Flapping Bird（基于体感控制的扑翼飞行器）

(一) 研究背景与研究目的

本作品旨在开发一款能够利用体感控制的多关节扑翼飞行器，并结合VR技术，实现人机的深度融合，让操纵着体验“真实飞行”的快感。相对于固定翼与旋翼式飞机，扑翼机由于其对自然界鸟类的高度模仿，拥有节能、机动性强、灵活性高、隐蔽性好的特点，可广泛应用于机场驱鸟、景区航拍、边境巡逻、战场侦察、灾后救援等众多民事与军事领域。目前扑翼飞行器还属于较为冷门的项目，其设计主要是基于单关节的传统设计，采用手柄遥控的方式，在控制难度和飞行特性上还存在很多不足。该设计旨在以市场为导向，紧随科技大潮，设计出一款可以通过体感姿势对飞行器姿态进行控制的多关节扑翼飞行器。通过控制者的手势动作即可完成一系列的飞行姿态改变。同时通过优化扑翼机结构参数实现运动效能的最大化。

(二) 研究思路

该项目将按照设计—优化—制作¬—调试四个阶段依次展开。首先关注扑翼机的结构设计，根据扑翼机的特性设计相应的驱动机构。接着对设计的结构进行相应的运动学分析与结构分析，找到最佳的设计参数。设计完成后，着手制作实物模型，并在实物模型的基础上开展相应控制单元的设计与优化。

(三) 创新点、关键技术与主要技术指标

1、创新点

(1) 摆脱传统遥控器操控的飞行器控制模式，利用安装在手部的传感器实现对不同手势的区分与解读，并控制相应的飞行姿态。主要用以下三种姿态动作控制飞行器三种运动。

(2) 对扑翼飞行器的结构进行设计与了优化，采用了多关节机翅与仿生尾翼设计，提高了飞机的机动性。

(3) 结合VR技术，使飞机上的云台摄像头随控制者的头部运动，图像经3D处理，可使控制者沉浸在鸟儿的视觉中。

2、关键技术

(1) 不同手势信号的解读与区分

利用放置在手上的加速度传感器实现对不同动作加速度信号的采集与分析，将快速变化的加速度信号通过双重积分和相应运算转变成渐变的相对位移信号，实现了对扑翼频率、转向角度、俯仰角度的手势控制。利用特定方向的信号的功率谱分析实现特定指令信号的识别，以进行相应的控制操作，例如从起飞模式切换至巡航模式的控制。

(2) 飞行器控制与通讯

扑翼飞行器主要包括三种运动的控制，一是其扑翼的频率，这决定着飞行器的飞行速度与飞行状态。二是其尾翼左右转向角度，这决定着飞行器的转弯半径。三是其尾翼的俯仰角度，它决定着整个机体的俯仰角度。而我们相应的肢体动作就是为了分别实现这三个运动的单独控制。

而为了将手部采集的信号传送至电脑进行分析并最终控制飞行器，体感控制模块与PC机采用WIFI通信，PC机与飞行器采用蓝牙通信。为了更好的显示飞行控制状态，我们设计相应的控制显示面板，该部分与之前的信号采集分析部分都是基于Labview平台进行的设计，其既与控制模块有较好的兼容性，也具备美观的UI界面编辑能力。为了增加该飞行器操作的便携性，我们也开发了一款能够在移动设备上使用的控制界面（例如IPAD），同样可以实时显示飞行器的飞行状态。

(3) 翼型结构设计与优化

通过分析不同驱动结构的有缺点，最终采用双曲柄摇杆机构进行传动。通过计算与查表，确定了扑翼机的运动频率，并以此确定了传动比与电机型号。通过线性规划的方式确定了各连杆长度的最优值，能够实现最大传动角。并通过动力学分析与优化，使用ADAMS与ANASYS对结构进行仿真，结果表明设计符合要求。

(四)应用前景

该飞行器成本适中，控制简单，既可适用于一般群众的娱乐与健身活动，也适用于对特定目标的侦查与探测，设计紧跟当前穿戴型设备的流行潮流，具有较广的消费市场。     

调查还发现该类飞行器相对于四旋翼飞行器在儿童中具有更大吸引力，同时儿童通过操纵该飞行器，运动能力以及肢体协调能力都能得到一定程度的提升，能够真正实现寓教于乐的目的。

概念：

实物图：

概念图：