扑翼飞行机器人的设计与分析方案

扑翼飞行机器人的设计与
分析方案
1 绪论
1.1 引言
目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两种类型的飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。

随着军事、民用的发展和科学技术的进步，对于许多任务而言，固定翼和旋翼类型的机器人的飞行方式是不够的。

因此，为了适应任务的复杂性和环境的多样性，对具有更好机动灵活性的飞行方式的研究是势在必行，即要在飞行方式上进行创新。

与固定翼和旋翼类型的飞行机器人相比，扑翼飞行方式由于其具有更大的机动灵活性、更好的避障能力以及低廉的飞行费用，因而受到国内外众多研究者的广泛关注。

许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基础研究工作。

仿生扑翼飞行机器人目前还处在一个刚刚开始和兴起的阶段，虽然取得了一些阶段性研究成果，但距离实用阶段还有很远，仍有很多理论和实践工作需要进行深入研究。

我国应利用这个有利时机，加大投入，争取在仿生扑翼飞行机器人研究的某些关键技术方面取得突破。

1.2 扑翼飞行特点及其应用前景
仿生扑翼飞行机器人或仿生扑翼飞行器，既属于飞行器范畴，又属于新概念的仿生飞行机器人研究范畴，是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器人:随着对动物飞行机理的认识和微电子机械技术(MEMS)、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行机器人在目前己成为一个新的研究热点。

仿生扑翼飞行机器人若研制成功，它便有一些飞行机器人所不具有的优点:如原地或小场地垂直起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离
飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。

自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行机器人也必将在该研究领域占据主导地位。

仿生扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务。

它可以进行生化探测与环境监测，进入生化禁区执行任务;可以对森林、草原和农田上的火灾、虫灾及空气污染等进行实时监测;可以进入人员不易进入地区，如地势险要战地，失火或出事故建筑物中等;特别是在军事上，仿生扑翼飞行器可用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰以及进行城市作战等。

2 扑翼飞行机器人的研究现状
2.1早期研究情况
众所周知，早在中国西汉时代就曾有人来模仿鸟的飞行，世界上第一架按技术规程设计的扑翼机图纸出自著名画家达.芬奇之手，它是根据鸟类飞行机理进行设计的，至今仍完好地保存在博物馆内。

但过了300多年后，科学家们才重新开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究。

在19世纪中期，由考夫曼、英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机的理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。

20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大突破，但鉴于知识背景，当时的扑翼飞行器也不能算理想的飞行器。

一系列的失败迫使科学家们重新进行计算设计，通过试飞实践和所积累的理论资料，科学家们看到了许多问题，如:机翼扑动时效果不明显，并未产生理想的升力和推力。

另外，关键一点是科学家们认识到之前那些仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。

由此至20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器。

但是仍由人发出功率，故不能独立起飞，只有获得必要的高度才能滑翔飞行，在无上升气流情况下，要靠驾驶员人力扑动机翼，以减缓某一时刻的下降速度;后者当时则利用了发动机来完全或部分取代人力。

在1986年，美国人波拉.麦克里迪在动力扑翼飞行器上取得过一定成绩，但须要加装大传动比的减速器才能使发动机满足扑翼工作要求，相比之下，蒸汽发动机、电动机等更适合扑翼飞行器使用。

2.2国外研究现状
初期的扑翼飞行机器人的发展融入了许多科学家的艰苦努力，但整体上都显得较为庞大且也相当笨重:，离实用还相当甚远，和目前发展的扑翼飞行机器人相比，也显得很笨拙，却为后期的研究工作提供了一定的理论基础和实践经验。

国外对仿生扑翼飞行机器人的研究始于90年代初，目前研究工作主要包括仿生飞行机理、微型仿生飞行机器人的设计与研制、材料及单个部件研究等几个方面。

随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，如今的扑翼飞行机器人也越来越灵巧且逐渐小型化，离实用也越来越近，它的发展也成为飞行器研究领域最为热门的前沿学科。

其主要的进展有以下几方面:
(一)“大扑翼”
20世纪末，扑翼飞行器的发展也取得了可喜的成功。

在1996年，加拿大人詹姆斯.德拉瑞尔研制了“大扑翼”，由24马力的两冲程超轻型发动机通过一个机械驱动装置直接与机翼相连，一个链齿条装置驱动位于飞行员身后的两个构架上下运动，使机翼中段被反复抬出。

在发动机转到3800转/分的最大速度时，机翼能扑动1.3次每秒。

德拉瑞尔也认识到设计上最大的挑战是机翼，必须承认这是历史上技术最复杂的机翼。

通过研究鸟类飞行的慢动作照片，结果发现在这一瞬间发生了太多不同的运动，要模仿这些运动实在不易。

在设计时，德拉瑞尔提出，只要能产生扑动和扭转运动巧妙结合的效果就足够了，经过多年研究，他们验证了一种剪切一弯曲设计和三轴控制方法原理的可行性，在“大扑翼”上，飞行员通过操纵水平定面来控制俯仰，向控制应该是扑翼的第三个功能，“大扑翼”的机翼还不行，它的机翼设计排除了使用常规的副翼进行直接滚转控制的可能，因此还得依靠方向舵。

至于滚转控制则靠的是一种偏航一滚转祸合的方法。

然而理论研究和模型试验不能证明一切，所有设计都还需在试飞中检验。

今天的扑翼飞行器就像上个世纪40年代的超音速飞机一样，未知领域还非常多，特别是稳定性和控制问题在设计过程中依然是非常重要的难题。

遗憾的是“大扑翼”的首次试飞及改进后的试飞均未达到要求，但它却为随后的深入研究工作提供了很好的经验基础。

(二)“夜鹰”
在“大扑翼”的研究期间，加拿大人杰姆.泰斯和赛德也正在尝试研制扑翼机一“夜鹰”，他们的设计原理与德拉瑞尔的完全不同，而是更想接近鸟类的飞行方式，因而飞行器没有垂尾和方向舵，而是靠控制扑翼角度和频率来操纵，加上一个独立控制的鸽子似的尾部上下、左右地运动或扭转着，同时在气流合适时保持滑翔，转向则是靠独立反向机翼弯曲。

他们利用液压作动力驱动，能对扑翼角度和频率施加直接控制，当然控制的量还得由计算机精确掌握，同时液压部件也要有很高的重复频率和疲劳耐受力。

虽然“夜鹰”在理论研究研究上渐趋成熟，但试飞结果同“大扑翼”一样，也未达到既定要求，故还需不断改进。

(三)微型扑翼飞行器
自20世纪中后期以来，鉴于仿生扑翼飞行机器人潜在的更具吸引力的应用前景，其在短时间内就吸引了许多研究者的关注，研究主要集中在扑翼飞行仿生机理和扑翼结构方面，关于较大尺寸及微型扑翼的空气动力学研究也逐渐成为热点。

仿生学原理方面研究工作通常分为结构、运动学和升力机理几部分进行。

一些学者对昆虫和鸟类的结构及运动学进行了比较深入的研究。

了解到昆虫和鸟类与飞行有关的奇异、微妙的结构和功能。

通过吊飞和自由飞行试验研究，得到昆虫和鸟类扑翅飞行运动模式，以及一系列有意义的飞行参数，如扑动频率、扑动幅度等。

Wooton认为昆虫飞行能力和飞行技巧的多样性大半来自于翅型多样性和微妙复杂的运动模式。

许多生物飞行的非定常机理以及生物的飞行运动模式也在模拟试验的基础上得以提出。

1973年weis-Fohg在对黄蜂的飞行运动研究的基础上，提出了一种产生升力的“振翅拍击和挥摆急动(Clap and Fling)”机构，并论述了这种机构产生瞬时升力的机理。

1994年smith用有限元法和气动翼段法建立了飞蛾翅膀的弹性动力学与空气动力学耦合模型，研究了在气动力和惯性力作用下翼的各阶弯曲和扭转振型，并与刚性翼模型进行了对比。

1996年英国剑桥大学的Ellington等为研究扑翅周围的旋涡，研制了雷诺数与天蛾相同的扇翅模型一扇板。

通过风洞试验发现此扇板在下扇时产生一种强烈的前缘旋涡，此前缘涡在上拍和下拍过程中均不脱落，他们经过分析认为前缘涡不脱落是昆虫翅膀产生高升力机制之一，提出由于翅膀下拍产生前缘涡从而产生较大升力的“动态失速”(dynamics stall)机制。

Liu H等用数值求解Navier-Stokes 方程，证实昆虫翅膀在上拍和下拍过程中都存在附着前缘涡。

1997年Hall等提出一种使扑翼大幅值拍打产生升力和推力的最小环流分布的计算方法;Jones等系统地分析计算了单扑翼和前后组合扑翼的非定常流场、推力和功率。

1999年美国加州大学伯克利分校以Dickinson为首的研究小组[20]在一个装满矿物油的油罐中对机械翅进行试验，模拟昆虫在低雷诺数下的飞行情况，得出了昆虫依靠延迟失速(delayed stall)、旋转循环(rotational circulation)与尾流捕获(wake capture)的共同作用来产生高升力的结论。

另外，Wei Shyy、Stacey等口从生物学角度出发，主要研究了低雷诺数下的扑翼运动和柔性翼型对飞行的影响，认为柔性翅能增大升力。

Srygley R B等提出昆虫在飞行过程中根据飞行力需要，交替采用几种非定常高升力机理。

Jones 研制出一个具有上下两对均可产生拍打和俯仰运动的扑翼机构，并进行了风洞试验。

仿生学原理研究的最终目的是研制成功仿生飞行机器人。

以上这些研究较好
地解释了一些生物的非定常高升力机理，也推动了仿生扑翼飞行关键技术的发展，但对复杂运动研究较少，尚未形成一套完整和适用理论来指导仿生研究。

另外可以发现，国际上关于大尺寸扑翼的研究已经从单纯理论分析计算开始转向研制实际扑翼机构。

微型扑翼飞行器的兴起与美国国防高级研究计划局(DARPA)的重视是分不开的。

早在1982年，美国加州大学伯克利分校就开始进行微型扑翼飞行的运动机理和空气动力学的实验研究，并在十几年研究的基础上于1998年开始实行微型扑翼飞行昆虫(Micromechanical Flying Insect，MFI)的研究计划，目的是模拟苍蝇的独特飞行性能，设计出一种能够独立自主操纵的微飞行机器，如图1所示。

该项目共分为四个阶段:可行性分析、结构加工制作、空气动力学和机翼控制研究以及飞控和集成综合系统研究。

研究人员己对其空气动力学特性作了详细分析，设计研制了一种仿昆胸腔结构(一种由压电执行器驱动的差动机构)，其能源由尾部的太阳能电池供给，现已取得初步成功。

接下来的工作是研制机翼的闭环控制器，通过控制机翼产生的力的大小和改变机翼扇动模式，以使其能实现稳定飞行。

图1 MFI及其独特的驱动机构
美国佐治亚理工学院(GTRI)的“Entomopter是工程师Michelson和他的助手研制的“仿昆虫微型扑翼飞行器”，如图2所示，这种微型飞行器有着与蝴蝶翅膀相似的机翼，机翼采用特殊结构和材料制成，可在一种往复式化学肌肉(Reciprocating Chemical Muscle，RCM)驱动下上下扑动，机翼上下扑动能根据昆虫飞行原理提供升力，并使飞行器具有盘旋能力，尾部的天线能够增加平衡作用。

该扑翼飞行器的研究者期望它能在未来的火星探测中发挥其重要作用。

图2 Entomopter及其火星探测概念机
日本东京大学Isao Shimoyama和他的研究小组最早从事微型仿生飞行机器人的研究，他们的研究重点是各种驱动器、能源以及基于MEMS技术研制仿生翅和柔性铰链机构，取得很多研究成果。

图3所示为电磁场驱动的仿昆飞行机器人。

图示结构中，板A、B、C构成了实现翅无摩擦运动的柔性机构，板B、板C与板A上分别涂有相反磁性的磁层，翅膀上的灰色弹性薄膜是控制翅下拍时打开，上拍时闭合。

在电磁场的作用下，板B和板C朝着与板A运动方向相反的方法运动，使得翅膀上下拍动。

另外，日本东北大学K Shimasaki和他的研究小组也开展了电磁驱动微型仿生飞行机器人研究，如图4所示，在电磁力驱动下，下拍时磁性翅膀向下压聚酞亚胺翅膀，两个翅膀一起向下拍动，上拍时聚酞亚胺翅膀在聚乙烯铰链处向下弯曲，从而上下拍动产生升力差。

他们的研究重点是柔性铰链和共振系统。

日本研究者还研究了几种微型仿生飞行机器人，如静电场驱动微型仿生飞行机器人、螺线管驱动的仿昆拍动大模型、静电驱动的仿昆拍动小模型等，并通过理论计算和实验初步证明微型仿生飞行机器人的可行性。

图3 东京大学研制的仿昆虫飞行机器人图4 东北大学研制的微型飞行机器人加州大学和AeroVironment公司及加州洛杉矶大学共同研制了微型扑翼飞行器，名为“Microbat’，如图5所示。

该微型飞行器的研究人员通过大量实验研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特性，并制作了一种轻型传动机构将微电
机的转动转变为机翼的煽动。

实验中，该飞行器的机翼能以20Hz的频率煽动，采用Nicd-50电池作为动力源，并在非控制条件下进行了18秒、46米远的飞行实验。

这也是迄今为止文献公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行的微型仿生扑翼飞行器。

美国加州大学还计划在2004年研制出翼展5~10mm，重46mg，180HZ压电石英驱动的四翼“机器苍蝇”，又称“黑寡妇(Black Widow)”，如图6所示。

美国斯坦福研究中心(SRI)和多伦多大学在DARPA的资助下，设计了多种扑翼微型飞行器模型，图7所示为他们共同研究的一种扑翼微型飞行器“Mentor”，它有4片由“人工肌肉”驱动的扑动机翼和用来保持稳定的尾翼，整个飞行器约30厘米，重不到住5千克，并在2002年2月成为世界上第一架成功悬浮空中的微型扑翼飞行器。

研制人员希望能够把它缩小至蜂鸟大小，这样它就可以被用于监视工作了。

此外，DARPA也资助了基于弹性动力和热动力的扑翼飞行器研究工作，另外几种类型的微扑翼飞行机构也正在研制并取得了一定的成功。

图5 加州大学和AeroVironment公司及加州洛杉矶大学共同研制的Microbat
图6 机器苍蝇构想图图7 DARPA资助下的“Mentor”
此外，还有一些研究机构专门研究微型扑翼飞行机器人中单个部件，研究较多是微动力源。

麻省理工正在研制微型涡轮喷气发动机/发电机组，可产生13g 推力，自身重仅1g。

发动机用硅制成，转速106r/min以上。

美国M-DOT公司己于近期研制可一种微型涡轮喷气发动机，机长约7.6cm，重量85g，可以产生6.272N推力。

IGR公司正在研制固体氧化物燃料电池，其能量密度是锂电池好几倍。

2.3国内研究现状
国内对仿生扑翼飞行的研究起步相对较晚，但国内科学家们始终关注着其发展动态，近期国内不少高等院校和科研机构也开始这方面的基础和应用研究工作。

仿生学方面，张志涛等、曹雅忠等、程登发等、吴孔明和郭予元、彩万志等分别开展了生物飞行动力学、生理学、功能形态学等方面的研究。

清华大学的曾理江等人重点进行了昆虫运动机理研究和应用以及有关昆虫运动参数的测量和分析，在此基础上建立了昆虫运动模型，研究了昆虫运动机理。

升力产生机理方面，北京航空航天大学的孙茂等用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，在此基础上探索了微型飞行器的飞行原理，包括气动布局新概念、新控制方式、最大速度、允许重量、需要功率等问题。

此外，北京大学、安徽工业大学和厦门大学也对昆虫飞行产生高升力非定常机理进行了探讨。

南京航空航天大学的昂海松等对鸟类飞行机理进行了深入研究，提出一种新型的变速一折叠模型，通过非定常涡格法的计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气动特性。

为微型扑翼飞行机器人的设计提供了一定参考依据。

哈尔滨工程大学杨兰生等也对鸟扑翼模型进行分析，并提出一种仿生扑翼空间关节机构。

在昆虫和鸟类飞行机理研究基础上，西北工业大学目前也正在研制微型扑翼飞行器，如图8所示，飞机采用聚合物铿电池和微型电动机驱动，碳纤维机架，柔性机翼，总重约15g，扑翼频率15-20Hz，由于受电池容量限制，飞行时间约8-18s。

试验样机已经在低速风洞中进行了风洞试验。

南京航空航天大学胡宇群等对微型飞行器中的若干动力学问题进行了研究，南京航空航天大学胡铃心也成功了国内第一架在空中悬浮飞行的扑翼飞行器，如图9所示。

图8 西北工业大学的微型扑翼飞行器图9 南京航空航天大学研制的微扑翼飞行器上海交通大学蔡弘等研究了翼展50-60mm的基于电磁和基于压电驱动的扑翼MA V方案。

中科院赵亚博也就关键力学和智能材料问题进行了研究。

但总体而言，我国在这方面的研究与国外相比尚有一定差距，尤其在实践方面更是如此，可见中国在仿生扑翼飞行器方面的研究可谓任重而道远。

相信不久的将来，我国在仿生扑翼飞行器方面的研究必能取得重大进展与突破。

3 扑翼机器人研制的关键技术
虽然目前国内外对扑翼飞行器空气动力学、飞行力学及其实现机构的研究己取得了初步的理论和试验成果，但这些研究距离实际能够飞行的扑翼飞行器尚有一定差距。

为了实现扑翼飞行，除了应继续从理论和实验上进一步深入地研究仿生机理之外，非定常机理的研究、高性能的动力系统和能源问题、高效驱动机构的设计与制造以及以后的通信与控制系统等应成为扑翼飞行器研制的关键。

3.1空气动力学问题
仿生扑翼飞行机器人的空气动力学问题非常复杂。

由于目前研究的都是尺寸小、速度低类的，仿生扑翼飞行机器人要在比较低的雷诺数下飞行，此时空气粘滞力很大，这与飞机完全不同，显然飞机的空气动力学理论不能完全适合于仿生扑翼飞行机器人。

仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为主，但昆虫和鸟类的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。

按照传统的空气动力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力，因而就很难起飞。

但是它们翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，这会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行机理和空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础。

目前仿生扑翼飞行机器人在低雷诺数下的空气动力学问题还处在试验阶段，没有具体的理论和经验可以遵循，只能参考常规飞行器设计中所采用的一些成熟技术，如气动力计算方法与软件系统，在此基础上发展新的理论和试验技术。

因此应在充分认识生物飞行非定常空气动力学及翅膀运动模式的基础上，提取精华并简化运用，以实现能有效地产生升力和推进力的仿生机构，达到实现仿生扑翼飞行的目的。

3.2飞行动力和能源问题
动力装置在仿生扑翼飞行机器人研究中起着关键作用，也是目前微型仿生扑翼飞行机器人发展所面临的制约因素之一。

动力装置要在保证整个飞行器尺寸小的前提下，能提供足够的能量并转化为机器人所需驱动力，以及维持机载设备工作所需电能。

研制高功率和高能量密度微型动力装置和微型动力源是一个迫切需要解决的问题。

早期仿生扑翼飞行器的研究经验告诉我们，仅靠人体肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。

由于微型仿生扑翼飞行器要求外形较小、质量轻、驱动元件效率高、能耗少，这就要求在对仿生扑翼飞行内在关系的分析了解
基础上，对其能源动力系统的质量、大小以及功率等方面的因素对扑翼飞行驱动的作用进行深入细致的探讨。

目前动力装置主要采用微型马达、微型内燃发动机、基于MEMS技术的微静电致动器、压电致动器以及交变磁场驱动器、各种人造肌肉等。

这些都在国内外的研究中被尝试应用，但考虑到驱动效率，马达依然是较常用的驱动器，目前的马达做的非常微小，如上海交大研制的直径为1mm的电磁型超微马达等。

另外，人造肌肉具有稳定性好、结构紧凑、响应速度快以及具有更高的动力与质量比等特点，也是将来的发展方向。

为驱动提供能量的能源种类很多，如电化学电池、燃料电池、微型涡轮发电机、热光电发电机、太阳能电池等。

由于仿生扑翼飞行机器人最终目标是自主飞行，因此无线式供给将是以后发展的重点。

考虑到扑翼飞行对质量和大小的要求，在今后的研制过程中，电池和微型马达应是相当长一段时间内的首选对象。

3.3仿生翼、扑翼机构和材料
设计和制造具有非定常空气动力学特性的高效仿生翼，是仿生扑翼飞行研究中亟待解决的问题。

飞行所需气动力都是靠机翼上下拍动来产生。

因此仿生翼必须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且要能够提供足够的升力和推进力等。

仿生翼的研究包括翼的结构和形状设计、运动模式的实现、材料的选择以及与制造有关的工艺问题。

在设计过程中，翼形主要还是仿造动物翅膀形状，翼的重量要轻，在扑动过程中还要有灵敏的柔性，当然还要通过多种翼形比较，选择最有效的形状。

进行仿生翼研究的目的并不是要完全模仿生物的翅膀来实现灵巧的运动模式，而是在进一步研究鸟类、昆虫翅膀结构和运动特性的基础上，提取其精髓并进行简化，从而研制出更具灵活性和更优运动性能的翼形。

扑翼机构也不同与一般运动机构，模仿生物的翅膀的简化运动模式，运动机构就需要实现复合运动，高频和摩擦是一个重要的问题。

此外，材料的选择涉及仿生扑翼飞行的整个过程，设计中的重量轻、柔性以及微型化等要求都与材料有关。

另外，为保证整体重量轻，翼有一定强度且能灵活变形，聚脂化合物及碳纤维等也被广泛采用。

在研制过程中，必须综合考虑扑翼飞行的结构特性、运动和动力特性及机构制作的工艺特性要求来选择合适性能的材料。

3.4通信和控制系统
在仿生飞行器的发展过程以及未来的应用过程中，通信和控制系统是必不可少的重要装备，这其中的翼变化控制和稳定性控制是控制系统研究的关键。

像鸟类和昆虫一样实现对仿生扑翼飞行的控制是不现实的，控制系统须根据。