扑翼飞行器控制系统设计中存在的问题

微扑翼飞行控制系统设计面临的问 １、由于微扑翼飞行器的尺寸和速度都很小，如果靠常规的增稳系统来保持稳定、抵抗扰动，不但效率低，而且还会增加可观的重量，影响微扑翼飞行器的飞行。而采用柔性翼技术，可以不付出过大代价而获得很大的成效。柔性翼设计包括被动式柔性翼设计和主动式柔性翼设计。 ２、扑翼飞行的控制方式不同于常规固定翼飞行器，其姿态的控制主要依靠扑翼运动方式的改变，并配合尾翼的辅助调节。研究关键包括微型扑翼飞行器被动与主动飞行控制的相关基础理论、策略和技术问题，飞行增稳与控制器件与系统的设计及实施方案等。 ３、由于低雷诺数下的空气动力学效应，微型飞行器必须配备高度集成自动化的飞行控制系统，来提供足够的快速反应能力并保持系统的稳定性；另外，微型飞行器所要完成的任务，常常决定其要飞离操纵者的视线，意味着它必须具备自主导航能力。因此，研制体积小、重量轻、功耗低的飞行控制和导航系统对微型飞行器来说非常关键。 ４、控制单元是扑翼式微飞行器中最为重要的部分之一。根据真实昆虫的飞行和无人飞行器的研究提出分层控制结构，它分解复杂的控制问题到简单的多层控制问题，而且通过这种方法，每层控制器可以相互独立，因此增加了建立更多分层的结构。MAR的控制结构具有4个主要的层次:任务规划层、轨迹规划层、模式控制器以及翅膀关节和腿关节运动控制器 。 ５、 扑翼飞行的优势在于： 与固定翼和旋翼飞行相比， 微小扑翼飞行器的主要特点是将举升、 悬停和推进功能集于一个扑翼系统， 可以用很小的能量进行长距离飞行，同时具有较强的机动性，因此更适于在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。 ６、尽可能小的尺寸；简单轻巧的结构；低的能量消耗；高的扑翼频率；快速的稳定性控制等。控制单元， 负责飞行的稳定性控制以及使微扑翼飞行器按照预定的航线飞行。 ７、对微扑翼飞行器控制系统的基本要求是：系统稳定；系统能够实现定点飞行。除了常规的控制方式外，一些适用于ＦＭＡＶ的新的控制理念应运而生。ＦＭＡＶ具有适应流动环境的柔性翼，可以通过对柔性翼进行被动与主动联合控制来改善其空气动力学特性。通过智能设计的检测和控制策略，可测出气流条件的变化并通过致动器动态调整翼的弯度和形状。翼形状控制策略既要考虑性能又要保证稳定性，是一个包括传感器和致动器选择、 控制结构以及气动设计的多学科优化问题。另一种新的控制方式是微自适应流动控制（ＭＡＦＣ）。ＭＡＦＣ技术将自适应控制方法和先进致动器概念（如微尺度协同射流，基于ＭＥＭＳ的微致动器）、脉冲式吹气以及智能结构结合在一起来防止或延缓流动的分离。ＭＡＦＣ将为ＭＡＶ在实现自适应飞行控制方面带来革命性的进展。 ８、一个良好的控制系统应该有很好的稳定性和抵抗外界干扰的能力（即鲁棒性）。由于MAV得尺度效应和表面效应使MAV的雷诺数变小，空气的粘滞力增大，升阻比变小，而且由于质量很轻，惯性量几乎不存在，在飞行中，MAV的升力、阻力、动量都随风速的变化而波动，这对MAV飞行空气动力学的冲击很大。此外，空气迟滞所引起的不稳定气流效应对MAV来说更为显著，这将造成机翼过载很低，难以提供足够的升力。因此在真实环境中，诸如阵风、气流漩涡等外界干扰因素都将严重影响飞行器的飞行姿态，所以稳定性和鲁棒性的研究将是控制系统设计的一个重要方面。