科研團隊：北京科技大學賀威團隊
關鍵詞：微型仿生撲翼;路徑跟蹤;室內(nèi)定位驗證
仿生撲翼飛行機器人因其出色的飛行機動性和較低的飛行成本等優(yōu)點，在隱蔽偵察、環(huán)境監(jiān)測等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。微型仿生撲翼飛行機器人在此基礎上還具有尺寸小、重量輕、隱蔽性好等特點，在狹窄受限空間作業(yè)任務中優(yōu)勢更為突出。
然而，微型撲翼飛行機器人由于尺寸、負載和氣動機理等限制，難以直接應用傳統(tǒng)飛行器的路徑跟蹤算法，針對微型撲翼飛行機器人的路徑跟蹤控制問題，北京科技大學賀威團隊將在無人機領域效果出色的基于矢量場制導的路徑跟蹤控制策略引入微型仿生撲翼飛行機器人的領域并開展了相關研究工作。
北科大賀威團隊方案設計
研究團隊首先設計了一款翼展為27厘米、重量僅為18克的微型仿生撲翼飛行機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)自由可控飛行，并具備穩(wěn)定懸停能力。
圖1 團隊自主研制微型仿生撲翼飛行機器人
針對微型撲翼飛行機器人的矢量場路徑跟蹤問題，團隊建立了一個目標路徑的矢量場，并設計了直線路徑跟蹤控制器，使飛行器在飛行過程沿著各點位的矢量場方向飛行，精確地按照目標路徑飛行，從而實現(xiàn)對目標路徑的跟蹤。
圖2 直線路徑跟蹤控制器
算法驗證實驗
為了驗證算法的可行性，團隊進行了MATLAB仿真實驗和室內(nèi)飛行實驗，得到了微型仿生撲翼飛行機器人的飛行軌跡以及與目標路徑的橫向誤差的實驗結(jié)果。
仿真實驗結(jié)果顯示，在無其他干擾的理想條件下，無論目標直線位于微型仿生撲翼飛行機器人的左側(cè)還是右側(cè)，都能準確跟蹤目標直線。
圖3 仿真實驗
在室內(nèi)飛行實驗中，團隊通過采用元客視界亞毫米級運動捕捉系統(tǒng)，為室內(nèi)飛行的微型仿生撲翼飛行機器人提供了高精度、非接觸、間接性的實時位姿信息采集，隨后通過上位機處理數(shù)據(jù)，并通過ZigBee模塊將控制信號傳輸給微型仿生撲翼飛行機器人，控制其飛行。
實驗結(jié)果表明，無論目標直線位于微型仿生撲翼飛行機器人的左側(cè)還是右側(cè)，經(jīng)過一段時間的飛行后，與目標路徑的橫向誤差都能夠穩(wěn)定在20cm范圍以內(nèi)，成功實現(xiàn)對目標直線路徑的跟蹤。
圖4 室內(nèi)飛行實驗
圖5 微型仿生撲翼飛行機器人飛行路徑
圖6 橫向誤差
關于「元客視界」
元客視界是凌云光設立的全資子公司，主要面向元宇宙虛擬現(xiàn)實、Web3.0時代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計算光學成像等應用，已形成光場建模、運動捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內(nèi)的產(chǎn)品布局。
FZMotion光學運動捕捉系統(tǒng)是元客視界自主開發(fā)的運動捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實時跟蹤測量并記錄三維空間內(nèi)點的軌跡、剛體的運動姿態(tài)以及人體動作，空間定位精度可以達到亞毫米級。
FZMotion動捕系統(tǒng)在無人機室內(nèi)定位、仿生機器人運動規(guī)劃、機械臂示教學習、氣浮臺位姿驗證、水下運動捕捉等領域得到廣泛應用，目前已經(jīng)與清華大學、中國科學技術大學、北京航空航天大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校開展合作。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案，助力科研發(fā)展。
參考文獻：
Huang, H., Liu, Y., Niu, T.et al.Vector field path following for a micro flapping-wing robot.Sci. China Inf. Sci.67, 164201 (2024). https://doi.org/10.1007/s11432-023-4027-x
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