[论文解读] Experimental method for perching flapping-wing aerial robots

Raphael Zufferey, Daniel Feliu-Talegón+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Biomimetic flight and propulsion mechanismsEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出了一种受控实验方法，通过使用发射器、受控扑翼飞行、实时基于腿部的错位补偿以及双稳态爪，实现了700克扑翼仿鸟飞行器在树枝上的自主着陆。该方法在9次试验中成功完成6次着陆，冲击力极小且无损伤，标志着向室外、长距离扑翼机器人任务迈出了关键一步。

ABSTRACT

In this work, we present an experimental setup and guide to enable the perching of large flapping-wing robots. The combination of forward flight, limited payload, and flight oscillations imposes challenging conditions for localized perching. The described method details the different operations that are concurrently performed within the 4 second perching flight. We validate this experiment with a 700 g ornithopter and demonstrate the first autonomous perching flight of a flapping-wing robot on a branch. This work paves the way towards the application of flapping-wing robots for long-range missions, bird observation, manipulation, and outdoor flight.

研究动机与目标

• 开发一种可重复、受控的实验设置，用于在室内、受限条件下实现大型扑翼机器人的着陆。
• 解决由于前向飞行需求、有效载荷有限以及大型仿鸟飞行器的垂直振动导致的在树枝上着陆的挑战。
• 通过集成飞行动力学控制、基于视觉的树枝检测和机械爪驱动，实现自主着陆。
• 通过700克仿鸟飞行器验证该方法，实现首次在树枝上的自主着陆飞行。
• 为未来在鸟类观测、操作和长距离任务中实现室外、基于视觉的着陆应用奠定基础。

提出的方法

• 一个2米长的双轨发射器将700克仿鸟飞行器加速至4米/秒，速度和方向一致，确保飞行启动的可重复性。
• 机载三重闭环PI控制器维持俯仰角为30°，并通过调节扑翼频率控制高度，实现在2.5–3米/秒速度下的稳定飞行。
• 安装在爪子腿部的实时光学检测系统向腿部微控制器提供50 Hz反馈，后者在接近过程中调整爪子角度以与树枝对齐。
• 在距离树枝150厘米时，系统激活基于腿部的错位补偿，以在飞行位置存在误差时提高瞄准精度。
• 在距离树枝20厘米时，停止扑翼，双稳态爪（在25毫秒内闭合，产生2牛·米扭矩）启动以固定机器人。
• 爪子上的软硅胶垫和凸起提供足够的摩擦力，以抵消质心偏移并防止脱落。

Figure 1: Side view of a typical perching flight experiment. The robotic birds are accelerated by a launching system to 4 m/s. The birds then separate from the launcher and start the controlled flight phase, where the altitude, pitch, yaw and speed is regulated by an autopilot through elevator, rudd

实验结果

研究问题

• RQ1 大型扑翼机器人如何在前向飞行和垂直振动的影响下，实现一致且可重复的树枝着陆？
• RQ2 需要哪些控制与机械策略，才能实现冲击力极小的自主着陆？
• RQ3 实时基于腿部的错位补偿在提高着陆精度方面的有效性如何？
• RQ4 具有足够扭矩和摩擦力的双稳态爪系统能否可靠地在着陆过程中固定扑翼机器人？
• RQ5 在受控条件下重复试验中，整个着陆流程的性能与鲁棒性如何？

主要发现

• 该实验方法使700克扑翼仿鸟飞行器在9次测试飞行中成功实现6次在2米高树枝上的自主着陆。
• 飞行轨迹在飞行距离8–12米内达到2米高度目标，最大平均垂直误差为16厘米。
• 侧向位置误差极少超过60厘米，表明飞行控制精度足以支持着陆。
• 由于着陆前的前向速度较低（2.5–3米/秒），冲击力保持在150牛以下，显著降低了损坏风险。
• 所有成功着陆飞行中均未发生损坏，第二台机器人无需重新调校即完成着陆，证实了系统的鲁棒性。
• 双稳态爪系统在25毫秒内闭合，产生2牛·米扭矩，硅胶垫和凸起提供的摩擦力有效补偿了质心偏移。