仿生蝴蝶扑翼机器人结构设计与飞控系统研究

摘要

针对微型仿生扑翼飞行器普遍存在整机自重偏大、飞行动力不足、姿态稳定性弱与控制精度偏低等问题，
基于生物仿生学原理，参照自然蝴蝶翅翼构型与扑翼运动机理，开展仿生蝴蝶机器人机械结构、驱动传动方案、轻
量化选材及飞行控制系统一体化设计。机械结构采用碳纤维骨架搭配柔性翼膜成型工艺，设计空心杯电机—齿轮曲
柄摇杆传动与双舵机直驱两种驱动构型；控制系统以STM32/STC系列单片机为核心，搭载MPU6050六轴姿态传感
器与蓝牙无线通信模块，引入PID闭环控制算法实现飞行姿态实时调节。样机试制与飞行测试结果表明：优化后整
机最低质量可达30g，扑翼频率稳定在4 ～ 12Hz，蓝牙有效通信距离超30m，可平稳完成平飞、转向、升降等飞行动
作。测试表明，双舵机直驱方案在30g整机质量下实现了8~12Hz稳定扑翼，较齿轮传动方案减重20%，验证了无齿
轮直驱路线在微型扑翼飞行器中的可行性。