昆虫飞行的反馈控制机理实验研究

The feedback control system in insect flight are studied. Base on previous research that insect’s flapping flight is unstable passively, the insect must feedback flight state by sensing organs, such as antenna, halteres and visual system etc., to adapt wing kinematics to stabilize flight. The wing kinematics of dronefly and honeybee under single external stimulus, such as airspeed disturbance, visual speed disturbance and angular velocity disturbance, are measured by using three high speed cameras, and then the change of wing kinematics induced by the disturbance is obtained. The change of aerodynamic force is solved by computational fluid dynamics method based on measured wing kinematics, and the feedback control model is established and feedback parameters, such as gain and time delay etc., are identified. The whole stabilization control model including dynamic system and airspeed feedback, visual speed feedback and angular velocity and angle feedback loop is constructed to simulate free flight under disturbance. In order to verify the feedback control model, the simulation results are then compared with that of real insects in free flight under disturbance. Consequently, the physiological mechanism and control mechanism under insect flight feedback control system contribute to the understanding of physiology, behaviors, evolution and other aspects of insects and provide new ideas to designers of micro air vehicles.

本项目研究昆虫飞行系统中的增稳反馈控制问题。已有研究表明昆虫的拍动飞行本身是不稳定的，其必通过自身的感觉器官，如触角、平衡棒和视觉系统，来感受飞行状态并反馈给翅膀运动来实现增稳控制的。我们用三台高速摄像机，详细测量蜂蝇和蜜蜂在不同单一扰动下翅膀的运动变化，如风速扰动、视觉速度扰动和角速度与角度扰动，获得扰动与翅膀运动的关系；基于测量的翅膀运动，用计算流体力学的方法求解气动力的变化，建立起此扰动变量的反馈控制模型，确定反馈系统增益和延迟等参数。将多个反馈回路带入昆虫飞行的动力学系统，形成完整的增稳控制模型，仿真模拟自由飞行时的扰动运动，并与实验进行比较验证。研究结果揭示昆虫飞行系统反馈控制回路的生理机制和控制机理，为生物学家研究昆虫的生理、行为和进化等问题提供基础，为工程师设计微小飞行器提供灵感。

昆虫飞行技能高超，可轻松应对自然环境中复杂的气流扰动，是仿生扑翼微型飞行器灵感的来源。由于固有的不稳定性，昆虫一定通过各种感受器官反馈外界扰动给飞行控制系统来实现稳定飞行的。本项目研究昆虫在突风下的快速响应和反馈控制问题。我们建立了快速阵风扰动实验平台，实现了扰动脉宽约30 ms，平均速度最大可达1.3 m/s的阵风扰动装置。用三台高速摄像机详细测量了果蝇在系留情况下对突风的快速响应，获得了相应的运动学和形态学数据。以实际测量数据为边界条件，利用计算流体力学的方法获得昆虫翅膀绕流的流场和气动力及力矩，研究分析昆虫对突风的快速响应和相关的力学机理。.结果表明，果蝇对突风的快速响应主要是抵消突风产生的平动运动，控制方式包括减小翅膀在腹部的拍动角（等效于减小拍动幅度，增加拍动平均角），延迟翅膀的翻转，减小抬升角的幅度（即上下拍的翅尖轨迹趋于靠拢）。降低拍动幅度和延迟翻转都会减小升力和阻力，从而抵抗阵风引起的平动运动。总的控制力矩近似不变，说明风速反馈回路并不影响转动运动，转动运动可由其他感受器官进行反馈。实验上证实果蝇通过改变拍动平均角和抬升角来控制俯仰力矩。改变拍动平均角相当于改变了升力的作用点，而改变抬升角，即改变上下拍翅尖轨迹的深浅，利用往复拍动的阻力形成一对力偶来调整俯仰力矩的大小。能耗分析表明果蝇的突风响应并不需要消耗额外的能量。上述结果可指导仿生扑翼微型飞行器的控制设计。