仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术

2023年12月29日发(作者：桃花树下桃花庵)

综述２００４．６仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术o

周骥平　　武立新　　朱兴龙扬州大学机械工程学院［摘　要］　本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其应用，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　（ＦＡＶ）　ａｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ＦＡＶ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｓｅ，　ｓｅｖｅｒａｌ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ＦＡＶ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｔａｋｉｎｇ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ　，　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ＦＡＶ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ｉｓ　ｏｕｔｌｉｎｅｄ．[Keywords]　Ｂｉｏｎｉｃｓ；　Ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ　ａｉｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ；　Ｍｉｃｒｏ　ａｉｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ；　Ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１．　引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟在滑翔状态下的研究使人类乘着飞机上了天。但在一般情况下，昆虫和鸟类翅膀具有很大的机动灵活性，生物超强的飞行能力也引起了人们的极大兴趣，如昆虫利用其薄如蝉翼的翅膀高频振动，能够实现前飞、倒飞、侧飞及倒着降落等特技飞行。对生物生理结构和飞行机理的研究为仿制出具有更大飞行灵活性的新型扑翼飞行器打下坚实基础。随着对生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，仿生扑翼飞行器在目前已成为一个新的研究热点。由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学伯克利分校、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和应用研究工作。本文主要介绍了仿生扑翼飞行器的特点和关键技术，以及其在国内外的研究现状，并进行了对比分析思考，提出了相应的见解。１．　仿生扑翼飞行器的特点仿生扑翼飞行器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。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，［作者简介］周骥平（１９６０－），男，扬州大学机械工程学院院长，博士，教授，研究领域：　　　　　　　　　　　机电一体化，机械设计理论与方法等．＊基金项目：江苏省高校自然科学基金项目资助（０２ＫＪＤ４６００１０）机器人技术与应用　１２

综述２００４．６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，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。生物飞行能力和技巧的多样性多半来源于他们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。鸟类和昆虫的飞行表明，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的多，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非常困难，设计仿生扑翼飞行器所遇到的控制技术、材料和结构方面等问题仍是一难题，但将这种概念用机械装置去实现，本身并不是决定性的，关键是在于人类要去不断的尝试。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、虫灾及空气污染等生态环境进行实时监测；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、信号干扰及进行城市作战等。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：机翼煽动时效果不明显，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。前者仍由人发出功率，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，要靠驾驶员人力煽动机翼，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　国外的研究进展初期的扑翼飞行器发展融入了许多科学家的２　国内外研究情况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　　　　　１３机器人技术与应用

综述２００４．６ＭＥＭＳ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：２．２．１“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—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—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。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是非常重要的难题。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。２．２．２“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—“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。２．２．３　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（Ｃｌａｐ　ａｎｄ　Ｆｌｉｎｇ）”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。１９９６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，是机器人技术与应用　１４

综述２００４．６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年美国加州大学的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。Ｊｏｎｅｓ研制出一个具有上下两对均可产生拍打和俯仰运动的翼展为１２７０ｍｍ的扑翼机构，并进行了风洞试验。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。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，美国加洲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（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。除此之外，美国佐治亚理工学院（ＧＴＲＩ）的“Ｅｎｔｏｍｏｐｔｅｒｓ”是工程师Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ和他的助手研制的“仿昆虫微型扑翼飞行器”，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驱动（ＲＣＭ）下上下煽动，机翼上下煽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。与此同时，日本东京大学也开始着手基于ＭＥＭＳ技术和昆虫飞行原理研究几个毫米大小的微飞行机器人，他们设计了一种可在交变磁场中煽动翅膀的飞行机器人，翅膀的材料为聚酰亚胺和镍，当把此微型飞行机器人放入交变磁场中后，翅膀上的镍薄将带动翅膀上下煽动。另外，由加州大学和Ａｅｒｏｖｉｒｏｎｍｅｎｔ公司及加州洛杉矶大学共同研制了扑翼型ＭＡＶ，名为“Ｍｉｃｒｏｂａｔ”。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Ｎｉｃａｄ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、可以持续飞行的扑翼ＭＡＶ。美国加洲大学还计划在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）。美国斯坦福研究中心（ＳＲＩ）和多伦多大学在ＤＡＲＰＡ的资助下，也在共同研究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０．５千克，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。２．３　国内研究进展研究起步相对较晚，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　　　　　１５机器人技术与应用

综述２００４．６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。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。飞行机理之外，非定常空气动力学的研究、高性能的动力系统和能源问题、高效扑翼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。特别是翼展为１５０ｍｍ以下的扑翼飞行器具有很大的实用价值，与之相关的研究应成为我国的研究重点。３．１　空气动力学基础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、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础。因此我们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，这就要求我们在对仿生扑翼飞行内在关系的分析了解基础上，对３．关键技术的思考虽然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已取得了初步的理论和试验成果，但是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扑翼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。考虑到扑翼飞行对质量和大小的要求，并从研究的角度及目前的动力系统发展趋势来看，在今后的研制过程中，电池和微小型电机应是相当长一段时间内的首选对象。机器人技术与应用　１６

综述２００４．６３．３　翼形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急待解决的问题。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、传动机构设计、材料的选择以及与制造有关的工艺问题。在设计过程中，翼形主要还是仿造生物翼形状，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运动性能的翼形。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。如在驱动结构设计中，压电陶瓷和化学肌肉等智能材料都被采用。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。在我们的研制过程中，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。是不现实的，控制系统须根据实际使用要求进行很大的简化。首先，将外部条件简化，即考虑飞行环境是理想的；其次，可采用多级简单控制方法。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电子调速及方向舵相结合的简单控制系统仍将是首选。神经网络式控制系统的发展为仿生扑翼飞行器的控制系统研究提供了很好的前景。此外，该类飞行器在执行任务过程中往往要飞离操纵者，这就意味着飞行器必须具备相对灵敏的通信系统，来实现对飞行器的控制以及传递收集有价值信息等。研制适合的ＧＰＳ接收机和地面匹配系统是较为前沿的通信方式，这对该类飞行器的发展来说也是非常必要的。目前适用于仿生飞行器的通信系统仍处于不断发展的阶段，但随着电子、计算机技术的快速发展，更加先进的通信技术肯定能够得以实现。４．．　结束语目前国内外研究的仿生扑翼飞行器仍处于实验研究和初步实践阶段，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。考虑到其在军事上的重要性和民用领域中日益广泛的应用，美国和日本等发达国家都给予高度重视，因此而得到了快速发展，国内在这方面也做了大量的基础研究工作。研制仿生扑翼飞行器不管是从其潜在的使用价值方面考虑，还是从推动技术方面考虑，对于我国来说都是势在必行的研究工作。如果我们在对上述关键技术的研究上获得突破，那么具备实用化要求的仿生飞行机器人并不是件可望而不可及的目标。参考文献共２１篇（略）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。在仿生飞行器运用飞行中，要实现飞行的控制与决策，这需要进行任务规划、路径规划、飞行模式规划和运动学控制，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　　　　　１７机器人技术与应用