仿生扑翼飞行器的发展与展望

仿生扑翼飞行器的发展与展望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：Theconcept，characteristicsandusageofflapping-wingairvehiclearebrieflyintroduced．ThepresentresearchsituationandfuturedevelopmenttrendofFAVaresummarized．Accordingtothese，severalkeytechnologiesofFAVarediscussed．Takingintoaccountthepresentsituation.thefutureontheresearchofFAVinChinaisoutlined．Keywords：Bionics;Flapping-wingairvehicle;Microairvehicle;Keytechnology1仿生飞行的历史与进展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，又名木鸢。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，开始了人类真正的空中航行。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(CayleyG)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(MicroAirVehicle)的概念，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，“BlackWidow”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WeiS—Fogh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(ClapandF1ing)”机构，并论述了这种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。l996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Hall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MichaelDickinson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。WeiShyy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，DARPA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50~60mm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20～40g，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一。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[1]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．[2]Pornsin—SirirakTN，LeeSW，NassofH，eta1．MEMSwingtechnologyforabattery—p