盖世汽车讯 扑翼微型飞行器（Flapping-Wing Micro Aerial Vehicles，FW-MAVs）是一类受鸟类和昆虫飞行机制启发而设计的小型轻量化机器人。与依靠螺旋桨产生升力的传统无人机不同，这类机器人通过高速扑动机翼飞行，因此能够实现独特的飞行能力，例如像蜂鸟一样悬停，或像蜻蜓一样独立控制左右机翼。

凭借体积小、机动性强以及能够在狭小空间内作业等优势，这类机器人在未来的巡检、监测以及搜救等领域具有广阔的应用前景。然而，这类机器人的控制一直是一项挑战。由于FW-MAV依靠高速扑翼产生升力，因此极易受到阵风等外部扰动的影响。

据外媒报道，近日，日本千叶大学（Chiba University）工学研究生院特聘助理教授Abner Asignacion与该院Satoshi Suzuki博士共同研究了一款商用扑翼机器人（FW robot）的飞行动力学，以揭示限制其抗扰能力的关键因素。

相关研究成果发表于期刊《Control Engineering Practice》。

图片来源：《Control Engineering Practice》

错误方向上的初始运动

通过分析机器人的运动过程，研究人员发现，当机器人接收到沿某一水平方向移动的指令时，它会先短暂地朝相反方向移动，随后才修正至目标方向。这种现象被称为非最小相位特性（non-minimum-phase behavior）。

这种出人意料的响应限制了机器人扰动补偿系统的响应速度，使其无法在不引发不稳定振荡的情况下快速补偿阵风等外部扰动。

图片来源：《Control Engineering Practice》

在稳定性与响应速度之间寻找平衡

基于这一发现，研究人员设计了一种考虑上述限制因素的扰动观测器（disturbance observer）。扰动观测器是一种能够检测并补偿外部扰动的控制系统，新方法使机器人在抵御外部扰动的同时保持飞行稳定。

Abner Asignacion表示：“本研究提出的控制方法使扑翼微型飞行器即使在存在扰动的环境中，也能够保持更加稳定的飞行。”

研究团队采用了一款重103克（3.6盎司）的商用悬停式扑翼机器人Flapping Nimble+开展实验。他们在保持机器人悬停的同时，指令其沿水平方向往返飞行。运动指令频率从0.08 Hz（非常缓慢）到0.8 Hz（中等速度）不等，以观察机器人在不同运动速度下的响应特性。

通过分析这些响应，研究人员识别出了机器人的飞行动力学特性，并确定了机器人在不同水平方向对控制指令的响应方式。

研究发现，当机器人沿X轴运动时，会表现出明显的非最小相位特性，从而限制了扰动补偿系统应对外部扰动的速度。随后，研究人员调节了扰动观测器对扰动的响应速度，以寻找抗扰性能与飞行稳定性之间的最佳平衡点。

结果显示，响应速度较慢时，机器人能够保持稳定，但扰动补偿能力较弱；响应速度较快时，虽然抗扰能力有所提升，却会引发振荡。而采用中等响应速度时，则取得了最佳效果，机器人既能够有效恢复受到的扰动，又能够维持稳定飞行。

提升狭小空间中的控制性能

当研究人员将该扰动观测器应用于多个运动方向后，机器人沿X轴的位置误差降低了53.1%，整体三维（3D）位置误差降低了约28%。

通过提升扑翼机器人的飞行稳定性和控制性能，这项研究有望推动小型自主飞行系统的发展，使其能够在传统无人机因尺寸、机动性或外露螺旋桨带来的安全风险而不适合进入的环境中安全作业。

Abner Asignacion表示：“未来，这项技术有望应用于人类难以到达的场景，例如狭小空间内的基础设施巡检、灾害现场搜救、环境监测，以及工厂和建筑内部设备检测等。”