摘要：仿生扑翼飞行器在微型化研究中存在机器质量过大、飞行动力不足的问题。为此提出了一种结构相对简单的双舵机驱动式仿蝴蝶扑翼飞行器的设计方案。该方案主要分为整体结构设计和控制系统设计两部分。在结构上机身等部件用强度高、质量轻的碳纤维制成，极大程度地减轻了机器的重量。在控制上飞行控制板采用STM32F103C8T6单片机作为中央处理器，通过蓝牙模块实现与上位机的无线通信，输出PWM波信号驱动舵机，实现生物蝴蝶的大部分飞行方式。携带的MPU6050陀螺仪模块将飞行器的飞行姿态实时反馈给中央处理器，调整飞行器的飞行姿态，实现飞行时的平稳性。同时利用Proteus软件分析各项功能的合理性和可行性，并且进一步完成样机的制作与测试。仿真与实物测试结果表明：该飞行器总质量仅为37.5 g，同时能够在相距9 m的距离内保证与上位机无线通信的顺畅，实现向前方向飞行以及转弯等飞行方式，解决了因质量过大导致飞行动力不足的问题，为扑翼飞行器的微型化研究提供了一个可行的方案。

　　关键词：双舵机驱动式；STM32单片机；蓝牙；MPU6050陀螺仪

　　0引言

　　随着科学技术的发展，仿生扑翼飞行器的研究逐渐深入。与传统的固定翼和旋翼飞行器相比，仿生扑翼飞行器有着一些自己独特的优势，具有飞行效率高，机动性强，易于隐蔽等优点，无论在民用领域还是军用领域都具有十分广阔的前景。自20世纪提出微型飞行器的概念之后，国内外就开始投入大量的财力物力对其进行研究。直至今日国内外在该领域都取得了不错的成果。

　　2016年德国公司Festo申请通过了一项关于仿生蝴蝶机器人的专利。该公司研制的仿生蝴蝶机器人的主体和翅膀骨架均采用碳纤维材料制成，翼展可达50 cm，翅膀拍动频率为1～2 Hz，飞行速度1～2.5 m/s，使用7.4 V 90 mA聚合物锂电池，在充电15 min后能够飞行34 min。在各种传感器的辅助下该仿蝴蝶机器人具备了集群和自动避障的功能。

　　相对于国外，国内对该领域的研究稍晚了几十年。但直至今日，国内在该领域也取得了不错的进展。北京航空航天大学的宗光华等通过分析测力系统的动态特性以及受激励后的响应，得到了扑翼产生的周期升力和升力与扑翼参数的关系，为进一步设计扑翼式微型飞行器提供了依据。北京科技大学的黄海丰等研制了一款能够实现自由可控飞行的仿生蝴蝶扑翼飞行机器人，其翅膀独立驱动，几何学与生物蝴蝶翅膀的形态特征非常吻合，能实现横向、纵向和垂直方向上等生物蝴蝶的大部分飞行方式。同时使用多摄像头运动捕捉系统记录分析机器人的飞行特性，提出生物蝴蝶波动式的飞行轨迹可能是由于翅膀扑翼运动被动引起的，而非自动控制。

　　目前的扑翼飞行器的研究逐渐趋于微型化，虽然具有良好的前景，但也带来了翼面过小、质量过大而导致飞行动力不足等缺点。本文设计的仿生蝴蝶机器人主体（舵机架）和翅膀骨架均采用具有高韧性、高强度和质量轻等优点的碳纤维3D打印而成，机身部分零件用不同直径的碳棒构成。同时摈弃传统的机械传动机构，使用直接舵机驱动翅膀的方式进行扑翼。在结构和材质上达到轻量化的目的，解决了质量过大导致飞行动力不足的缺点。

　　1整体结构设计

　　为了固定和连接两个舵机，采用3D打印技术制作一个舵机架。舵机架上包含了一个轴孔，插入一根直径为3 mm，长度为10 mm的碳棒1。由舵机、舵机架和碳棒1组成机身。蝴蝶在飞行时在翅膀的前后缘和侧缘形成一个涡环，在蝴蝶翅膀下拍中产生的大升力与该涡环有关。黄烁桥等研究得出蝴蝶在飞行时身体的上下晃动能够增加涡环，进而产生大升力。因此为了在结构上增加飞行时的升力，在碳棒1之后插上一根外径4 mm，内径2 mm，长度20 mm的硅胶软管，并且在硅胶软管的另一端插上一根长度为80 mm的碳棒2，飞行控制板和电源就固定在碳棒2上，其位置可以调整。有了硅胶软管的存在，蝴蝶机器人在飞行时，机身与碳棒2之间能够达到上下晃动的目的。

　　左右翅膀各包含一个前翅和后翅，用连接件1和连接件4将二者固定起来，这样每当仿生蝴蝶上拍或下拍时，总迎风面为整个翅面，有助于提高飞行时升力峰值，获得最大升力总量。翅膀由翼脉和翅膜组成。翅膀翼脉用直径为1 mm的碳纤维棒搭建，为了搭建时便捷性和稳固性，在碳纤维棒的连接处用连接件2、3、4连接。翅膜采用P31n伞布制成，这种伞布是风筝布中比较优秀的一款，其本质为具有硬涂层的尼龙布，材质较硬，抗撕裂效果极其优秀，密闭防水，同时它色彩鲜艳能够很好地仿制生物蝴蝶的外形色彩。蝴蝶机器人结构设计图如图1所示。

　　为了设计出生物蝴蝶相似的翅膀突出前缘，翅膀连接件1与舵机连接件之间采用直插的方式，可以适当地旋转翅膀连接件1，寻找合适的翅膀前缘角度，并且更方便更换翅膀。该部分的设计如图2所示。

　　2控制系统设计
       2.1硬件设计

　　2.1.1舵机驱动模块

　　根据仿生蝴蝶机器人轻量化设计原则和对扭矩控制、转动速度的要求，舵机采用KSTX80plus微型数字金属舵机。该款舵机尺寸为23.5 mm×8.0 mm×16.7 mm，总质量仅为9 g，工作频率为333 Hz，工作脉宽为1~2 ms，工作电压为3.8～8.4 V，最大扭矩为0.53 N·m。在舵机的控制中控制信号多为周期20 ms，频率为50 Hz的PWM波信号，其脉宽长度为0.5~2.5 ms，对应舵机的转动角度0°~180°,其输出角度与输入的脉宽长度呈线性关系。扑翼飞行器在一定的扑频范围内，其升力和推力随着扑动的频率变化而变化。因此可以通过改变仿生蝴蝶的扑动频率来控制其飞行方式，例如爬升、下降和向前加速、减速等。本文设计的仿生蝴蝶机器人通过控制舵机的转动频率和幅度来间接控制翅膀的扑动频率和幅度。从而模拟出生物蝴蝶大部分飞行方式。

　　考虑实际情况，在实验中采用4.2 V的电源对系统进行供电。翅膀扑动频率为1～5 Hz。当仿生蝴蝶机器人想要偏航飞行时，左右翅膀以相同的频率、幅度，不同的初相角进行扑动，在该种情况下同一时间，左右两边翅膀产生的力大小不同。通过力的分解可以将产生的力分为水平和垂直方向上的力，垂直方向上的力用来克服自身重力，水平方向上的合力产生偏航力矩，从而实现偏航。当仿生蝴蝶机器人想要向前飞行时，只需要使左右翅膀的驱动模式为一致，即左右翅膀的扑动频率、幅度和初始角度均相等。在该种情况下，仿生蝴蝶机器人在水平方向上是没有偏航力矩的，只存在推力。在推力的作用下，蝴蝶机器人自然向前飞行。

　　经过测试得知，该款舵机可满足仿生蝴蝶机器人的一般飞行要求和飞行模式。

　　2.1.2 MPU6050陀螺仪模块

　　对于飞行姿态的稳定则需要借助MPU6050陀螺仪模块来辅助。MPU6050[10-11]是全国首例集成六轴传感器的运动处理芯片，该模块是一个完整的角速度和加速度测量系统，内置1个三轴MEMS陀螺仪，1个三轴MEMS加速度计，16位模/数转换器（ADC），用于扩展磁力计的I2C端口。它可以通过软件编程选择4种不同的量程（250/500/1 000/2 000(°/s））。输入电压通过降压芯片降压后，再经过电容的低通滤波，截止频率可以根据实际的需求来设置。单片机通过I2C通信方式来获取陀螺仪传感器输出的当前机器人关于前行方向的俯仰角和偏航角等数据。再经过中央处理器对该数据处理后，生成所需要的PWM波信号输入到舵机中，进而实现机器人飞行姿态的闭环控制。飞行姿态调整流程如图3所示。单片机与MPU6050传感器的设计原理如图4所示。

　　2.1.3通信模块

　　为了实时监控仿生蝴蝶机器人的飞行状态和更改飞行方式，在控制板上集成了HC-05蓝牙串口模块。该模块是基于Bluetooth Specificatian V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块。无线工作频率为2.4 GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4 dBm，接收灵敏度-85 dBm，板载PCB，可以实现10 m距离无线通信。为了减小飞行控制板的体积和重量，蓝牙模块采用邮票孔封装方式，直接焊接在控制板上。单片机与蓝牙模块之间采用全双工串行通信，该通信方式依托双方均装有的发送器和接收器，能够在交互过程中实现同时发送和接收，极大程度保证了信息传递的时效性。图5所示为单片机与蓝牙的设计原理图。蓝牙模块实物示意图如图6所示。

　　为了保证蓝牙模块与上位机之间数据传输的稳定和准确度，二者数据传输的波特率应为一致，且设定为9 600 bit/s。上位机安装有手机SPP蓝牙串口App。图7所示为通信模块工作流程。

　　2.2程序设计

　　2.2.1主程序设计

　　本设计中各部分的程序均使用KEILμVision5软件进行编写，包含了蓝牙模块的接收和发送程序、MPU6050获取数据程序和舵机闭环控制程序等等。控制系统的主程序流程如图8所示。

　　2.2.2舵机控制程序设计

　　控制输入舵机的PWM波信号就能够控制舵机的驱动。可以利用STMf103c8t6单片机中的定时器模块来输出PWM波信号。但是，在同一时间内一个定时器只能产生一种频率的PWM波。因此为了满足仿生蝴蝶机器人左右翅膀的不同扑翼方式的要求，在制作控制板时，是采用了两个定时器来输出PWM波信号，分别为定时器3和定时器4，二者相互独立，互不干扰。设计中设定的仿生蝴蝶机器人飞行方式有向前飞和左右转弯，而舵机的驱动程序与飞行方式一一对应。

　　例如在向前飞行时，控制左右翅膀以相同的频率，10°~60°的幅度来扑动。则向舵机输入频率为50 Hz的PWM波信号，转动的角度所需的占空比则通过一个换算算法计算出来。即舵机转动到10°位置所对应的占空比为0.305 5，转动60°所对应的占空比为0.583。相对应的舵机控制程序如图9所示。

　　3样机展示

　　样机组装完成后，经过测定得知样机翼展为29.5 cm，机身长为12.6 cm，总质量为37.5 g，各部分的大致质量如表2所示。样机实物如图10所示。

　　4飞行姿态调整和通信调试
       4.1姿态稳定调整

　　在本设计中对于飞行姿态信息的获取，需要借助MPU6050陀螺仪模块。MPU6050芯片内部的DMP模块可对传感器获取的数据，进行滤波、融合处理，输出姿态解算后的数据，即偏航角、俯仰角和横滚角。中央处理器（单片机）采用I2C通信获取该些数据后，采用PID算法对其进行处理，输出实时的PWM波信号控制舵机，使仿生蝴蝶机器人能够以某种姿态稳态飞行。

　　PID算法：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。顾名思义，PID控制算法是结合比例、积分和微分3个环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟，应用最为广泛的一种控制算法。理想的PID控制规律为：

　　式中：KP为比例系数；Tt为积分系数；TD为微分系数；e（t）是定值与测量值的差。

　　在实物调试中控制仿生蝴蝶机器人以17°俯仰角，-45°横滚角，-65°偏航角向右转弯时，使用VOFA+软件对当前MPU6050实际回传的数据进行数据分析，得知实际情况下3个参数的误差均为1°以内。飞行姿态部分调整程序如图11所示，稳定右转弯调试结果如图12所示。

　　4.2蓝牙通信调试

　　保持飞行器与地面手机SPP蓝牙串口App的无线通信的顺畅性和准确性是十分重要的。故而在实物调试中，将飞行器与手机相隔8~9 m的距离，多次验证仿生蝴蝶机器人的蓝牙模块是否能够回传机器人的飞行姿态数据至App。实验结果表明飞行器与手机App是能够建立顺畅和准确的无线通信的。实验现象如图13所示，蓝牙调试控制程序如图14所示。

　　5结束语

　　本文设计的仿生蝴蝶机器人在结构上采用高强度、高硬度和质量轻的碳纤维材料制成翅膀骨架以及使用3D打印技术打印部分机身零件，在保证机器人所需的力学性能的同时，极大程度地减轻了整机的质量。并且摒弃了传统扑翼飞行器的机械传动机构，采用双舵机直接驱动双翼的方式，更加灵活地控制双翼扑动，同时也能够减轻整机的质量。上位机（手机SPP蓝牙串口App）与仿生蝴蝶机器人之间通过蓝牙建立了无线通信，可以实现实时改变仿蝴蝶机器人的飞行方式，模拟出生物蝴蝶大部分的飞行模式。同时利用MPU6050陀螺仪对仿蝴蝶机器人的飞行姿态进行调整，以达到飞行稳定的目的。为仿生扑翼飞行器在微型化研究中存在的机器质量过大、飞行动力不足问题，提出了一种可行的解决方案。

　    参考文献：

　　[1]程宏宝.仿蝴蝶飞行器总体设计与控制仿真[D].南京:南京航空航天大学,2021.

　　[2]唐震宇,张云.多传感器数据融合的四轴飞行器姿态角解算[J].自动化与信息工程,2023,44(1):33-38.

　　[3]肖扬宏,崔峰,张逸晨,等.仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展[J].无人系统技术,2023,6(3):45-58.

　　[4]宗光华,贾明,毕树生,等.扑翼式微型飞行器的升力测量与

　　[5]黄海丰.舵机驱动仿生扑翼飞行机器人控制系统设计与研究

　　[6]陈前川,万里鹰,章建群.基于昆虫高升力机理的仿生蝴蝶机构

　　[7]吉爱红,沈欢,李长龙,等.昆虫的扑翼轨迹及高升力机理[J].289-294.

　　[8]黄烁桥,申功炘,魏来,等.机械蝴蝶模型悬停飞行的流动显示实验[J].实验流体力学,2010,24(2):59-64.

　　[9]冷烨,张卫平,周岁,等.仿生蝴蝶飞行器设计分析[J].机械设计与研究,2019,35(4):32-35,42.

　　[10]谷玉海,刘玉龙,徐小力陀螺仪动态角度测量系统的设计[J].仪表技术与传感器,2018(4):122-126.

　　[11]张帅华.仿生扑翼式飞行器姿态控制研究[D].天津:中国民航大学,2020.

　　[12]陈思颖,邹乐瑶,王少坤.基于ATMEGA32A单片机和HC05的蓝牙信号传输体操机器人设计[J].信息与电脑(理论版),2021,33(7):106-108.

　　[13]吴赓.蓝牙技术在单片机控制中的应用[J].机电信息,2021(26):60-61,64.

　　[14]曾德康.基于单片机的数据串口通信研究[J].通信电源技术,2019,36(3):194-195.

　　[15]王拥志,单梦.基于串口通信的单片机全双工通信系统研究[J].信息技术,2016(8):89-92.

　　[16]王丹,赵凯.基于I2C总线的测试仪设计[J].装备制造技术,2014(9):121-122.

　　[17]潘海鹏,刘广云,江先志.基于积分补偿模糊控制的气压控制系统[J].轻工机械,2023,41(03):55-59.

　　[18]王丹,赵凯.基于I2C总线的测试仪设计[J].装备制造技术,2014(9):121-122.

　　[19]束红林.基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法[J].电气传动自动化,2023,45(3):5-7,20.

　　[20]陈文娟,潘乾曜,苏世达,等.基于改进PID算法横列式双旋翼无人机系统[J].大学物理实验,2023,36(5):90-96,101.

　　[21]李全福,万彦辉,郭华.模糊PID控制算法在电动舵机控制中的应用[J].微电机,2007(12):28-30,47.

　　[22]王跃.基于STM32的自平衡小车PID控制算法研究[J].电脑与电信,2022(9):63-68.