仿生飞鸟机器人嵌入式控制器及地面测控系统研究

　　仿生飞鸟机器人模仿鸟类的飞行方式，可主动适应气流环境，因而具有良好的飞行性能，能够在军用、警用、民用等方面发挥重要作用，应用前景十分广阔。与传统固定翼或旋翼无人机相比，飞鸟机器人体型小巧，质量轻，功耗低，所运行的导航和控制算法却更复杂，对飞行控制器的体积、质量和功耗提出了严格的要求，另一方面，在飞行过程中，需要实时监控飞行状态并获取有效的监测信息，需要一套地面测控系统。基于此，本文研制仿生飞鸟机器人的嵌入式飞行控制器以及地面测控系统，满足飞行控制和地面实时监控的需求。

　　基于对仿生飞鸟机器人应用场景的分析，确定了嵌入式飞行控制器和地面测控系统的功能需求，并基于此设计了总体框架，制定了通讯协议。嵌入式飞行控制器采集飞鸟机器人的位置、姿态、角速度、加速度、翅膀扑动频率和尾翼角度等信息，并运行导航和控制算法。地面测控系统与嵌入式飞行控制器之间通过无线链路进行通信，用于对飞鸟机器人发送遥控指令，并能实时接收飞行控制器传回的状态数据。制定的通讯协议能够满足多种数据和指令传输、多鸟同时监控、软件升级和维护的要求。飞行控制器在质量、体积、功耗方面进行了优化，具有小巧、轻型、低能耗的特点。

　　飞鸟机器人的传感器主要包括一套GPS、一套H3144E芯片和两套分别安装于机体和尾翼终端的MPU6050，其中GPS提供经纬度和高度信息，H3144E芯片采集翅膀扑动频率，MPU6050则提供姿态、角速度和加速度信息。嵌入式飞行控制器采用STM32处理器为核心，对上述传感器的测量信息进行实时采集，且能对4路电机进行控制。地面面测控系统的软件基于C#和Labview联合开发，具有随用随关的多窗口控制界面，可实时显示数据信息、绘制状态波形，并通过3D模型动态显示飞鸟姿态；提供5种模式的飞行控制指令，规划飞行轨迹，并通过百度地图显示飞行轨迹等功能。通信上，采用具有广播模式的Zigbee，能进行多鸟飞行的无线通信。

　　在原有样机的基础上，改进了飞鸟机器人的结构，提出了一种不同时到达死点的平行四边形尾翼调节机构方案，以及可调整减速比和补偿加工误差的驱动机构方案。并制作了样机、进行了室内和室外的实验，验证了嵌入式控制器、地面测控系统的功能和性能，实验表明改进后的结构提高了飞行性能。