【JBE封面故事 | 扑翼飞行器在内部和外部扰动下的主动抗扰高度控制与更细致的扰动测量】More Detailed Disturbance Measurement and Active Disturbance Rejection Altitude Control for a Flapping Wing Robot under Internal and External Disturbances https://t.cn/A6oTMEGK

自然界中的蜂鸟在许多极端的环境下依然能保持稳定飞行和高度控制，这得益于其所具备的多维度感知能力以及出色的主动控制策略。为了进一步探索这高超飞行技巧背后的秘密，如何使小尺度下的仿生扑翼飞行器具备多维度感知能力和抗扰能力的成为了一个挑战。

在本期《仿生工程学报》中，微米纳米加工技术国家级重点实验室（上海交通大学）的智能无人微系统研究团队研发了无尾微型扑翼飞行器的轻量化的三维速度机载感知系统和主动抗扰能力的控制技术。通过建立的刚体动力学模型以及所感知的相对运动速度，可以实时量化飞行器相对运动所引起的风扰大小。对于其余的总扰动，研究团队提出了一种自抗扰控制器来估计和抑制这些干扰。以飞行器的高度控制为例，通过与传统PID控制器的比较，上述综合方法展现了更好的控制精度，以及超调和扰动的抑制能力。

结果表明：在有内部未建模动态的悬停飞行实验中，高度控制的均方根误差仅为2.53 cm。在装载不同的载荷重量悬飞过程中，飞行器的上升轨迹保持惊人的一致。在有外部风扰的前向飞行实验中，高度控制的均方根误差仅为2.78 cm。当飞行器飞越一个引入外部突变扰动的台阶时，最大超调量仅为PID控制器控制的一半。

封面图片展示了受自然界中蜂鸟启发的无尾微型扑翼飞行器整体设计思路，该方法有望为在有扰动环境中的微型扑翼飞行器提供一个新的设计与控制思路。

【通讯作者】张卫平，工学博士，上海交通大学电子信息与电气工程学院教授，博士生导师，微米纳米加工技术国家级重点实验室副主任，中国微米纳米技术学会珀金优秀科学家，全国微机电技术标准化技术委员会委员，惯性仪表与元件专业委员会委员，上海市惯性技术学会理事，入选教育部新世纪优秀人才支持计划、上海市人才发展资金支持计划、上海交通大学晨星优秀青年学者奖励计划，国家技术发明奖获得者。长期从事智能无人微系统、仿生微机器人、微机电系统（MEMS）、微惯性技术、模拟数字混合嵌入式控制检测技术的研究。教师主页：https://t.cn/A6oTMEGC

巨蜂鸟(Patagona gigas) 是蜂鸟家族最大的成员，体长23cm，翼展约21cm，体重是最小蜂鸟（吸蜜蜂鸟）的十倍，是蜂鸟家族无可争议的巨无霸。

同时巨蜂鸟也是蜂鸟科最小的分支，整个属就只有巨蜂鸟这唯一成员，主要分布在南美洲安第斯山脉地区，最高海拔可达4600米。
体型巨大化并不是蜂鸟演化的主流方向，因为蜂鸟普遍采用的悬停飞行模式所消耗的能量随着体重增加指数级增长。

巨蜂鸟悬飞的时候每秒振翅仅仅15次，远低于一般蜂鸟的80次。

巨蜂鸟基本已经达到蜂鸟类群大型化演化方向的极限。由于悬停高频振翅的方式过于消耗体力，有时候它们偶尔采用祖传的滑翔模式，从它的身上可以看到蜂鸟先祖有着近亲雨燕的影子。
© Andres Vasquez Noboa

动物小知识：世界上最小的鸟，蜂鸟的小知识！
蜂鸟是所属于雨燕目蜂鸟科的鸟的总称，分布在美洲大陆和加勒比群岛。鸟类中体型最小的。
蜂鸟，其体重为2~20g左右。栖息在古巴的豆蜂鸟是世界上最小的鸟，全长6cm体重约2g。蜂鸟的其他特征包括可以在空中静止悬停飞行。
蜂鸟以花蜜为主食。因为它没有可以停止的树枝，所以它的独特饮食方式是悬停在空中静止，同时在花中插喙、吸蜜。另外，除了花蜜之外，昆虫也吃。
蜂鸟之所以能像这样悬停飞行，是因为它拍打翅膀的次数非常多。燕子1秒约7次，麻雀1秒约17次，而蜂鸟1秒约55次，最高约80次。
为了高速扇动翅膀，发出和蜜蜂“嗡嗡”一样的翅膀声音。因此被命名为“蜂鸟”。英文名为“hummingbird”，这也来源于蜜蜂的语音“hum”。
蜂鸟作为主食吸食花蜜，但由于其飞行方式很快就会消耗能量。因此，整天过着摄取蜜汁的生活。在进化的过程中，一部分爱好蜜的燕子的同类适应了从花中吮吸蜜的生活方式，通过自然选择变成了现在的样子。