基于體感控制的撲翼飛行器

章逸凡+王源杰+倪博文+陳恒+關(guān)帥

摘 要：文中設(shè)計了一款基于體感控制的撲翼飛行器。該飛行器利用操縱者手部的變化實(shí)現(xiàn)對飛行器姿態(tài)的控制，利用頭部運(yùn)動實(shí)現(xiàn)觀察視角的控制，使操縱者能夠更為有效的體驗真實(shí)飛行的感覺。此外，該飛行器還能夠模仿鳥類的飛行運(yùn)動模式，具有仿生性好、高效節(jié)能等特點(diǎn)，可用于驅(qū)鳥、巡邏等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：體感控制；撲翼

1 作品簡介

本項目旨在開發(fā)并推廣一種基于體感控制的撲翼飛行器，文中設(shè)計的飛行器摒棄常用的遙控手柄控制，利用操縱者手部的變化實(shí)現(xiàn)對飛行器姿態(tài)的控制，利用頭部運(yùn)動實(shí)現(xiàn)觀察視角的控制，使操縱者能夠更為有效的體驗真實(shí)飛行的感覺。飛行器采用撲翼結(jié)構(gòu)，能夠有效模仿鳥類的飛行運(yùn)動模式，具有仿生性好、高效節(jié)能等特點(diǎn)。

該項目市場前景廣闊，能夠有效用于機(jī)場驅(qū)鳥、安保監(jiān)控等領(lǐng)域，具有較高的商業(yè)價值。它利用機(jī)翼關(guān)節(jié)的上下?lián)鋭赢a(chǎn)生升力實(shí)現(xiàn)飛行。其所具有的仿生性兼具靈活性是其他無人機(jī)很難做到的，更重要的是，針對該無人機(jī)的成熟產(chǎn)品尚未在市場中普及，因此更易在市場中立足，且該飛行器融入了當(dāng)今炙手可熱的體感控制與VR控制技術(shù)，設(shè)計新穎，具有極大的市場擴(kuò)展前景。實(shí)物如圖1所示。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

分析了不同驅(qū)動結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行計算與仿真，最終確定使用雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 手勢信號的解讀與分析

利用放置在手上的加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對不同動作加速度信號的采集與分析，將快速變化的加速度信號通過雙重積分和相應(yīng)運(yùn)算轉(zhuǎn)變成漸變的相對位移信號，實(shí)現(xiàn)了對撲翼頻率、轉(zhuǎn)向角度、俯仰角度的手勢控制。利用特定方向的信號功率譜分析實(shí)現(xiàn)特定指令信號的識別，以進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，例如從起飛模式切換至巡航模式的控制。信號解讀程序模塊如圖3所示。

1.3 飛行器控制與通訊

撲翼飛行器主要包括三種運(yùn)動的控制，分別為撲翼的頻率，決定著飛行器的飛行速度與飛行狀態(tài)；尾翼左右轉(zhuǎn)向角度，決定著飛行器的轉(zhuǎn)彎半徑；尾翼的俯仰角度，決定著整個機(jī)體的俯仰角度。而我們相應(yīng)的肢體動作就是為了分別實(shí)現(xiàn)這三個運(yùn)動的單獨(dú)控制。

為了將手部采集的信號傳送至電腦進(jìn)行分析并最終控制飛行器，我們采用圖4所示的總體通訊模式。

為了更好地顯示飛行控制狀態(tài)，我們設(shè)計了相應(yīng)的控制顯示面板，該部分與之前的信號采集分析部分都基于LabView平臺進(jìn)行設(shè)計，其既與控制模塊有較好的兼容性，也具備美觀的UI界面編輯能力。為了增加該飛行器操作的便攜性，我們也開發(fā)了一款能夠在移動設(shè)備上使用的控制界面（如IPAD），可以實(shí)時顯示飛行器的飛行狀態(tài)，控制面板如圖5所示。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）擺脫了傳統(tǒng)遙控器操控的飛行器控制模式，利用安裝在手部的傳感器實(shí)現(xiàn)對不同手勢的區(qū)分與解讀，并控制相應(yīng)的飛行姿態(tài)。

（2）對撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，采用仿生尾翼設(shè)計，提高了飛機(jī)的機(jī)動性。

（3）結(jié)合VR技術(shù)，令用戶可以以鳥的視角進(jìn)行控制，體驗沉浸式交互。

3 市場前景

“飛鴻”飛行器從原理上規(guī)避了與旋翼機(jī)的同類競爭，相較傳統(tǒng)的固定翼與旋翼飛行器，撲翼具有極高的飛行效率與極低的噪音，在很大飛行速度范圍內(nèi)具有高機(jī)動性。撲翼機(jī)外形酷似生物，易于混入生物群體，或本身可組成群體，偽裝成鳥群，難被發(fā)現(xiàn)或探測。撲翼無人機(jī)可以攜帶偵察設(shè)備與武器作為單兵偵察與攻擊平臺?？蛇M(jìn)行特殊偵察，作為信號中繼站等；鳥型撲翼機(jī)可以偽裝為猛禽的造型，輔以聲音，高效完成機(jī)場附近的驅(qū)鳥工作；撲翼機(jī)輕便，容易折疊攜帶，安全穩(wěn)定起降對場地依賴小?！帮w鴻”撲翼無人機(jī)市場主要定位于無害化驅(qū)鳥和隱身化巡邏，具有廣闊的市場前景。endprint