微型扑翼飞行器的动态建模与高机动控制

来源：机器人杂志2025年第3期北京时间：

作者：刘志杰, 王文龙, 张建辉, 黄海丰, 贺威, 梁论飞

摘要：针对无尾翼的扑翼飞行器的轨迹跟踪问题，提出了一种基于准稳态模型的耦合轨迹跟踪控制器。首先，结合准定常模型和叶素法对飞行器的气动特性进行建模与分析，构建飞行器的准稳态气动力模型。其次，采用四元数描述飞行器的姿态，建立了扑翼飞行器的耦合动力学模型，以全面反映飞行器的运动特性。在控制器设计阶段，基于未解耦的飞行器动力学模型，引入中间控制量，设计了基于模型的位置—姿态双环耦合控制方案，以实现高精度的轨迹跟踪控制。基于李雅普诺夫理论的分析，证明了所设计的控制系统的全局稳定性。最后，通过仿真与实飞实验对控制器的性能进行验证。在仿真验证与实际飞行测试时，设定样机跟踪螺旋上升轨迹和V字形轨迹。仿真中，样机在跟踪时展现出了快速响应能力，并能保持稳定的姿态；在实际飞行测试中，样机成功完成了螺旋上升轨迹的跟踪，并在6 s内精确执行了V字形轨迹跟踪任务，充分证明了所设计的控制器的有效性。

关键词：微型扑翼飞行器, 空气动力学, 四元数理论