仿生扑翼飞行机器人的振动控制研究

The bionic flapping-wing robotic aircraft is inspired by the flying ways of birds, which is regarded as a rigid-flexible coupling system. Our research focuses on the flexible wings of the aircraft, which make the aircraft have great advantages such as light weight, high flexibility, low energy consumption and so on. However, flexible wings might produce the unexpected vibration and deformation under the influence of air flow. The vibration will degrade the flight performance, even shorten the lifespan of the aircraft. Therefore, designing an effective control method for suppressing vibrations of flexible wings is significant in practice. The main purpose of the project is to develop an active boundary control method for the flexible wings of the aircraft system. The main tasks of the project are dynamic modeling, control design as well as stability analysis, numerical simulations and experiments for the aircraft system. Firstly, using the Hamilton's principle to establish the dynamic model. Secondly, a novel boundary control is proposed for vibration suppression of the flexible wings with unknown external disturbances and constraints, where the constraints are never violated and the system performance is optimized. Thirdly, the stability of the closed-loop system is analyzed through the Lyapunov's direct method, and is verified based on MATLAB and C++. Finally, we are going to test the performance of the proposed control on the established hardware platform. The research results of this project will provide new ideas for control design of the bionic flapping-wing aircraft, and further push the control theory of distributed parameter systems.

仿生扑翼飞行机器人是受鸟类飞行启发而设计的一类刚柔耦合飞行机器人。本项目所研究的扑翼飞行机器人，机翼采用柔性材料，使得飞行机器人具有质量轻、灵活、能耗低等优点。但其柔性扑翼在飞行中受到气流作用会产生预期之外的振动和形变，从而影响飞行性能，甚至缩短使用寿命。因此，设计有效的控制方法，对于研究柔性扑翼飞行机器人具有重要意义。本项目主要研究柔性扑翼飞行机器人的控制系统：首先，从空气动力学出发，利用哈密顿原理建立系统的动力学模型。其次，针对柔性扑翼在约束情况下的控制问题，设计满足约束要求的边界控制算法，同时抑制系统的振动，并实现性能优化。然后，采用李雅普诺夫直接法分析闭环系统的稳定性，并基于MATLAB和C++进行仿真验证。最后，在搭建的扑翼飞行机器人实验平台上测试系统的控制效果。本项目的研究成果将为仿生扑翼飞行机器人的控制设计提供新思路，并进一步发展分布参数系统的边界控制理论。

仿生扑翼飞行机器人是受鸟类飞行启发而设计的一类刚柔耦合飞行机器人。其机翼通常采用质量轻、能耗低、灵活度高、韧性好的柔性材料构成。柔性结构增加了设计和制造上的灵活性，提高了扑翼飞行机器人的系统性能，但其柔性扑翼在飞行中受到气流作用会产生预期之外的振动和形变，从而影响飞行性能，甚至缩短使用寿命。本项目以仿生扑翼飞行机器人的柔性翼为研究对象，研究了柔性翼的主动控制问题，分析了柔性翼的动力学特性，并提出了主动的边界控制方法。本项目考虑了仿生扑翼飞行机器人柔性翼的弹性形变和扭转形变，采用哈密顿原理分析了柔性翼的动力学模型，并建立了精确的动力学模型。针对柔性翼系统的输入输出约束问题，构造了一种障碍李雅普诺夫函数，基于系统的动力学模型提出了具有抗饱和特性的边界控制方法；结合鲁棒自适应方法设计了可实现的主动边界控制策略，并证明了系统的稳定性；针对柔性翼的优化轨迹扑动问题，设计了一种主动的优化边界控制算法，其控制效果基于搭建的实验平台进行了验证。本项目针对柔性翼系统，建立了一套有效的主动边界控制设计方法和稳定性分析方法。本项目的研究成果将为仿生扑翼飞行机器人的控制设计提供新思路，并进一步发展分布参数系统的边界控制理论。在本项目的资助下，项目组共发表标注本项目基金号的SCI或EI检索论文24篇，其中IEEE汇刊论文11篇。在Springer出版英文学术专著2部，授权与项目相关的国家发明专利10项。项目负责人获得了2022年中国自动化学会技术发明一等奖、2022年IEEE/CAA JAS钱学森最佳论文奖、2020年教育部自然科学一等奖等。