无脉膜型振翅机器人的数学建模与LQR控制

飞行昆虫能够进行快速且复杂的机动动作，如后翻、急转弯以及空中碰撞恢复。要模拟这些在重量不足一克的空中机器人中实现，必须具备快速且响应灵敏的控制系统。迄今为止，这些控制系统大多核心是比例-积分-微分（PID）类型反馈控制的深化形式。没有例外的是，它们的控制增益都需通过反复调试人工调校。激进的机动动作进一步需要特定任务的调校。最优控制有望缓解这些问题，但迄今为止仅能通过近似模型和滚动时域控制器（RHC）实现，而这些控制器计算需求太高，难以在机器人机载 microprocessor 上实现。本文我们采用更精确的振翅均值模型来实现首个在飞行无脉膜型机器人上进行最优控制的演示，而该演示计算足够轻便，可由机载 microprocessor 执行。我们从150mg的飞行无脉膜型机器人——UW Robofly 上获取力和扭矩测量数据，并通过自由飞行中的动作捕捉数据进行验证。我们使用最优线性二次调节器（LQR）实现了稳定悬停（均方根误差约4厘米）以及最高可达25厘米/秒的平移速度下的轨迹跟踪机动。这些结果得益于更精确的模型，为未来工作奠定了基础——即结合我们改进后的模型和最优控制器，以及最近在低功耗滚动时域控制方面的进展，以实现无需反复、特定任务调校即可进行精确激进机动。