和发射机的总重是0.61g。

（5）建模优化

试验发现，很难同时满足翼展和续航时间的要求。而事实上，续航时间比翼展限制更重要。为了平衡各项性能，Aero Vironment使用了建模、多学科优化的方法（图47）。

4.与真实蜂鸟的比较

DARPA要求飞行器的外观模仿某种自然生物，以提高隐蔽性。Aero Vironment研发的“蜂鸟”在外观和某些飞行特性上模仿了蜂鸟，但并没有面面俱到的“复制”。蜂鸟的无尾控制方式被移植到了扑翼机中，但它的“8”字扑翼轨迹并未被采用。毕竟，自然界的生物与电子机械结构的无人机相比，天生就不同。蜂鸟的肌肉功能是机械结构暂时无法模仿的，而蜂鸟的血肉之躯在转动能力方面不如机械。

“蜂鸟”无人机最后的总重为19g，翼展为16.5m，扑翼频率为30Hz（图48）。其重量和翼展都属于自然界蜂鸟的正常范围，只是其单位翼载超过了大部分蜂鸟，而趋向于昆虫的数值。30Hz扑翼频率略高于同等翼展的蜂鸟（图49）。