撲翼飛行機器人系統設計

本書第1章介紹了仿生撲翼飛行機器人的研究現狀與應用情况；第2章集中介紹了在進行仿生撲翼飛行機器人系統建模和穩定性分析時所用到的基礎理論；第3 章至第5 章分别針對單柔性翼系統、雙柔性翼系統和剛柔混合撲翼系統進行建模分析，並對不同結構的仿生撲翼飛行機器人柔性翼進行動力學分析、邊界控制器設計以及系統穩定性證明；第6 章針對仿生撲翼飛行機器人系統中存在的輸出約束問題進行研究，設計能够解决輸出約束限制的主動邊界控制器；第7章通過ADAMS設計和搭建3D半實物仿真平臺，並聯合SIMULINK對邊界擾動情况下柔性樑PD控制和邊界控制進行仿真模擬驗證；第8章設計神經網路控制算法來對仿生撲翼飛行機器人的位姿進行自主控制分析；第9章詳細介紹一款舵機驅動仿生撲翼飛行機器人的機械結構設計以及硬體系統搭建；第10章設計了仿生撲翼飛行機器人的飛行實驗。
本書適合機器人設計相關專業的人員閲讀參考。

孫長銀，大學自動化學院教授、博士生導師。近年來，在《Neural Networks》、《Soft Computing》、《IEEE TAC》、《IEEE TNN》、《中國科學：F輯》等國內外學術期刊上發表學術論文60餘篇，其中SCI收錄論文29篇，被他引200餘篇次。主要研究興趣包括智能控制理論與方法、模式識別等。

仿生撲翼飛行機器人是一種模仿昆蟲或鳥類飛行的仿生機器人，具有效率高、質量輕、機動性強、能耗低等顯著優點，在國防軍事以及民用領域都具有廣闊的應用前景。
仿生撲翼飛行機器人是集合了仿生學、空氣動力學、機械學、控制科學等多門前沿學科的一類先進飛行機器人。相較於固定翼和旋翼飛行器，仿生撲翼飛行機器人具有較高的集成度，能夠有效地利用勢能，適於完成長時間、遠距離、無能源補充條件下的飛行任務。但是，仿生撲翼飛行機器人的柔性翼易受到空氣氣流的影響，産生不良的機械振動，因此，在仿生撲翼飛行機器人進行機械結構設計以及控制設計時，需要考慮其中存在的振動抑制等難題。同時，仿生撲翼飛行機器人要完成偵查、搜救等特殊任務，必須設計自主控制系統，實現任務規劃與航跡生成，能夠自主調節飛行姿態，具備自主飛行能力。撲翼飛行機器人的動力學模型非常複雜，其本身是一個非線性的剛柔耦合分布參數系統，在輸入輸出約束的情況下直接對這樣複雜的無窮維分布參數系統進行振動控制方法研究，無論是在柔性結構的振動控制問題上，還是在飛行機器人自主控制領域，都是一個巨大的挑戰。
本書以仿生撲翼飛行機器人系統建模與樣機設計為主線，第1 章介紹了仿生撲翼飛行機器人的研究現狀與應用情況；第2 章集中介紹了在進行仿生撲翼飛行機器人系統建模和穩定性分析時所用到的基礎理論；第3～ 5 章分别針對單柔性翼系統、雙柔性翼系統和剛柔混合撲翼系統進行建模分析，並對不同結構的仿生撲翼飛行機器人柔性翼進行動力學分析、邊界控制器設計以及系統穩定性證明；第6 章針對仿生撲翼飛行機器人系統中存在的輸出約束問題進行研究，設計能夠解決輸出約束限制的主動邊界控制器；第7 章透過ADAMS 設計和搭建3D 半實物仿真平台，並聯合SIMULINK 對邊界擾動情況下柔性梁PD 控制和邊界控制進行仿真模擬驗證，此外，還採用XFlow 軟體模擬仿生撲翼飛行機器人在不同運動狀態下的受力情況；第8 章設計神經網路控制算法來對仿生撲翼飛行機器人的位姿進行自主控制分析；第9 章詳細介紹一款舵機驅動仿生撲翼飛行機器人的機械結構設計以及硬件系統搭建；第10 章設計了仿生撲翼飛行機器人的飛行實驗。最後，對全書内容進行總結，並對仿生撲翼飛行機器人的研究方向做出展望。本書的所有内容均由作者及其團隊的科研成果整理所得，是作者針對撲翼飛行機器人研究的階段性總結，希望能夠為仿生撲翼飛行機器人控制理論的發展與研究起到一定的推動作用。
本書由北京科技大學賀威教授和東南大學孫長銀教授著。在此，感謝臺灣淡江大學楊龍傑教授對本書中仿生撲翼飛行機器人的設計所提供的指導和幫助，也向先後參加本書相關内容研究的各位研究人員穆新星、尹曌、何修宇、吕垌、孟亭亭、陳宇楠、閆子晨、謝文珍、黄海豐、康業猛、汪婷婷、黄愷、馮富森、丁施強、汪華健、盧子瑜及王彦博等表示由衷感謝！ 本書的研究和出版得到了中國國家自然科學基金項目（61522302、61520106009、U1713209）和北京市自然科學基金項目（4172041）的資助和支持。
由於仿生撲翼飛行機器人涉及多門學科前沿，其理論、技術與應用還在不斷發展之中，加之筆者研究水準有限，書中不妥之處，敬請廣大同行和讀者予以批評指正。

第1 章　緒論
　1.1　引言
　1.2　撲翼飛行機器人的發展歷史
　1.3　應用前景
第2 章　基礎理論
　2.1　引理
　2.2　Hamilton 原理
　2.3　柔性梁振動控制理論
　2.4　自適應神經網路控制
　2.5　穩定性分析方法
第3 章　仿生撲翼飛行機器人單柔性翼控制系統設計
　3.1　單柔性翼建模與動力學分析
　3.2　單柔性翼邊界控制器設計及穩定性分析
　3.3　MATLAB 數值仿真
　3.4　本章小結
第4 章　仿生撲翼飛行機器人雙柔性翼控制系統設計
　4.1　雙柔性翼建模與動力學分析
　4.2　雙柔性翼邊界控制器設計及穩定性分析
　4.3　MATLAB 數值仿真
　4.4　本章小結
第5 章　仿生撲翼飛行機器人剛柔混合撲翼控制系統設計
　5.1　剛柔混合撲翼建模與動力學分析
　5.2　剛柔混合撲翼邊界控制器設計及穩定性分析
　5.3　MATLAB 數值仿真
　5.4　本章小結
第6 章　帶有輸出約束的柔性翼的控制系統設計
　6.1　帶有輸出約束的柔性翼控制模型
　6.2　穩定性分析
　6.3　MATLAB 數值仿真
　6.4　本章小結
第7 章　撲翼飛行機器人仿真平台
　7.1　ADAMS 與SIMULINK 的聯合仿真
　7.2　基於XFlow 的空氣動力學仿真
　7.3　本章小結
第8 章　仿生撲翼飛行機器人的位姿自主控制
　8.1　建模方法及動力學分析
　8.2　控制器設計
　8.3　MATLAB 數值仿真
　8.4　本章小結
第9 章　仿生撲翼飛行機器人軟硬件設計及架構
　9.1　硬件系統設計與構建
　9.2　軟體系統設計與集成
　9.3　本章小結
第10 章　飛行實驗
　10.1　定高飛行
　10.2　自主起飛
　10.3　本章小結
參考文獻