仿昆蟲(chóng)微飛行器仰俯姿態(tài)伺服控制器的設(shè)計(jì)
顏幸堯，張洪軍，蘇中地，孫在
（中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州310018）
摘要：在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，為動(dòng)態(tài)地研究仿昆蟲(chóng)微飛行器的仰俯姿態(tài)控制方法，微飛行器的仰俯姿態(tài)需要根據(jù)安裝于其上的微型多維力傳感器的輸出扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，為此設(shè)計(jì)了本伺服控制器。控制器采用stc增強(qiáng)型51單片機(jī)作為本控制器的核心，用模擬spi接口與多維力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用電位器作為姿態(tài)角傳感器，外接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)姿態(tài)角度進(jìn)行采樣；采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)仰俯姿態(tài)角角速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并采用pid算法對(duì)姿態(tài)角角速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，以確保仰俯姿態(tài)角速度的控制精度。
關(guān)鍵詞：仿昆蟲(chóng)；mav( micro-aerial-vehicle)；仰俯姿態(tài)；風(fēng)洞
中圖分類號(hào)：tm275：tm383.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010) 07-0001-03
o引 言
隨著尺寸的縮小，各類常規(guī)微飛行器都在氣動(dòng)效率和機(jī)動(dòng)性能上遇到了難于逾越的障礙。
而另一方面，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，飛行昆蟲(chóng)具有很好的氣動(dòng)效率以及******的飛行機(jī)動(dòng)性能。然而，由于飛行昆蟲(chóng)的尺寸非常小，其re數(shù)一般僅為102 - 103數(shù)量級(jí)，所以常規(guī)飛行器的知識(shí)已經(jīng)不再適月；通過(guò)翅膀的高頻振動(dòng)產(chǎn)生氣動(dòng)力的獨(dú)特方式，也無(wú)法找到相對(duì)應(yīng)的常規(guī)理論可對(duì)其進(jìn)行較好的解釋。而其對(duì)飛行姿態(tài)的控制方法，更是無(wú)從知曉。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)飛行昆蟲(chóng)在各個(gè)方面進(jìn)行了很多研究。劍橋大學(xué)的ellington和美國(guó)加州大學(xué)berkeley分校的dudley對(duì)飛行昆蟲(chóng)進(jìn)行了大量的活體吊飛實(shí)驗(yàn)，提出了許多關(guān)于昆蟲(chóng)飛行的看法；加州理工學(xué)院的dickinson研究小組通過(guò)機(jī)枧理，得出了果蠅在飛行中存在尾跡捕獲效應(yīng)；而北航的孫茂采用cfd( computer fluid dvnamics)的方法，發(fā)現(xiàn)果蠅在拍翅的初期存在這明顯的附加質(zhì)量力效應(yīng)。
在進(jìn)行原理性研究的同時(shí)，也有不少研究小組進(jìn)行了仿昆蟲(chóng)微飛行器的實(shí)際制作研究。加州大學(xué)berkeley分校sastnr研究小組早在幾年前就進(jìn)行了mfi課題的研究，設(shè)計(jì)了胸腔式拍動(dòng)方法[13-15]；哈佛大學(xué)的wood設(shè)計(jì)了采用壓電材料驅(qū)動(dòng)翅膀的機(jī)器蒼蠅，尺寸僅有幾個(gè)厘米，可以實(shí)現(xiàn)拍翅上升，但是沒(méi)有任何控制功能；日本chiba大學(xué)liu研究小組，以及國(guó)內(nèi)東南大學(xué)顏景平研究小組等也在進(jìn)行相關(guān)制作研究。
在飛行控制方面，美國(guó)北卡羅那州立大學(xué)的hedrick等研究了鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)的偏航控制，發(fā)現(xiàn)它們都是利用了空氣阻尼效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏航的l19j。除此以外，其他尚未見(jiàn)到仿昆蟲(chóng)微飛行器姿態(tài)控制方面的實(shí)驗(yàn)研究。
本論文設(shè)計(jì)的仰俯姿態(tài)伺服控制器，結(jié)合多維力傳感器和姿態(tài)伺服機(jī)構(gòu)，可方便地在風(fēng)洞中對(duì)仿昆蟲(chóng)微飛行器進(jìn)行仰俯姿態(tài)控制方法的實(shí)驗(yàn)研究。
1系統(tǒng)要求
風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖l所示。根據(jù)固定于仿昆蟲(chóng)微飛行器上的微型多維力傳感器所測(cè)量到的仰俯扭矩，計(jì)算出仰俯姿態(tài)角度的角加速度值，將該信用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)仰俯姿態(tài)角角速度的動(dòng)態(tài)控制。
系統(tǒng)控制器的具體要求如下：
(1)通過(guò)spi（serial peripheral interface，串行外設(shè)接口）總線接收微型多維力傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
(2)可以對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)測(cè)量；
(3)根據(jù)多維力傳感器輸出的信號(hào)，計(jì)算出機(jī)體的仰俯姿態(tài)角加速度和角速度；
(4)采用pid（比例，積分，微分）算法，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)對(duì)機(jī)體的仰俯姿態(tài)改變角速度進(jìn)行反饋精確控制；
(5)可以通過(guò)pc( personal computer)機(jī)設(shè)定pid控制參數(shù)；
(6)可實(shí)時(shí)將當(dāng)前仰俯姿態(tài)角和角速度的計(jì)算值，實(shí)測(cè)值，以及各力、扭矩分螢上傳至pc。
2實(shí)現(xiàn)方案
2.1硬件系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，采用stc增強(qiáng)型51單片機(jī)stc12c5616作為本控制器的核心，該系列單片機(jī)運(yùn)行速度是傳統(tǒng)5l單片機(jī)的12倍；抗干擾能力強(qiáng)，管 |
