微型昆虫机器人飞控升级，可实现全方位飞行

2023-05-25 19:00

美国一组大学科研团队最近推出一款名为Bee++的昆虫级飞行机器人，该机器人高性能六自由度飞行控制器，是由四个独立驱动的扑翼让机器人动起来。

近几十年来，科学家们一直尝试研发一种可以像昆虫一样飞行并且体积很小的机器人，这些机器人可以用于狭小空间内或者恶劣的环境中完成的搜救、生物研究、人工授粉等工作，但一直受困于合适的材料以及微型的控制器等因素，研发人员们仍在不断地寻找更适合的设计方法。

Bee ++原型机拥有四个由碳纤维和聚脂薄膜制成的机翼以及四个控制每个机翼的轻型驱动器，是第一个能够在各个方向稳定飞行的原型机，包括被称为偏航的棘手扭转运动，Bee ++完全实现了典型飞行昆虫所显示的六度自由运动。

研究团队提出了一种基于李雅普诺夫的非线性控制架构，可实现闭环位置和姿态调节和跟踪的方法，控制算法可以通过独立改变Bee++四个扑动翅膀的振幅来同时稳定位置和姿态，目前的实验数据证明了在昆虫规模飞行期间对DOF信号的持续和稳健的高性能跟踪，这是一个在扑翼微型机器人领域中长期存在的控制问题。

Bee++的重量为95毫克，翼展为33毫米，虽然科学家们努力地把机器人做的更小巧，但目前仍比蜜蜂大一些，目前该机器人的续航仅仅有5分钟，需要依赖电缆供电来维持机器人的运行，未来仍需着重攻克续航的问题。

起初，该研发团队开发的是一种双翼的蜜蜂机器人，但这个机器人的机动性能十分受限。早在2019年的时候，团队曾经制造并试飞成功了一个四翼机器人，该机器人在测试俯仰和滚动等机动动作时候的表现并不优秀，研究人员需要让前翼以与后翼不同的方式拍打以进行俯仰，并使右翼以与左翼不同的方式拍打以进行滚动，从而产生使机器人旋转的扭矩。

据团队研究员介绍，能够控制飞行机器人的偏航运动是成功研发飞行机器人的关键，他可以使机器人在出现动作偏离的状态下修正机器人的飞行姿态，保证机器人有足够的空中稳定性，并且提高偏航运动的能力可以让机器人更加准确地进行规避机动或跟踪物体。

为了机器人可以在空中做出旋转等机动动作，研究人员们参考了昆虫的拍打翅膀的方法，将机器人的翅膀移动，使它们在一个倾斜的平面内高频拍打，从原先的每秒100次增加到160次，初步达到了研究团队的预期效果。

华盛顿州立大学机械与材料工程学院副教授Néstor O. Pérez-Arancibia 是这个研发团队的领导者，他表示：“多年来，人们对如何控制偏航有理论上的想法，但这个问题非常难解决，由于驱动限制，目前还没有人能够稳定运行它，已有的一些解决方案主要是针对机器人的物理设计进行优化，我们的方法是发明一种像昆虫大脑一样的新型控制器，它可以告诉机器人需要做什么。”