250 工程科学学报，第42卷，第2期 to achieve image-based indoor fixed-height flight of the FWAV.Experimental results show that the fixed-height flight control system designed in this study can keep the image coordinates of the feature point of the FWAV at the center of the camera image.For the step signal,the response speed of the single-neuron PID control system is slightly slower than that of the conventional PID control system. However,the control accuracy of the single-neuron PID control system is better than that of the conventional PID controller,with a maximum relative error of 3%. KEY WORDS monocular vision;flapping-wing aerial vehicle:fixed height control;visual servoing;image error 扑翼飞行器是一种模仿鸟类或者昆虫的飞行 小、质量轻，容易受到外界环境因素（例如风）的干 方式实现飞行的新型无人飞行器，涉及仿生学、空 扰，小负载导致高精度但质量大的传感器不能使 气动力学、机械设计、材料科学、计算机、通信与 用例，只能使用低精度质量小的传感器，因此扑翼 控制等多门学科.与传统的固定翼和旋翼飞行器 飞行器的定高飞行控制仍处于早期阶段且面临诸 相比，扑翼飞行器具有更高的飞行效率和更灵活 多问题.定高飞行控制常用的传感器有惯性元 的飞行机动性山，因此受到越来越多的关注与研 件、GPS、气压计和视觉传感器.惯性元件具有误 究.国内外的一些研究机构和高校已经研制出几 差累积缺陷，对初始值过于敏感：GPS不能在一些 款能够飞行的扑翼飞行器 特定环境（例如室内）使用：气压计测量精度低，容 1扑翼飞行器定高飞行控制概况 易受天气影响.视觉传感器的误差不会累积，抗干 扰能力强、适用范围广，更善于捕捉运动物体， 德国Festo公司研制出一款名为SmartBird!) 被越来越多的应用在无人机导航系统中 的仿海鸥扑翼飞行器，重450g,翼展2m,可以自 现有基于视觉的扑翼飞行器定高控制方案主 主飞行和降落，空气动力效率高达80%.美国麻省 要采用深度相机、双目相机或者是动作捕捉系统 理工学院研制出一款名为Phoenix)的扑翼飞行 深度相机可以检测物体的深度信息，但是测量 器，可以通过手动遥控实现简单的飞行动作，但控 范围窄、测量噪声大，容易受到环境的干扰，并且 制系统不完善，稳定性差，飞行时间短 需要额外的设备，使用成本较高.双目相机基于视 飞行控制是扑翼飞行器研究的关键技术之 差原理计算图像对应点的位置偏差，可以获取物 一，影响着扑翼飞行器的飞行性能，而定高飞行控 体的大小和距离，但是使用前需要进行参数标定 制是飞行控制的一个基本要求，在巡航搜查、军事 工作2)，量程和精度)受双目基线4和分辨率的 侦察等方面有着重要应用.扑翼飞行器定高控制 限制.动作捕捉系统例如OptiTrack和Vicon基于 方面，Ryu等刊在一款微型扑翼飞行器上搭载了微 立体视觉原理，采用多个相机拍摄被标记物体，可 型第一人称视角(first person view,FPV)摄像头，利 以获得标记点的空间位置阿，但是其参数标定工 用图像处理算法实现扑翼飞行器的定位，结合控 作复杂，计算量大，设备成本高昂且不易携带 制算法实现了定高飞行.台湾淡江大学Lin等的采 本文采用LED灯标记扑翼飞行器，单目USB 用外部双目相机检测微型扑翼机的位置信息， 摄像头采集图像数据，通过地面站实时图像处理 加入闭环控制系统，可以在室内定高飞行.西北工 程序获取标记点在图像上的像素坐标，经过单神 业大学研发的仿信鸽扑翼飞行器Dove,结合 经元PD控制算法得出控制量并发送给扑翼飞行 GPS和惯性导航系统获取其飞行姿态和位置信 器，使其在图像上的坐标保持在图像的中心横线 息，将无损卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,, 处，实现定高飞行，其具有以下特点： UKF)加入控制算法中，实现其自主定高飞行.北 (1)搭建了一款微型扑翼飞行器，搭载自主研 京科技大学贺威团队对一款X翼扑翼飞行器进 发的控制电路板，实现了定高控制飞行； 行改装，加入了自主研发的控制芯片，同时搭建了 (2)基于图像的定高飞行，相比于基于位置的 基于多目相机的地面站，利用OptiTrack动作捕捉 定高飞行，无需进行相机的内外参数标定工作； 系统捕捉扑翼飞行器的位置信息，通过PID控制 (3)采用单神经元PID控制器，控制效果好于 系统实现了定高飞行 常规的PID控制器 扑翼飞行器灵活度高，飞行机理复杂，导致其 2问题描述 运动模型也较为复杂，且翅膀扑动导致的振动问 题8不能被忽视.此外，大多数扑翼飞行器的体积 为了排除环境因素的影响，实验环境被设定to achieve image-based indoor fixed-height flight of the FWAV. Experimental results show that the fixed-height flight control system designed in this study can keep the image coordinates of the feature point of the FWAV at the center of the camera image. For the step signal, the response speed of the single-neuron PID control system is slightly slower than that of the conventional PID control system. However, the control accuracy of the single-neuron PID control system is better than that of the conventional PID controller, with a maximum relative error of 3%. KEY WORDS    monocular vision；flapping-wing aerial vehicle；fixed height control；visual servoing；image error 扑翼飞行器是一种模仿鸟类或者昆虫的飞行 方式实现飞行的新型无人飞行器，涉及仿生学、空 气动力学、机械设计、材料科学、计算机、通信与 控制等多门学科. 与传统的固定翼和旋翼飞行器 相比，扑翼飞行器具有更高的飞行效率和更灵活 的飞行机动性[1] ，因此受到越来越多的关注与研 究. 国内外的一些研究机构和高校已经研制出几 款能够飞行的扑翼飞行器. 1    扑翼飞行器定高飞行控制概况 德国 Festo 公司研制出一款名为 SmartBird[2] 的仿海鸥扑翼飞行器，重 450 g，翼展 2 m，可以自 主飞行和降落，空气动力效率高达 80%. 美国麻省 理工学院研制出一款名为 Phoenix[3] 的扑翼飞行 器，可以通过手动遥控实现简单的飞行动作，但控 制系统不完善，稳定性差，飞行时间短. 飞行控制是扑翼飞行器研究的关键技术之 一，影响着扑翼飞行器的飞行性能，而定高飞行控 制是飞行控制的一个基本要求，在巡航搜查、军事 侦察等方面有着重要应用. 扑翼飞行器定高控制 方面，Ryu 等[4] 在一款微型扑翼飞行器上搭载了微 型第一人称视角（first person view，FPV）摄像头，利 用图像处理算法实现扑翼飞行器的定位，结合控 制算法实现了定高飞行. 台湾淡江大学 Lin 等[5] 采 用外部双目相机检测微型扑翼机的位置信息 ， 加入闭环控制系统，可以在室内定高飞行. 西北工 业大学研发的仿信鸽扑翼飞行 器 Dove[6] ， 结 合 GPS 和惯性导航系统获取其飞行姿态和位置信 息 ，将无损卡尔曼滤波 （ unscented  Kalman  filter， UKF）加入控制算法中，实现其自主定高飞行. 北 京科技大学贺威[7] 团队对一款 X 翼扑翼飞行器进 行改装，加入了自主研发的控制芯片，同时搭建了 基于多目相机的地面站，利用 OptiTrack 动作捕捉 系统捕捉扑翼飞行器的位置信息，通过 PID 控制 系统实现了定高飞行. 扑翼飞行器灵活度高，飞行机理复杂，导致其 运动模型也较为复杂，且翅膀扑动导致的振动问 题[8] 不能被忽视. 此外，大多数扑翼飞行器的体积 小、质量轻，容易受到外界环境因素（例如风）的干 扰，小负载导致高精度但质量大的传感器不能使 用[9] ，只能使用低精度质量小的传感器，因此扑翼 飞行器的定高飞行控制仍处于早期阶段且面临诸 多问题. 定高飞行控制常用的传感器有惯性元 件、GPS、气压计和视觉传感器. 惯性元件具有误 差累积缺陷，对初始值过于敏感；GPS 不能在一些 特定环境（例如室内）使用；气压计测量精度低，容 易受天气影响. 视觉传感器的误差不会累积，抗干 扰能力强、适用范围广，更善于捕捉运动物体[10] ， 被越来越多的应用在无人机导航系统中. 现有基于视觉的扑翼飞行器定高控制方案主 要采用深度相机、双目相机或者是动作捕捉系统. 深度相机可以检测物体的深度信息[11] ，但是测量 范围窄、测量噪声大，容易受到环境的干扰，并且 需要额外的设备，使用成本较高. 双目相机基于视 差原理计算图像对应点的位置偏差，可以获取物 体的大小和距离，但是使用前需要进行参数标定 工作[12] ，量程和精度[13] 受双目基线[14] 和分辨率的 限制. 动作捕捉系统例如 OptiTrack 和 Vicon 基于 立体视觉原理，采用多个相机拍摄被标记物体，可 以获得标记点的空间位置[15] ，但是其参数标定工 作复杂，计算量大，设备成本高昂且不易携带. 本文采用 LED 灯标记扑翼飞行器，单目 USB 摄像头采集图像数据，通过地面站实时图像处理 程序获取标记点在图像上的像素坐标，经过单神 经元 PID 控制算法得出控制量并发送给扑翼飞行 器，使其在图像上的坐标保持在图像的中心横线 处，实现定高飞行，其具有以下特点： （1）搭建了一款微型扑翼飞行器，搭载自主研 发的控制电路板，实现了定高控制飞行； （2）基于图像的定高飞行，相比于基于位置的 定高飞行，无需进行相机的内外参数标定工作； （3）采用单神经元 PID 控制器，控制效果好于 常规的 PID 控制器. 2    问题描述 为了排除环境因素的影响，实验环境被设定 · 250 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期