CN108732942A - 扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统和方法。其中，该方法包括：采用获取扑翼飞行机器人的真实数据；根据真实数据进行建模得到扑翼飞行机器人的三维模型；将三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，虚拟控制参数是模拟三维模型在真实世界的物理属性；根据虚拟控制参数通过物理引擎控制三维模型进行仿真飞行的方式。本发明解决了现有技术中对扑翼飞行机器人的仿真飞行过程中无法更好的进行控制姿态的技术问题。

Description

扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体而言，涉及一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统和方法。

背景技术

有关飞行器姿态控制的研究一直是飞行器设计过程中尤为重要的环节。飞行姿态的稳定与可控决定了1.飞行器能否维持合适的飞行攻角，获得持续稳定的飞行升力而不失速；2.飞行器能否根据期望进行灵活可控的转向，躲避障碍；3.飞行器能否在环境恶劣的天气仍然稳定飞行等等。姿态控制研究对提升飞行器的飞行性能和抗干扰能力有着重要的作用，同时它也是实现飞行器路径规划任务的前提。

相较于四旋翼、固定翼等无人飞行器，扑翼飞行机器人的发展仍然不成熟。市面上现有的扑翼飞行机器人，大多数没有考虑姿态控制，而是依靠自身机械结构使机身在飞行过程中保持平稳，这样的姿态稳定方式抗扰动能力不强，存在着较大的局限性。

现有的扑翼飞行机器人多采用电机驱动，通过机械传动，来模拟自然界生物的扑翼动作。采用这种驱动方式的扑翼飞行机器人受到其机械结构的限制，可控变量较少，不能在飞行过程中调节其翅膀的扑动角度、扑动相位等参数，给扑翼飞行机器人的姿态角控制带来困难。

针对现有技术中对扑翼飞行机器的仿真飞行过程中无法更好的控制姿态的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统和方法，以至少解决现有技术中对扑翼飞行机器人的仿真飞行过程中无法更好的进行控制姿态的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真方法，包括：获取扑翼飞行机器人实验场景的真实数据，其中，所述真实数据包括所述扑翼飞行机器人的数据；根据所述真实数据进行建模得到所述扑翼飞行机器人实验场景的三维模型；将所述三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，所述虚拟控制参数是模拟所述三维模型在真实实验场景的物理属性；根据所述虚拟控制参数通过物理引擎控制所述三维模型的进行仿真。

进一步地，将所述三维模型与所述刚体组件建立对应关系并设置所述虚拟控制参数包括：将所述三维模型与所述刚体组件建立对应关系；设置与所述刚体组件相关的刚体参数，其中，所述刚体参数包括质量、重心位置、平动阻力、旋转阻力、是否受重力影响、是否接收其它刚性物体的碰撞、碰撞类型；和/或设置铰链属性参数，其中，所述铰链属性是模拟所述三维模型在真实世界运动规律的属性；和/或设置驱动属性参数，其中，所述驱动属性参数是模拟所述三维模型中的舵机在真实世界产生转角、转速、扭矩的变化。

进一步地，设置所述铰链属性参数包括：对所述三维模型中舵机、舵机臂、以及滚珠轴承和轴销所组成的结构，分别设置所述铰链属性参数。

进一步地，根据所述虚拟控制参数控制所述三维模型的进行仿真之后包括：将仿真过程中的仿真数据与在实验场景下的实验数据保存在指定路径下，其中，所述实验数据是根据扑翼飞行机器人实验场景的真实数据进行飞行实验所获得的；对所述仿真数据与所述实验数据进行分析；根据所述分析结果改进所述虚拟控制参数。

进一步地，获取所述扑翼飞行机器人实验场景的真实数据包括：限制所述扑翼飞行机器人在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度；获得所述扑翼飞行机器人在滚转角平面内的真实数据。

进一步地，获取所述扑翼飞行机器人实验场景的真实数据包括：限制所述扑翼飞行机器人在x轴，y轴，z轴上的平动位移；获得所述扑翼飞行机器人实验场景的真实数据。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统，包括：扑翼飞行机器人，由机翼、机身碳杆、舵机驱动的扑翼结构组成；可伸缩立杆；底座，所述扑翼飞行机器人通过所述可伸缩立杆与所述底座相连；最小系统控制板，用于处理和发送扑翼飞行机器人场景的真实数据，用于控制扑翼飞行机器人进行实验；计算机物理引擎，用于根据所述真实数据进行建模得到扑翼飞行机器人实验场景的三维模型；用于将所述三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，所述虚拟控制参数是模拟所述三维模型在真实实验场景的物理属性；用于根据所述虚拟控制参数通过物理引擎控制所述三维模型并进行仿真。

进一步地，仿真系统还包括：实验平台上位机，用于根据所述扑翼飞行机器人的真实数据进行飞行实验获得实验数据。

进一步地，所述扑翼飞行机器人还包括：自由度限制机构，用于限制所述扑翼飞行机器人在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度；所述自由度限制机构固定在扑翼飞行机器人的质心位置处。

进一步地，所述自由度限制机构包括：滚珠轴承、轴销、底部固定件、中部固定件和顶部固定件，所述中部固定件与所述底部固定件进行连接，所述底部固定件与所述可伸缩立杆进行连接，所述顶部固定件的顶部方孔用于与扑翼机飞行机器人的机身进行连接，所述底部圆孔通过所述滚珠轴承与所述轴销的配合与所述中部固定件进行铰链配合。

在本发明实施例中，采用获取扑翼飞行机器人的真实数据；根据所述真实数据进行建模得到扑翼飞行机器人的三维模型；将所述三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，所述虚拟控制参数是模拟所述三维模型在真实世界的物理属性；根据所述虚拟控制参数通过物理引擎控制所述三维模型的进行仿真飞行的方式，进而解决了现有技术中对扑翼飞行机器人的仿真飞行过程中无法更好的进行控制姿态的技术问题，使得扑翼飞行机器人能够更好的模拟现实中的飞行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真方法的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的控制软件的主界面的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种可选的实验平台部分(扑翼飞行机器人实验场景)的整体示意图；

图4是根据本发明实施例的一种可选的舵机驱动部分的装配的示意图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的自由度限制机构的示意图；

图6是根据本发明实施例的实验平台部分(扑翼飞行机器人实验场景)的三视图；

图7是根据本发明实施例的一种可选的控制结构框图；

图8是根据本发明实施例的扑翼飞行机器人在实验场景中的各部分配合关系的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种扑翼飞行机器人的仿真方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种扑翼飞行机器人的仿真方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取扑翼飞行机器人实验场景的真实数据，其中，真实数据包括扑翼飞行机器人的数据；

步骤S104，根据真实数据进行建模得到扑翼飞行机器人场景的三维模型；

步骤S106，将三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，虚拟控制参数是模拟三维模型在真实实验场景的物理属性；

步骤S108，根据虚拟控制参数通过物理引擎控制三维模型并进行仿真。

上述物理引擎可以采用NVIDIA公司旗下的PhysX物理引擎。

通过上述步骤中的物理引擎赋予三维模型真实的物理属性，来模拟真实世界或实验场景中的物体运动规律，可以将物理引擎与Unity3D开发平台的脚本编译功能相结合，能够实现对具有物理属性的三维模型的控制，从而模拟了扑翼飞行机器人姿态控制的实验，本发明实施例得出的仿真结果比现有技术中的数值仿真结果更加准确，也更好的模拟了扑翼飞行机器人在真实世界实验中的姿态控制，从而解决了在对扑翼飞行机器的仿真飞行过程中无法更好的控制姿态的技术问题，使得仿真结果更加有说服力。

将三维模型与刚体组件建立对应关系时可以设置多种虚拟控制参数，第一种可以是设置与刚体组件相关的刚体参数，其中，刚体参数包括质量、重心位置、平动阻力、旋转阻力、是否受重力影响、是否接收其它刚性物体的碰撞、碰撞类型等；第二种可以是设置铰链属性参数，其中，铰链属性是模拟三维模型在真实世界运动规律的属性；第三种可以是设置驱动属性参数，其中，驱动属性参数是模拟三维模型中的舵机在真实世界产生转角、转速、扭矩的变化。

通过上述虚拟控制参数的设置控制了在仿真平台中如何对三维模型进行仿真，设置不同的虚拟控制参数模拟了不同的情况，使得仿真结果更加贴近真实的实验结果。

在设置虚拟控制参数中的铰链属性参数时，可以对模型特定部件的铰链属性参数特别设定，其他的部件可以不用设定，在一个可选的实施方式中，对三维模型中舵机、舵机臂、以及滚珠轴承和轴销所组成的结构，分别设置铰链属性参数。

通过上述对铰链属性参数的设定使得在仿真过程中，三维模型中的扑翼飞行机器人限制扑翼飞行机器人始终在滚转角平面内进行运动，限制了在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度，从而更好的控制在仿真过程中扑翼飞行机器的姿态。

根据虚拟控制参数控制三维模型的进行仿真飞行之后，在一个可选的实施方式中，先将仿真飞行过程中的仿真数据与实验数据保存在指定路径下，其中，实验数据是根据扑翼飞行机器人实验场景的真实数据进行飞行实验所获得的；再对仿真数据与实验数据进行分析；然后根据分析结果改进控制参数。例如，仿真数据结果及实验数据结果的导出可以使用脚本编译，打包仿真和实验中的相关重要数据信息，并以当前时间为文件名保存在指定的路径之下，方便使用者对仿真和实验结果进行比较和分析，进而更好地改进控制参数。

上述仿真数据结果和实验数据结果可以以三维动画来显示，通过Unity3D平台的场景编辑功能，能够将仿真和实验数据真实的反应在场景中的三维模型中，从而能够让使用者更直观地了解到仿真和实验的结果。

上述过程中根据扑翼飞行机器人实验场景的真实数据进行飞行实验的过程如下：

步骤1：软件检测计算机当前可使用的串口号信息，根据用户的选择，打开相应的串口。

步骤2：读取当前无线串口所接受到的数据流，并进行拆包解算，得到实验平台实际的滚转角姿态数据，再将数据动态显示在屏幕之上，同时，根据所获得的姿态数据还可以实时刷新三维模型的姿态信息，实现对实验平台状态的实时三维动画显示。

步骤3：编写相应的控制脚本，根据串口读取到的姿态角信息以及用户在UI界面输入的所需要的期望角度和设定的控制器参数输出控制信号，实现对实验平台的控制，并将控制效果显示在软件之上。

使用者可以根据需求进行功能切换选择进行仿真获得仿真数据结果还是选择实验获得实验数据结果，进而帮助研究者更好地针对扑翼飞行机器人的姿态控制进行研究，通过将仿真结果与实验结果进行比较和分析可以及时调整控制参数，使得仿真结果更加贴近真实的实验结果，仿真结果更加准确，对扑翼飞行机器人的结构和控制方法改进也具有很好地指导意义。

上述根据扑翼飞行机器人实验场景的真实数据进行飞行实验的过程中，为了弥补现有技术在扑翼飞行机器人姿态控制方面的不足，同时考虑到对三个姿态角同时进行控制有一定的难度，本发明实施例选取扑翼飞行机器人三个姿态角之一的滚转角作为研究对象。事实上，保持滚转角的稳定可控是维持扑翼机器人稳定飞行的前提，一旦滚转角失去控制，会导致飞行器左右两侧的飞行阻力和飞行升力急剧失衡，产生侧向翻滚，进而失速掉落。同时，滚转角的变化也会影响到飞行器的飞行航向和飞行轨迹，因此，针对扑翼飞行器滚转角控制的研究是十分必要的。基于这些因素，在一个可选的实施方式中，在获取扑翼飞行机器人的真实数据时，先限制扑翼飞行机器人在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度；再获得扑翼飞行机器人在滚转角平面内的真实数据。

通过上述方法中限制其他角的自由度的方式，使得扑翼飞行机器人的实验飞行运动数据只需要控制滚转角就可以保持稳定。

为了有效限制住了飞行器的三个平动自由度，在一个可选的实施方式中，首先限制扑翼飞行机器人在x轴，y轴，z轴上的平动位移；再获得扑翼飞行机器人的真实数据。通过上述步骤，可以实现(1)限制了两个旋转自由度，进而减少了被控变量，降低操作中仿真及实验的难度，对后续实验有指导意义。(2)限制了三个平动自由度，进而使得研究人员可在静止状态下对扑翼机的姿态控制进行初步研究，对实验场地的大小要求降低。

下面根据一个可选的实施例对上述步骤进行详细说明：

图2为控制软件的主界面示意图,如图2所示，该软件包含了计算机物理引擎仿真和实验平台上位机两大主要工作模式，可通过选择按钮选择软件的具体工作模式。

计算机物理引擎仿真的实现主要有如下步骤：

步骤1：将设计好的实验平台三维模型(扑翼飞行机器人实验场景)导入开发平台，并按如图3所示的安装方式，使三维模型形成一个完整的装配体。

步骤2：将Unity3D开发平台的刚体组件(Rigidbody组件)依附在导入的三维模型之上，并设置相关的刚体参数，具体包括质量、重心位置、平动阻力、旋转阻力、是否受重力影响、是否接收其它刚性物体的碰撞、碰撞类型等等，使得所导入的三维模型能够在计算机物理引擎的模拟下，得到一个接近于实际物体的动力学模型，获得真实世界中刚体的部分物理属性，达到仿真模拟的效果。

步骤3：将所导入的三维模型中，如图4所示，舵机3B(3B’)与舵机臂3C(3C’)所组合的结构，以及如图5所示，滚珠轴承4B(4C)与轴销4D所组成的结构，分别设置铰链属性。从而使得三维模型能够在物理引擎的计算下真实模拟实验平台实物的运动规律，限制三维模型中的扑翼飞行器也只能在滚转角平面内进行旋转运动，实现仿真效果。

步骤4：将所导入的三维模型中，如图4所示，舵机3B(3B’)与舵机臂3C(3C’)所组合的结构，设置驱动属性(motor属性)，使得三维模型中的虚拟舵机的舵机轴能够像真实舵机一样，在控制信号的作用下，产生角度变化。再通过脚本编译，将虚拟舵机的控制信号输出给虚拟舵机，从而使得虚拟舵机的转角、转速、扭矩等物理参数能够进行实时变化。

步骤5：编写相应的控制脚本，根据虚拟角度传感器的角度反馈以及用户在UI界面输入的所需要的期望角度和设定的控制器参数输出控制信号，实现对三维模型的控制，并将控制效果显示在软件之上。由于三维模型具有计算机通过物理引擎虚拟出来的物理属性，所以其仿真结果具有一定的参考价值。

根据本发明实施例，提供了一种扑翼飞行机器人的仿真系统的实施例，图3是根据本发明实施例的一种扑翼飞行机器人的仿真系统，如图3、8所示，该系统包括：

扑翼飞行机器人，由机翼1、机身碳杆2、舵机驱动的机械结构3组成；

可伸缩立杆5；

底座6，扑翼飞行机器人通过可伸缩立杆与该底座相连；

最小系统控制板，用于处理和发送扑翼飞行机器人的真实数据，用于控制扑翼飞行机器人进行飞行；

计算机物理引擎，用于根据扑翼飞行机器人的真实数据进行建模得到扑翼飞行机器人的三维模型；用于将三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，虚拟控制参数是模拟三维模型在真实世界的物理属性；用于根据虚拟控制参数通过物理引擎控制三维模型的进行仿真飞行。

上述最小系统控制板是由电源模块，主控芯片、姿态传感器及无线传输模块等部分组成；其中，电源模块主要负责电平转换，有7.4V和3.3V两种电压输出，7.4V电压用于舵机供电，3.3V电压用于为主控芯片及姿态传感器供电；主控芯片可以为STM32F103C8T6芯片，主要功能为对姿态传感器信息进行处理，对上位机发送的数据流处理，舵机控制信号的输出等；姿态传感器为MPU6050传感器，它能够输出六轴的由旋转矩阵、四元数、欧拉角格式融合演算的数据；无线传输模块选用HC-12(汇承)433MHz无线串口通信模块，主要功能为向上位机实时发送飞行器的姿态信息及向飞行器反馈上位机处理之后的与输出相关的信息。

如图4所示，上述由舵机驱动的机械结构，可以独立地控制扑翼飞行机器人左右两翼的扑动，通过左右两翼扑动幅度的不同，来控制扑翼飞行机器人的滚转角的姿态变化，进而能够使其保持在一个较为稳定的姿态，保证飞行器的稳定飞行。

在一个可选的实施方式中，该扑翼飞行机器人的仿真系统还包括实验平台上位机，用于根据扑翼飞行机器人的真实数据进行飞行实验获得实验数据。实验平台上位机通过与实验平台(扑翼飞行机器人实验场景)的无线通信，来处理实验平台所发送的姿态信息，通过一定的控制算法，得到与输出相关的参数信息，再反馈给实验平台，实现系统的闭环控制。

在一个可选的实施方式中，该扑翼飞行机器人还包括自由度限制机构4，用于限制扑翼飞行机器人在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度；自由度限制机构固定在扑翼飞行机器人的质心位置处，实现了滚转角自由变化。

通过自由度限制机构有效地限制了飞行器的两个旋转自由度和三个平动自由度，使得扑翼飞行机器人只能发生滚转角的姿态变化，从而更好的控制仿真和实验。

在一个可选的实施方式中，自由度限制机构包括滚珠轴承、轴销、底部固定件、中部固定件和顶部固定件，中部固定件与底部固定件进行连接，底部固定件与可伸缩立杆进行连接，顶部固定件的顶部方孔用于与扑翼机飞行机器人的机身进行连接，底部圆孔通过滚珠轴承与轴销的配合与中部固定件进行铰链配合。

如图5所示。中部固定件与底部固定件进行刚性连接，底部固定件与可伸缩立杆可进行刚性连接，可伸缩立杆被固定在具有一定配重的底座之上，该结构能够很好的限制扑翼飞行器在x轴，y轴，z轴上的平动位移，从而有效限制住了飞行器的三个平动自由度。顶部固定件的顶部方孔4A’用于与扑翼机的机身进行刚性连接，底部圆孔4A”通过四个滚珠轴承与一个轴销的配合与中部固定件进行铰链配合。该结构能够很好地将扑翼飞行器紧密固定在了顶部固定件之上，使得飞行器仅可能在滚转角平面内进行自由旋转，从而有效限制住了飞行器在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度。

计算机物理引擎包括：虚拟传感器，被安置在所导入的三维模型的机身上，用来实时检测仿真中扑翼飞行器的姿态信息，并能够通过脚本实时读取姿态信息，进行后续处理。

下面通过一个可选的实施例结合附图对上述系统的工作原理和产生的技术效果进行详细描述：

如图3和图6所述，机翼1由翼骨和翼面两部分组成，其中翼骨采用碳纤维材料的细杆制成，翼面采用氯化聚乙烯(CPE)膜制成。机身碳杆2选用边长为3mm的空心方型碳杆。可伸缩立杆5为两段杆结构，可根据实际需求改变平台的高度。底座6为铁质底座，用于稳定平台。

图4是根据本发明实施例的一种可选的舵机驱动部分的装配的示意图，如图4所示，在舵机驱动的机械机构中的零件3A选用聚乳酸(PLA)可降解环保材料3D打印成型，3A’为2mm的圆形孔，可使用螺丝和螺母将零件3A与舵机3B(3B’)进行固定。3A”为3mm规格的方型孔，机身碳杆2可经由该孔与零件3A形成紧密配合，进而组装在一起。3C(3C’)为舵机3B(3B’)的配套舵机臂，其带细齿孔的一端可与舵机3B(3B’)通过配套螺丝紧密连接，其细长一端，可通过热熔胶将机翼1的翼骨固定在其上，从而使得该结构能够分别实现左右两翼的上下扑动。

如图5所示，图5是根据本发明实施例的一种可选的自由度限制机构的示意图，自由度限制机构是可以实现飞行器滚转角自由变化的机械结构，其中，顶部固定件4A选用树脂材料3D打印成型，4A’为3mm规格的方型孔，机身碳杆2可经由该孔与零件4A形成紧密配合，进而组装在一起。4A”为6mm规格的圆形孔，滚珠轴承4B可紧密地镶嵌在4A”的两端。中部固定件4E选用树脂材料3D打印成型，4E’为6mm规格的圆形孔，滚珠轴承4C可紧密地镶嵌在其中。轴销4D，可分别插入被固定好的滚珠轴承4B(4C)中，使得零件4A和4E能够发生相对转动。4E”(4F’)为2mm规格的圆孔，可使用螺丝和螺母，通过孔4E”(4F’)将零件4E和4F固定在一起。底部固定件4F可以插在可伸缩立杆5之上。

图7为控制结构框图，如图7所示，主要分为仿真平台和实验平台两部分，采用的控制方法均为增量式的PID控制器，其控制器形式为：

Δu(n)＝Kp·(e(n)-e(n-1))+Ki·e(n)+Kd·(e(n)-2e(n-1)+e(n-2))

其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，e为角度反馈信息，在实验平台中，角度反馈信息e为MPU6050姿态传感器反馈的真实滚转角信息，在仿真平台中，其值为虚拟传感器得到的三维模型的滚转角姿态信息。Δu(n)为控制输入的变化量。

如图8所示，主要由实验平台，最小系统控制板，上位机三部分组成。实验平台的工作步骤如下：

步骤1：最小系统控制板其上的姿态传感器能够实时检测实验平台中机身的翻滚角偏航角度。获取到的角度数据，经过最小系统的初步处理及数据打包后，通过无线传输模块，传输给上位机软件。

步骤2：上位机软件接收到实验平台发送的滚转角角度数据后，对数据进行处理和解算，按照图7所示的控制方法，根据获得的滚转角角度值反馈，计算控制输入。

步骤3：上位机计算得出的控制输入，通过无线模块传输给最小系统控制板，最小系统控制板将所获的控制输入转化为舵机的控制信号，经由控制信号完成对实验平台的控制，形成一个完整的控制闭环。

而采用舵机驱动的扑翼飞行机器人可以控制扑动幅度、相位等，具有更高的灵活性。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真方法，其特征在于，包括：

获取扑翼飞行机器人实验场景的真实数据，根据所述真实数据进行建模得到所述扑翼飞行机器人实验场景的三维模型；

将所述三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，所述虚拟控制参数是模拟所述三维模型在真实实验场景的物理属性；

根据所述虚拟控制参数通过物理引擎控制所述三维模型的进行仿真。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述三维模型与所述刚体组件建立对应关系并设置所述虚拟控制参数包括：

将所述三维模型与所述刚体组件建立对应关系；

设置与所述刚体组件相关的刚体参数，其中，所述刚体参数包括质量、重心位置、平动阻力、旋转阻力、是否受重力影响、是否接收其它刚性物体的碰撞、碰撞类型；和/或

设置铰链属性参数，其中，所述铰链属性是模拟所述三维模型在真实世界运动规律的属性；和/或

设置驱动属性参数，其中，所述驱动属性参数是模拟所述三维模型中的舵机在真实世界产生转角、转速、扭矩的变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，设置所述铰链属性参数包括：对所述三维模型中舵机、舵机臂、以及滚珠轴承和轴销所组成的结构，分别设置所述铰链属性参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述虚拟控制参数控制所述三维模型进行仿真之后包括：

将仿真过程中的仿真数据与在实验场景下的实验数据保存在指定路径下，其中，所述实验数据是根据扑翼飞行机器人实验场景的真实数据进行飞行实验所获得的；

对所述仿真数据与所述实验数据进行分析；

根据所述分析结果改进所述虚拟控制参数。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，获取所述扑翼飞行机器人实验场景的真实数据包括：

限制所述扑翼飞行机器人在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度；

获得所述扑翼飞行机器人在滚转角平面内的真实数据。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，获取所述扑翼飞行机器人实验场景的真实数据包括：

限制所述扑翼飞行机器人在x轴，y轴，z轴上的平动位移；

获得所述扑翼飞行机器人实验场景的真实数据。

7.一种扑翼飞行机器人姿态控制的仿真系统，其特征在于，包括：

扑翼飞行机器人，由机翼、机身碳杆、舵机驱动的扑翼结构组成；

可伸缩立杆；

底座，所述扑翼飞行机器人通过所述可伸缩立杆与所述底座相连；

计算机物理引擎，用于根据所述真实数据进行建模得到扑翼飞行机器人实验场景的三维模型；用于将所述三维模型与刚体组件建立对应关系并设置虚拟控制参数，其中，所述虚拟控制参数是模拟所述三维模型在真实实验场景的物理属性；

用于根据所述虚拟控制参数通过物理引擎控制所述三维模型的进行仿真。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：实验平台上位机，用于根据所述扑翼飞行机器人的真实数据进行飞行实验获得实验数据；最小系统控制板，用于处理和发送扑翼飞行机器人的真实数据，用于控制扑翼飞行机器人进行实验。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述扑翼飞行机器人还包括：自由度限制机构，用于限制所述扑翼飞行机器人在偏航角和俯仰角平面内的两个旋转自由度；所述自由度限制机构固定在所述扑翼飞行机器人的质心位置处。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述自由度限制机构包括：滚珠轴承、轴销、底部固定件、中部固定件和顶部固定件，所述中部固定件与所述底部固定件进行连接，所述底部固定件与所述可伸缩立杆进行连接，所述顶部固定件的顶部方孔用于与扑翼机飞行机器人的机身进行连接，所述底部圆孔通过所述滚珠轴承与所述轴销的配合与所述中部固定件进行铰链配合。