仿生扑翼飞行器的发展与展望

1、仿生扑翼飞行器的发展与展望摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当 前的研究现状及未来的发展趋势。在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论， 并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。关键词 仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术Abstract: The concept， characteristics and usage of flapping-wing air vehicle are briefly introduced. The present research situation and

2、future development trend of FA/ are summarized. According to these， several key technologies of FAV are discussed. Taking into account the present situation .the future on the research of FAV in China is outlined.Key words： Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology1仿生飞

3、行的历史与进展1.1向鸟类学习在中国两千年以前的航空神话和传说中， 就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、 “人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反 映古人飞行理想和愿望的文字记载。多数昆 虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是 飞行家，飞行技术非常高明。但因为昆虫比 较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察， 在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最 好的飞行家。传说中春秋时代(公元前770- 前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘 (有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3 年时间制造了能飞的木鸟，又名木莺。如图 所示1. 2实现飞行1783年，法国蒙哥尔费兄弟发明热气球 并载人飞行，开始类真正

4、的空中航行。 在人类利用轻于空气的航空器获得成功的 同时，也对重于空气的航空器一飞机进行探 索和试验。英国的乔治凯利(Cayley G)率 先提出利用固定机翼产生升力的概念，他把 鸟的飞行原理从上升和推进两种功能区别 开来，设计制造了能载人的滑翔机。1903 年莱特兄弟在滑翔机基础上加装自制内燃 机制成的“飞行者” 1号试飞成功，持续时 间59秒，标志着动力飞机飞行成功，开辟 了人类的飞行新纪元，人类翱翔蓝天的梦想 得以真正实现。1. 3微型飞行器 1992年，美国国防高级研究计划局召开 了关于未来军事技术的研讨会，第一次提出 了微型飞行器 MAY(Micro Air Vehicle)的概 念

5、，并提出其量级与昆虫及小鸟相似。从现 有的研究情况看，微型飞行器按其飞行方式 可分为传统的固定翼布局、旋翼布局和仿生 扑翼式布局3类。固定翼式和旋翼式微型飞 行器的研究迄今为止都达到了相当的水平。 2000年8月，“Black Widow”原型机经过 不断改进后，留空时间达到30分钟，最大 活动半径为1.8km，最大飞行高度约235m， 飞行重量为80克。旋翼微型飞行器因能垂 直起降和悬停，比较适宜于在室内等狭小空 间或较复杂地形环境中使用。回顾人类飞行 的历史，研究者们重新认识到，纵观自然界 的飞行生物，无一例外均采用扑翼的飞行方 式，扑翼飞行是生物进化的最优飞行方式。 于是人们又开始着眼于

6、扑翼飞行器的研究。 微型扑翼飞行器的机动性、灵活性及低能耗 等方面可与蜻蜓、蜜蜂、或蜂鸟等飞行生物 相媲美。经过近20年来研究者们的共同努 力，微型扑翼飞行器在仿生学飞行机理、能 源和驱动、运动和控制、通信和传感等当面 都取得了很大的进展。随着微型扑翼飞行器 研究的深入，有关扑翼飞行器翅翼的驱动方 式也成为这一领域的研究热点之一。2仿生扑翼飞行器的特点仿生学研究表明，动物飞行能力和技巧 的多样性多半来源于它们翅膀的多样性和 微妙复杂的翅膀运动模式。仿生扑翼飞行 器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机 小得多，并且具有优异的垂直起落能力，但 要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模 式，或是像蜻蜓等昆

7、虫那样高频扑翅运动是 非常困难。扑翼飞行与其他飞行方式的不同 之处就在于它借助机翼的上下扑动来产生 升力和推力，将悬停、推进飞行以及实现飞 行转向等都集中于一个扑翼系统，因此设计 出高效可靠的扑翼驱动机构就显得尤为重 要。一般的，扑翼驱动机构是由机架、输入 杆、左右翅膀杆和连接杆件组成。机架为飞 行器机身，输入杆连接扑翼机构动力源，连 接杆件为除机架、输入杆和左右翅杆之外的 杆件，左右翅膀杆为使机翼产生上下扑动的 杆件。输入杆获得动力后，带动其他杆件， 使左右翅膀杆产生扑动。设计的扑翼驱动机 构要求结构紧凑、摩擦阻力小以及要能够实 现像动物翅膀扑动的多样复合运动。由于动 物飞行的高升力机理及其

8、飞行的灵巧性都 与它们翅膀复杂的运动模式有关，因此通过 机械结构实现如此复杂的运动模式具有很 大的难度。到目前为止，只有在对动物飞行 机制的分析提炼与简化的基础上，通过设计 扑翼驱动机构来实现仿生扑翼飞行的运动 模式。主要分为两类，一类是仅仅产生上、 下扑动的机构，即平面扑翼驱动机构；另一 类是能像动物翅膀在扑动时，产生扭转、折 叠动作以减小阻力和应用非定常机理的机 构，即空间扑翼机构。由于高频扑动的空间 扑翼机构的实现具有很大的难度，至今只有 Dickinson就空间扑翼模型及其动力特性作 了详细研究。本文将就平面扑翼驱动机构的 设计进行探讨。3国外研究情况初期的扑翼飞行器发展融入了许多科

9、学家的艰苦努力，但整体上都显得较为庞大 且也相当笨重，离实用还相距甚远，和目前 发展的扑翼飞行器相比，也显得很笨拙，但 是却为后期的研究工作提供了一定的理论 基础和实践经验。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 行器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：3.1 “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

10、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 过操纵水平安定面来控制俯仰，侧向控制应 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

11、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 一滚转耦合的方法。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。遗憾的是“大扑翼”的首次试飞以及 改进后的试飞均未达到要求，但它却为随后 的深入研究提供了很好的经验基础。3.2微型扑翼飞行器自20世纪中后期以来，鉴于仿生扑翼 飞行器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，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。1973年We i SFogh在对 黄蜂的飞翔运动研究的基础上，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

12、机构产生瞬时 升力的机理。1991年Delaurier等人成功试 飞了无线电遥控的由发动机驱动的扑翼机， 并给出了其飞行动力学模型。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。l 9 9 6年英国剑桥大学的Ellington等人为研 究扇翅周围的旋涡，研制了雷诺数与天蛾相 同的扇翅模型扇板。此扇板在下扇时产生一 种强烈的前缘旋涡，力量很大，是对升力的 一种解释。1997年Hal l等人提出一种使扑 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

13、人系统地分析计 算了单扑翼和前后组合扑翼的非定常流场、 推力和功率。1999年美国大学的 Michael Dickinson等人对机械翅在一个装满矿物油 的油罐中进行试验，模拟昆虫在低雷诺数下 的飞行情况，得出了昆虫依靠延后失速、旋 转循环与尾流捕获的共同作用来产生高升 力的结论。Wei Shyy等人从生物学角度出 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，进而研究了微扑翼飞 行器设计中的一些关键问题。由此可以看 出，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。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， DAR

14、PA资助了基于弹性动力的和基于热动 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。4国内研究现状研究起步相对较晚，但国内科学家们始 终关注着其发展动态，并也开始这方面的基 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。北京航空航天大学的孙茂 等人用Naviel 一 Stokes方程数值解和涡动 力学理论研究了模型

15、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、 最速度、允许重量、需要功率等问题。南京 航空航天大学的昂海松等人通过非定常涡 格法的计算分析了仿鸟复合振动的扑翼气 动特性。赵亚博也就关键力学和智能材料问 题进行了研究。上海交通大学正在研究翼展 5060mm的基于电磁和基于压电驱动的扑 翼MAV方案。西北工业大学目前也正在研 制微型扑翼飞行器，飞机采用聚合物锂电池 和微型电动机驱动，碳纤维机架，柔性机翼， 全机重量约15 g，扑翼频率1520Hz，由于 受电池容量限制，飞行时间约818 S。试 验样机已经

16、在低速风洞中进行了风洞试验。 南京航空航天大学在2004年4月也研制成 功了国内第一架能在空中悬浮飞行的扑翼 飞行器。东南大学和扬州大学目前也已就仿 生扑翼飞行机构的机理分析、扑翼飞行实验 测试平台的建立等方面进行了联合攻关和 探讨，并取得初步成效。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。5关键技术5. 1空气动力学基础仿昆飞行机器人研究以模仿昆虫拍翅运 动为主，因此研究和理解昆虫飞行的运动机 理和空气动力学特性，是进行仿昆飞行机器 人研究的重要基础。由于昆虫翅膀飞行的复 杂性，适用于飞机的定常空气动力

17、学理论无 法进行解释。通过昆虫自由、吊飞昆虫飞行 研究以及非定常空气动力学、三维流体结构 分析，特别是最近被证明对于非定常空气动 力学问题研究非常有效的动力比例机械模 型研究，对昆虫的运动机理和空气动力学特 性进行初步探讨。目前最新的昆虫空气动力 学理论表明，昆虫翅膀的运动包括平移和旋 转，并通过三个运动效应实现飞行。翅膀以 一定的迎角平移，在平移结束阶段发生旋 转，旋转是为了改变翅膀逆向平移的迎角。 延时失速发生在平移阶段，旋转环量是平移 和旋转共同作用时发生的，而尾流捕捉发生 在翅膀逆向平移的开始。包含平移和旋转机 理的基本运动理论，可用于解释不同种类昆 虫的翅膀运动。与平移和旋转有关的三

18、个运 动效应，解释了翅膀拍打时独特的空气动力 学特性。目前昆虫飞行最新的三个运动效 应：延时失速、旋转环流和尾流捕捉，引起 了科学家们关注，并成为目前仿昆飞行机器 人研究的空气动力学基础。但昆虫空气动力 学理论仍未解决以下问题：首先，最新昆虫 空气动力学理论以少数昆虫的动力比例模 型研究为基础，而是否能适用于其它昆虫， 还有待进一步研究。其次，昆翅的运动非常 复杂，三个运动效应不一定能完全解释，可 能还有其它的运动效应没有发现。第三，目 前昆翅空气动力学研究仅以悬飞为基础，而 对复杂的运动，如前飞、翻滚等研究甚少。 最后，昆翅的运动非常复杂，动力比例模型 不可能完全精确，因此得到昆虫飞行运动的

19、 分析结果可能并不完全准确。近年来，昆虫 飞行空气动力学研究几乎与仿昆飞行机器 人研究同步，因此，昆虫空气动力学研究的 每一个新发现，都将大大促进仿昆飞行机器 人的发展。5. 2仿昆翅的研究设计和制造具有非定常空气动力学特性 的高效仿昆翅，是仿昆微飞行机器人研究中 最富于挑战性的一个研究难题。翅膀必须轻 而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且为 整个仿昆飞行机器人提供足够的升力和推 进力。仿昆翅的研究包括翅膀结构和形状设 计、翅膀传动机构设计、机构和翅膀材料的 选择以及与制造有关的工艺问题。翅膀传动 机构通常采用闭环机构，以一个关节驱动来 带动整个机构的运动，可以减轻机器人的质 量。传动机构有三

20、类，一类是由运动副连接 而成的机构，比较容易实现，但受接触副之 间的摩擦影响，功耗、磨损和运动稳定性等 问题突出。另一类是由材料弹性变形而动的 机构，由于具有弹性力而适于翅膀的微振动 系统，但弹性材料的寿命有限，第三类是由 柔性材料作为翅膀的运动关节，具有运动自 由度大和摩擦较小等优点，但运动的确定性 差。翅膀结构通常采用常规设计与MEMS 和智能材料相结合的工艺制造。翅膀结构的 制造方法主要有光刻电铸成形技术、深反应 性离子蚀刻、微放电加工、微浮雕表面成形 技术、折叠成形和快速原形制造技术。昆虫 翅膀很轻，但通过高频震动，加上非定常空 气动力学特性、变化的几何参数、灵活的变 形以及快速的自适

21、应生物系统来达到它们 杰出的飞行性能，这些都是经过千百万年的 进化得到的，其结构特征极具合理性，要用 机械来完全模仿几乎是不可能的。目前已经 设计的翅膀结构，从结构特性、运动和动力 特性来说，与昆虫翅膀运动性能相比差距很 大。目前进行仿昆翅研究的目的，并不是要 完全模仿昆虫翅膀，而是在进一步研究昆虫 结构和运动特性的基础上，提取精髓并进行 简化，从而开发出更具灵活性和更优运动性 能的翅膀。5. 3动力系统如何提供足够的动力来达到一定的飞行 时间是仿昆飞行机器人研究者们面临的一 个巨大挑战。飞行仿昆飞行机器人外形较 小、质量轻，要求驱动元件功率高、能耗小。 目前动力有种，如各种发动机、内燃机和微

22、 小型电动机。发动机要使用高新燃料。电动 机有微型蜗轮发电机、热光电发电机等，可 利用电化学电池、燃料电池、太阳能电池或 电子束能量系统作为能源，但电池这类能源 较重，提供的能量小。目前的能源动力系统 在质量、大小以及功率方面，还远不能满足 仿昆飞行机器人的要求。从仿昆飞行机器人 对质量和大小的要求以及目前的动力系统 发展趋势来看，电池和微小型电机将是仿昆 飞行机器人研究的首选。5. 4控制和通信系统仿昆飞行机器人要实现飞行的控制与决 策，需要进行任务规划、路径规划、飞行模 式规划和翅膀的运动学控制。控制系统研究 的关键是高度控制和稳定性控制。由于仿昆 飞行机器人质量大小的约束，以及仿昆飞行

23、机器人在空中运动的不确定性和非线性，控 制系统实现非常困难，目前仍处在理论探索 阶段。目前对于昆虫的控制机理了解甚少。 昆虫控制看上去比较简单，但实际上可分为 二级控制。低级控制是依靠生物传感器，控 制翅膀运动。高级控制依靠大脑，进行任务 规划、路径规划和飞行模式规划，间接控制 翅膀运动。仿昆飞行机器人飞行中要受到非 定常气流的影响，且飞行条件瞬息万变，因 此需要快速地控制系统来满足稳定飞行和 导航的需要，即对翅膀的运动模式和运动进 行快速控制。翅膀运动模型的高度不确定性 和翅膀运动的非线性，使得线性反馈、鲁棒 控制等方法都不适用，加大了控制实现的难 度。仿昆飞行机器人实现复杂的控制是不现 实

24、的，控制系统必须进行很大的简化。首先， 将外部条件简化，假设飞行环境是完美的， 不考虑大风以及下雨等外部干扰。其次，可 以采用多级简单控制方法。智能分布式控制 系统的发展为仿昆飞行机器人的控制系统 研究提供了很好的前景。由于体积和质量的 限制，目前的通信方式只能用微波通信方 式，但通信距离较短。要实现自主飞行，可 利用全球定位系统GPS，但目前最小的GPS 装置的功率至少要0.5W，天线的质量达 2040 g，而且需要很大的处理能力。同时 耗电量太大，天线尺寸又大，因而目前仍然 无法采用，需要进一步的改进。天线尺寸小， 无线电的频率就受到限制，传输的距离也有 限，目前还无法使用。目前适合于仿昆

25、飞行 机器人的通信系统还处于研究阶段，期待随 着电子技术的发展，将会开发出合适的产 品。6典型仿生扑翼飞行器技术分析6.1总体方案根据扑翼飞行器的工作特点，扑翼飞行器 要完成垂直起降、智能飞行、远程控制和通 讯等功能。因此，飞行器要包括扑翼系统、 起落支撑系统、姿态调控系统、检测系统、 电控系统等。其系统简图如图6.2系统设计与仿真建模仿生扑翼飞行器的飞行、转向及其推进分 别由扑翼半转机构和螺旋桨系统推进装置 实现。扑翼半转机构和螺旋桨推进装置分别 由4个电动机提供动力；扑翼半转机构通过 锥齿轮的传动来实现仿生扑翼飞行器的飞 行和悬停；螺旋桨推进通过改变两电动机的 转速来实现扑翼飞行器的前进和

26、转向。机械 部分有机身、扑翼系统（半转机构）、推进系 统、支撑系统、电路部分。飞行器的控制系 统采用单片机控制系统和无线电传送系统。 由单片机各输出端口分别控制4个电机转 速，同时通过无线传送接收系统实现远距离 控制和图像传输。6.3虚拟样机的建模与运动仿真根据设计方案载荷要求，对各机构进行运 动分析和参数设计，确定主要部件、元件型 号和设计尺寸。在此基础上，根据零件初始 设计参数，利用PROE软件进行三维实体建 模，生成零件加工图纸，并依照装配关系进 行虚拟装配，最后进行运动模拟仿真，分析 各系统的空间运动轨迹，参照设计要求对方 案。进行最优化设计。7展望目前许多研究中把昆翅视为刚性翅，仿

27、生的难度集中在了运动模拟上。这类研究虽 然也取得了很大进展，但把昆虫的拍翅运动 看成是完全的意识控制，将仿生飞行系统看 成是具有多自由度的运动系统和复杂完善 的控制系统，当扑翼飞行器接近昆虫量级的 时候，重量和能耗将成为难以克服的问题。 如果基于将昆翅视为柔性翅的观点，运动方 式只需采取简单的节律运动。仿生运动的模拟越简单越容易稳定地实现，翅翼在自适应 变形状态下施以简单的节律运动将是仿昆 生扑翼飞行器翅翼驱动方式的发展趋势之（a）物理模型（b）数学模型人造筋盟动的物理模型和数学模型基于这个观点，压电驱动、电致伸缩器等各 种人造筋驱动（如图所示）等不需要运动变换 的直接驱动方式将会成为研究的热

28、点，这类 方案将比较容易解决扑翼机构的高频和摩 擦问题，与自激拍动的扑翼控制系统相结 合，能比较方便地实现扑翼节律运动，并能 有效解决困扰已久的重量大和能耗大的难 题。结束语目前国外研究的仿昆飞行机器人，仍停 留在实验室研究阶段，尚不能独立飞行，更 不可能完成复杂的动作，离实用阶段还有很 大距离。同时由于微型化，不仅使微型元器 件和结构存在设计和制造困难，而且给动力 系统、控制和通信系统的实现带来很大困 难。空气动力学、仿昆翅、动力系统以及通 信控制系统等关键技术领域研究的每一进 步，都将大大促进仿昆飞行机器人的发展。 由于仿昆飞行机器人在军事上的重要性和 民用领域中日益广泛的应用，受到美国和日 本等国的重视，因此近两年得到快速发展。 对鸟的研究和获得的灵感，使得人类乘着飞 机上了天。而对昆虫的研究，将仿制出具有 更大飞行灵活性和自由度的仿昆飞行机器 人。期待在不久的将来，仿昆飞行机器人可 以自由地在空中翱翔。参考文献蔡弘基于仿生学原理的微型特种机器人的 研究D.上海：上海交通大学机械。2002.Po