仿生撲翼飛行器的研究現狀及關鍵技術

2023年12月29日發(作者：桃花樹下桃花庵)

綜述２００４．６仿生撲翼飛行器的研究現狀及關鍵技術o

周驥平　　武立新　　朱興龍揚州大學機械工程學院［摘　要］　本文簡要介紹了仿生撲翼飛行器的概念、特點及其應用，概述了仿生撲翼飛行器在國內外早期和當前的研究現狀及未來的發展趨勢。在此基礎上，就目前研究中迫切需要解決的一些關鍵技術進行了討論，并結合目前研究情況，對我國仿生撲翼飛行器的未來發展前景進行了展望。［關鍵詞］　仿生；撲翼飛行器；微型飛行器；關鍵技術[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．　引言自古以來，人們就夢想著在天空自由翱翔，對鳥在滑翔狀態下的研究使人類乘著飛機上了天。但在一般情況下，昆蟲和鳥類翅膀具有很大的機動靈活性，生物超強的飛行能力也引起了人們的極大興趣，如昆蟲利用其薄如蟬翼的翅膀高頻振動，能夠實現前飛、倒飛、側飛及倒著降落等特技飛行。對生物生理結構和飛行機理的研究為仿制出具有更大飛行靈活性的新型撲翼飛行器打下堅實基礎。隨著對生物飛行機理的認識和微電子機械技術（ＭＥＭＳ）、空氣動力學和新型材料等的快速發展，仿生撲翼飛行器在目前已成為一個新的研究熱點。由于其在軍事和民用上均具有廣泛的應用前景，許多國家都已在這方面進行了研究，如美國加州大學伯克利分校、日本東京大學等都已經在這個領域進行了深入的研究探索工作，國內的科學家們也開始了這方面的基礎和應用研究工作。本文主要介紹了仿生撲翼飛行器的特點和關鍵技術，以及其在國內外的研究現狀，并進行了對比分析思考，提出了相應的見解。１．　仿生撲翼飛行器的特點仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學原理設計制造的新型飛行機器。該類飛行器若研制成功，那么與固定翼和旋翼飛行相比，它便具有獨特的優點：如原地或小場地起飛，極好的飛行機動性和空中懸停性能以及飛行費用低廉，［作者簡介］周驥平（１９６０－），男，揚州大學機械工程學院院長，博士，教授，研究領域：　　　　　　　　　　　機電一體化，機械設計理論與方法等．＊基金項目：江蘇省高校自然科學基金項目資助（０２ＫＪＤ４６００１０）機器人技術與應用　１２

綜述２００４．６它將舉升、懸停和推進功能集于一撲翼系統，可以用很小的能量進行長距離飛行，因此更適合在長時間無能源補充及遠距離條件下執行任務。自然界的飛行生物無一例外地采用撲翼飛行方式，這也給了我們一個啟迪，同時根據仿生學和空氣動力學研究結果可以預見，在翼展小于１５ｃｍ時，撲翼飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優勢，微型仿生撲翼飛行器也必將在該研究領域占據主導地位。生物飛行能力和技巧的多樣性多半來源于他們翅膀的多樣性和微妙復雜的翅膀運動模式。鳥類和昆蟲的飛行表明，仿生撲翼飛行器在低速飛行時所需的功率要比普通飛機小的多，并且具有優異的垂直起落能力，但要真正實現像鳥類翅膀那樣的復雜運動模式，或是像蜻蜓等昆蟲那樣高頻撲翅運動非常困難，設計仿生撲翼飛行器所遇到的控制技術、材料和結構方面等問題仍是一難題，但將這種概念用機械裝置去實現，本身并不是決定性的，關鍵是在于人類要去不斷的嘗試。仿生撲翼飛行器通常具有尺寸適中、便于攜帶、飛行靈活、隱蔽性好等特點，因此在民用和國防領域有十分重要而廣泛的應用，并能完成許多其他飛行器所無法執行的任務。它可以進行生化探測與環境監測，進入生化禁區執行任務；可以對森林、草原和農田上的火災、蟲災及空氣污染等生態環境進行實時監測；可以進入人員不易進入地區，如地勢險要戰地，失火或出事故建筑物中等；特別在軍事上，仿生撲翼飛行器可用于戰場偵察、巡邏、突襲、信號干擾及進行城市作戰等。圖紙出自著名畫家達．芬奇之手，它是根據鳥類飛行機理進行設計的，至今仍完好地保存在博物館內。但過了３００多年后，科學家們才重新開始考慮撲翼機，并把它作為一種飛行器來研究。在１９世紀中期，由考夫曼、英國人哈爾格萊夫和德國人李林塔爾對撲翼機理論所作的研究及實踐成為撲翼飛行器發展史上重要的里程碑。２０世紀初，俄羅斯科學家和設計師們在這一領域內取得了重大突破，但鑒于知識背景，當時的撲翼飛行器也不能算理想的飛行器。一系列的失敗迫使科學家們重新進行計算設計，通過試飛實踐和所積累的理論資料，科學家們看到了許多問題，如：機翼煽動時效果不明顯，并未產生理想的升力和推力。另外，關鍵一點是科學家們認識到之前那些僅靠人體自身肌肉的力量來驅動的撲翼飛行器是無法實現持續飛行的。由此至２０世紀中后期，人類歷經艱辛才發明了撲翼滑翔飛行器和動力撲翼飛行器。前者仍由人發出功率，故不能獨立起飛，只有獲得必要的高度才能滑翔飛行，在無上升氣流情況下，要靠駕駛員人力煽動機翼，以減緩某一時刻的下降速度；后者當時則利用了發動機來完全或部分取代人力。在１９８６年，美國人波拉?麥克里迪在動力撲翼飛行器上取得過一定成績，但須要加裝大傳動比的減速器才能使發動機滿足撲翼工作要求，相比之下，蒸汽發動機、電動機等更適合撲翼飛行器使用。２．２　國外的研究進展初期的撲翼飛行器發展融入了許多科學家的２　國內外研究情況２．１　早期研究情況眾所周知，早在中國西漢時代就曾有人來模仿鳥的飛行，世界上第一架按技術規程設計　的撲翼機艱苦努力，但整體上都顯得較為龐大且也相當笨重，離實用還相距甚遠，和目前發展的撲翼飛行器相比，也顯得很笨拙，但是卻為后期的研究工作提供了一定的理論基礎和實踐經驗。隨著　　　　　１３機器人技術與應用

綜述２００４．６ＭＥＭＳ技術、空氣動力學和新型材料等的發展，如今的撲翼飛行器也越來越靈巧且逐漸小型化，離實用也越來越近，它的發展也成為飛行器研究領域最為熱門的前沿學科。其主要的進展有以下幾方面：２．２．１“大撲翼”２０世紀末，　撲翼飛行器的發展也取得了可喜的成功．在１９９６年，加拿大人詹姆斯．德拉瑞爾研制了“大撲翼”，由２４馬力的兩沖程超輕型發動機通過一個機械驅動裝置直接與機翼相連，一個鏈齒條裝置驅動位于飛行員身后的兩個構架上下運動，使機翼中段被反復抬出。在發動機轉到３８００轉／分的最大速度時，機翼能撲動１．３次每秒。德拉瑞爾也認識到設計上最大的挑戰是機翼，必須承認這是歷史上技術最復雜的機翼。通過研究鳥類飛行的慢動作照片，結果發現在這一瞬間發生了太多不同的運動，要模仿這些運動實在不易。在設計時，德拉瑞爾提出，只要能產生撲動和扭轉運動巧妙結合的效果就足夠了，經過多年研究，他們驗證了一種剪切—彎曲設計和三軸控制方法原理的可行性，在“大撲翼”上，飛行員通過操縱水平安定面來控制俯仰，側向控制應該是撲翼的第三個功能，“大撲翼”的機翼還不行，它的機翼設計排除了使用常規的副翼進行直接滾轉控制的可能，因此還得依靠方向舵。至于滾轉控制則靠的是一種偏航—滾轉耦合的方法。然而理論研究和模型試驗不能證明一切，所有設計都還需在試飛中檢驗。今天的撲翼飛行器就像上個世紀４０年代的超音速飛機一樣，未知領域還非常多，特別是穩定性和控制問題在設計過程中是非常重要的難題。遺憾的是“大撲翼”的首次試飛以及改進后的試飛均未達到要求，但它卻為隨后的深入研究提供了很好的經驗基礎。２．２．２“夜鷹”在“大撲翼”的研究期間，加拿大人杰姆?泰斯和賽德也正在嘗試研制撲翼機—“夜鷹”，他們的設計原理與德拉瑞爾的完全不同，而是更想接近鳥類的飛行方式，因而飛行器沒有垂尾和方向舵，而是靠控制撲翼角度和頻率來操縱，加上一個獨立控制的鴿子似的尾部上下、左右地運動或扭轉著，同時在氣流合適時保持滑翔，轉向則是靠獨立反向機翼彎曲。他們利用液壓作動力驅動，能對撲翼角度和頻率施加直接控制，當然控制的量還得由計算機精確掌握，同時液壓部件也要有很高的重復頻率和疲勞耐受力。雖然“夜鷹”在理論研究研究上漸趨成熟，但試飛結果同“大撲翼”一樣，也未達到既定要求，故還需不斷改進。２．２．３　微型撲翼飛行器自２０世紀中后期以來，鑒于仿生撲翼飛行器潛在的更具吸引力的應用前景，其在短時間內就吸引了許多研究者的關注，關于較大尺寸及微型撲翼的空氣動力學研究也逐漸成為熱點。１９７３年Ｗｅｉｓ－Ｆｏｇｈ在對黃蜂的飛翔運動研究的基礎上，提出了一種產生升力的“振翅拍擊和揮擺急動（Ｃｌａｐ　ａｎｄ　Ｆｌｉｎｇ）”機構，并論述了這種機構產生瞬時升力的機理。１９９１年Ｄｅｌａｕｒｉｅｒ等人成功試飛了無線電遙控的由發動機驅動的撲翼機，并給出了其飛行動力學模型。１９９４年Ｓｍｉｔｈ用有限元法和氣動翼段法建立了飛蛾翅膀的彈性動力學與空氣動力學耦合模型，研究了在氣動力和慣性力作用下翼的各階彎曲和扭轉振型，并與剛性翼模型進行了對比。１９９６年英國劍橋大學的Ｅｌｌｉｎｇｔｏｎ等人為研究扇翅周圍的旋渦，研制了雷諾數與天蛾相同的扇翅模型－－－扇板。此扇板在下扇時產生一種強烈的前緣旋渦，力量很大，是機器人技術與應用　１４

綜述２００４．６對升力的一種解釋。１９９７年Ｈａｌｌ等人提出一種使撲翼大幅值拍打產生升力和推力的最小環流分布的計算方法；Ｊｏｎｅｓ等人系統地分析計算了單撲翼和前后組合撲翼的非定常流場、推力和功率。１９９９年美國加州大學的Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等人對機械翅在一個裝滿礦物油的油罐中進行試驗，模擬昆蟲在低雷諾數下的飛行情況，得出了昆蟲依靠延后失速、旋轉循環與尾流捕獲的共同作用來產生高升力的結論。Ｗｅｉ　Ｓｈｙｙ等人從生物學角度出發，主要研究了低雷諾數下的撲翼運動和柔性翼型對飛行的影響，進而研究了微撲翼飛行器設計中的一些關鍵問題。Ｊｏｎｅｓ研制出一個具有上下兩對均可產生拍打和俯仰運動的翼展為１２７０ｍｍ的撲翼機構，并進行了風洞試驗。由此可以看出，國際上關于大尺寸撲翼的研究已經從單純理論分析計算開始轉向研制實際撲翼機構。微型撲翼飛行器的興起與美國國防高級研究計劃局（ＤＡＲＰＡ）的重視是分不開的。早在１９８２年，美國加洲大學伯克利分校就開始進行微型撲翼飛行的運動機理和空氣動力學的實驗研究，并在十幾年研究的基礎上于１９９８年開始實行微型撲翼飛行昆蟲（ＭＦＩ）的研究計劃，目的是模擬蒼蠅的獨特飛行性能，設計出一種能夠獨立自主操縱的微飛行機器。除此之外，美國佐治亞理工學院（ＧＴＲＩ）的“Ｅｎｔｏｍｏｐｔｅｒｓ”是工程師Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ和他的助手研制的“仿昆蟲微型撲翼飛行器”，這種微型飛行器有著與蝴蝶翅膀相似的機翼，機翼采用特殊結構和材料制成，可在一種往復式化學肌肉驅動（ＲＣＭ）下上下煽動，機翼上下煽動能根據昆蟲飛行原理提供升力，并使飛行器具有盤旋能力，尾部的天線能夠增加平衡作用。與此同時，日本東京大學也開始著手基于ＭＥＭＳ技術和昆蟲飛行原理研究幾個毫米大小的微飛行機器人，他們設計了一種可在交變磁場中煽動翅膀的飛行機器人，翅膀的材料為聚酰亞胺和鎳，當把此微型飛行機器人放入交變磁場中后，翅膀上的鎳薄將帶動翅膀上下煽動。另外，由加州大學和Ａｅｒｏｖｉｒｏｎｍｅｎｔ公司及加州洛杉磯大學共同研制了撲翼型ＭＡＶ，名為“Ｍｉｃｒｏｂａｔ”。該微型飛行器的研究人員通過大量實驗研究了撲翼飛行方式的非定常空氣動力學特性，并制作了一種輕型傳動機構將微電機的轉動轉變為機翼的煽動。實驗中，該飛行器的機翼能以２０Ｈｚ的頻率煽動，采用Ｎｉｃａｄ電池作為動力源，并在非控制條件下進行了１８秒、４６米遠的飛行實驗。這也是迄今為止文獻公開報道的、有技術細節的、可以持續飛行的撲翼ＭＡＶ。美國加洲大學還計劃在２００４年研制出翼展５～１０ｍｍ，重４６ｍｇ，１８０Ｈｚ壓電石英驅動的四翼“機器蒼蠅”，又稱“黑寡婦”（Ｂｌａｃｋ　Ｗｉｄｏｗ）。美國斯坦福研究中心（ＳＲＩ）和多倫多大學在ＤＡＲＰＡ的資助下，也在共同研究一種撲翼微型飛行器“Ｍｅｎｔｏｒ”，它有４片由“人工肌肉”驅動的撲動機翼和用來保持穩定的尾翼，整個飛行器約３０厘米，重不到０．５千克，并在２００２年２月成為世界上第一架成功懸浮空中的微型撲翼飛行器。研制人員希望能夠把它縮小至蜂鳥大小，這樣它就可以被用于監視工作了。此外，ＤＡＲＰＡ也資助了基于彈性動力的和基于熱動力的撲翼飛行器研究工作，另外幾種類型的微撲翼飛行機構也正在研制并取得了一定的成功。２．３　國內研究進展研究起步相對較晚，但國內科學家們始終關注著其發展動態，并也開始這方面的基礎和應用研究工作。仿生學方面，張志濤等、曹雅忠等、程登發等、吳孔明和郭予元、彩萬志等分別開展了生物飛行動力學、生理學、功能形態學等方面的研究。清華大學的曾理江等人重點進行了昆蟲運動機理研究　　　　　１５機器人技術與應用

綜述２００４．６和應用以及有關昆蟲運動參數的測量和分析，在此基礎上建立了昆蟲運動模型，研究了昆蟲運動機理。北京航空航天大學的孫茂等人用Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程數值解和渦動力學理論研究了模型昆蟲翼作非定常運動時的氣動力特性，解釋了昆蟲產生高升力的機理，在此基礎上探索了微型飛行器的飛行原理，包括氣動布局新概念、新控制方式、最大速度、允許重量、需要功率等問題。南京航空航天大學的昂海松等人通過非定常渦格法的計算分析了仿鳥復合振動的撲翼氣動特性。趙亞博也就關鍵力學和智能材料問題進行了研究。上海交通大學正在研究翼展５０～６０ｍｍ的基于電磁和基于壓電驅動的撲翼ＭＡＶ方案。西北工業大學目前也正在研制微型撲翼飛行器，飛機采用聚合物鋰電池和微型電動機驅動，碳纖維機架，柔性機翼，全機重量約１５ｇ，撲翼頻率１５～２０Ｈｚ，由于受電池容量限制，飛行時間約８～１８ｓ。試驗樣機已經在低速風洞中進行了風洞試驗。南京航空航天大學在２００４年４月也研制成功了國內第一架能在空中懸浮飛行的撲翼飛行器。東南大學和揚州大學目前也已就仿生撲翼飛行機構的機理分析、撲翼飛行實驗測試平臺的建立等方面進行了聯合攻關和探討，并取得初步成效。總體而言，我國在這方面的研究與國外相比尚有一定差距，尤其在實踐方面更是如此，可見中國在仿生撲翼飛行器方面的研究可謂任重而道遠。飛行機理之外，非定常空氣動力學的研究、高性能的動力系統和能源問題、高效撲翼驅動機構的設計與制造以及以后的通信與控制系統等應成為撲翼飛行器研制的關鍵。特別是翼展為１５０ｍｍ以下的撲翼飛行器具有很大的實用價值，與之相關的研究應成為我國的研究重點。３．１　空氣動力學基礎仿生撲翼飛行研究以模仿鳥和昆蟲類撲翅運動為主，但昆蟲和鳥類的翅膀不像飛機翼那樣具有標準的流線型，而是類似的平面薄體結構。按照傳統的空氣動力學理論，它們無法有效地利用空氣的升力和阻力，因而就很難起飛。但是它們翅膀在拍動過程中伴隨著快速且多樣性的運動，這會產生不同于周圍大氣的局部不穩定氣流，這種非定常空氣動力學效應是研究和理解昆蟲、鳥類飛行的運動機理和空氣動力學特性進而實現仿生飛行的重要基礎。因此我們應在充分認識生物飛行非定常空氣動力學及翅膀運動模式的基礎上，提取精華并簡化運用，以實現能有效地產生升力和推進力的仿生機構，達到實現仿生撲翼飛行的目的。３．２　飛行動力和能源問題早期仿生撲翼飛行器的研究經驗告訴我們，僅靠人體肌肉的力量來驅動的撲翼飛行器是無法實現持續飛行的。由于微型撲翼飛行器要求外形較小、質量輕、驅動元件效率高、能耗少，這就要求我們在對仿生撲翼飛行內在關系的分析了解基礎上，對３．關鍵技術的思考雖然國內外對撲翼飛行器空氣動力學、飛行力學及其實現機構的研究已取得了初步的理論和試驗成果，但是這些研究距離實際能夠飛行的撲翼飛行器尚有一定差距。為了實現撲翼飛行，除了應繼續從理論和實驗上進一步深入地研究撲翼其能源動力系統的質量、大小以及功率等方面的因素對撲翼飛行驅動的作用進行深入細致的探討。考慮到撲翼飛行對質量和大小的要求，并從研究的角度及目前的動力系統發展趨勢來看，在今后的研制過程中，電池和微小型電機應是相當長一段時間內的首選對象。機器人技術與應用　１６

綜述２００４．６３．３　翼形和材料設計和制造具有非定常空氣動力學特性的高效仿生翼，是仿生撲翼飛行研究中急待解決的問題。仿生翼必須輕而堅固，能夠在高頻振動下不會斷裂，且要能夠提供足夠的升力和推進力等。仿生翼的研究包括翼的結構和形狀設計、傳動機構設計、材料的選擇以及與制造有關的工藝問題。在設計過程中，翼形主要還是仿造生物翼形狀，翼的重量要輕，在撲動過程中還要有靈敏的柔性，當然還要通過多種翼形比較，選擇最有效的形狀。進行仿生翼研究的目的并不是要完全模仿生物的翅膀來實現靈巧的運動模式，而是在進一步研究鳥類、昆蟲翅膀結構和運動特性的基礎上，提取其精髓并進行簡化，從而研制出更具靈活性和運動性能的翼形。此外，材料的選擇涉及仿生撲翼飛行的整個過程，設計中的重量輕、柔性以及微型化等要求都與材料有關。如在驅動結構設計中，壓電陶瓷和化學肌肉等智能材料都被采用。另外，為保證整體重量輕，翼有一定強度且能靈活變形，聚脂化合物及碳纖維等也被廣泛采用。在我們的研制過程中，必須綜合考慮撲翼飛行的結構特性、運動和動力特性及機構制作的工藝特性要求來選擇合適性能的材料。是不現實的，控制系統須根據實際使用要求進行很大的簡化。首先，將外部條件簡化，即考慮飛行環境是理想的；其次，可采用多級簡單控制方法。另外，結合實際研制過程，遙控操作、電子調速及方向舵相結合的簡單控制系統仍將是首選。神經網絡式控制系統的發展為仿生撲翼飛行器的控制系統研究提供了很好的前景。此外，該類飛行器在執行任務過程中往往要飛離操縱者，這就意味著飛行器必須具備相對靈敏的通信系統，來實現對飛行器的控制以及傳遞收集有價值信息等。研制適合的ＧＰＳ接收機和地面匹配系統是較為前沿的通信方式，這對該類飛行器的發展來說也是非常必要的。目前適用于仿生飛行器的通信系統仍處于不斷發展的階段，但隨著電子、計算機技術的快速發展，更加先進的通信技術肯定能夠得以實現。４．．　結束語目前國內外研究的仿生撲翼飛行器仍處于實驗研究和初步實踐階段，尚不能獨立飛行，更不可能完成復雜的動作，離實用階段還有很大距離。考慮到其在軍事上的重要性和民用領域中日益廣泛的應用，美國和日本等發達國家都給予高度重視，因此而得到了快速發展，國內在這方面也做了大量的基礎研究工作。研制仿生撲翼飛行器不管是從其潛在的使用價值方面考慮，還是從推動技術方面考慮，對于我國來說都是勢在必行的研究工作。如果我們在對上述關鍵技術的研究上獲得突破，那么具備實用化要求的仿生飛行機器人并不是件可望而不可及的目標。參考文獻共２１篇（略）３．４　通信和控制系統在仿生飛行器的發展過程以及未來的應用過程中，通信和控制系統是必不可少的重要裝備。在仿生飛行器運用飛行中，要實現飛行的控制與決策，這需要進行任務規劃、路徑規劃、飛行模式規劃和運動學控制，這其中的翼變化控制和穩定性控制是控制系統研究的關鍵。像鳥類和昆蟲一樣實現對仿生撲翼飛行的控制　　　　　１７機器人技術與應用