摘要：在风洞实验中，为动态地研究仿昆虫微飞行器的仰俯姿态控制方法，微飞行器的仰俯姿态需要根据安装于其上的微型多维力传感器的输出扭矩进行实时调节，为此设计了本伺服控制器。控制器采用stc增强型51单片机作为本控制器的核心，用模拟spi接口与多维力传感器进行数据采集，采用电位器作为姿态角传感器，外接模数转换电路对姿态角度进行采样；采用步进电机实现对仰俯姿态角角速度的动态调节，并采用pid算法对姿态角角速度进行闭环反馈控制，以确保仰俯姿态角速度的控制精度。

关键词：仿昆虫；mav( micro-aerial-vehicle)；仰俯姿态；风洞

中图分类号：tm275：tm383.6    文献标志码：a    文章编号：1001-6848(2010) 07-0001-03

    随着尺寸的缩小，各类常规微飞行器都在气动效率和机动性能上遇到了难于逾越的障碍。

    而另一方面，经过亿万年的进化，飞行昆虫具有很好的气动效率以及******的飞行机动性能。然而，由于飞行昆虫的尺寸非常小，其re数一般仅为102 - 103数量级，所以常规飞行器的知识已经不再适月；通过翅膀的高频振动产生气动力的独特方式，也无法找到相对应的常规理论可对其进行较好的解释。而其对飞行姿态的控制方法，更是无从知晓。国内外许多学者已经对飞行昆虫在各个方面进行了很多研究。剑桥大学的ellington和美国加州大学berkeley分校的dudley对飞行昆虫进行了大量的活体吊飞实验，提出了许多关于昆虫飞行的看法；加州理工学院的dickinson研究小组通过机枧理，得出了果蝇在飞行中存在尾迹捕获效应；而北航的孙茂采用cfd( computer fluid dvnamics)的方法，发现果蝇在拍翅的初期存在这明显的附加质量力效应。

    在进行原理性研究的同时，也有不少研究小组进行了仿昆虫微飞行器的实际制作研究。加州大学berkeley分校sastnr研究小组早在几年前就进行了mfi课题的研究，设计了胸腔式拍动方法[13-15]；哈佛大学的wood设计了采用压电材料驱动翅膀的机器苍蝇，尺寸仅有几个厘米，可以实现拍翅上升，但是没有任何控制功能；日本chiba大学liu研究小组，以及国内东南大学颜景平研究小组等也在进行相关制作研究。

    在飞行控制方面，美国北卡罗那州立大学的hedrick等研究了鸟类和昆虫的偏航控制，发现它们都是利用了空气阻尼效应来实现偏航的l19j。除此以外，其他尚未见到仿昆虫微飞行器姿态控制方面的实验研究。

  本论文设计的仰俯姿态伺服控制器，结合多维力传感器和姿态伺服机构，可方便地在风洞中对仿昆虫微飞行器进行仰俯姿态控制方法的实验研究。

  风洞实验台示意图如图l所示。根据固定于仿昆虫微飞行器上的微型多维力传感器所测量到的仰俯扭矩，计算出仰俯姿态角度的角加速度值，将该信用于控制步进电机的转速，从而实现仰俯姿态角角速度的动态控制。

   

    系统控制器的具体要求如下：

    (1)通过spi（serial peripheral interface，串行外设接口）总线接收微型多维力传感器的实时数据；

    (2)可以对姿态角进行高精度实时测量；

    (3)根据多维力传感器输出的信号，计算出机体的仰俯姿态角加速度和角速度；

    (4)采用pid（比例，积分，微分）算法，通过步进电机对机体的仰俯姿态改变角速度进行反馈精确控制；

    (5)可以通过pc( personal computer)机设定pid控制参数；

    (6)可实时将当前仰俯姿态角和角速度的计算值，实测值，以及各力、扭矩分萤上传至pc。

    为了实现系统的要求，采用stc增强型51单片机stc12c5616作为本控制器的核心，该系列单片机运行速度是传统5l单片机的12倍；抗干扰能力强，管