周 林,張忠海,王建輝,趙全亮，何廣平

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司， 北京 100041； 2.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144； 3.北京工業(yè)大學(xué)， 北京 100124)

1 引言

類對(duì)飛行的最初渴望來自于自然界的飛行生物。100余年來，人類對(duì)飛行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)行不斷的探索研究，時(shí)至今日，載人航空飛行器設(shè)計(jì)制造已經(jīng)取得了巨大成就。近30余年來，在國防工業(yè)技術(shù)發(fā)展需求的推動(dòng)下，無人航空飛行器技術(shù)發(fā)展得到國際大國的高度重視，仿生撲翼飛行器技術(shù)因此得到很大發(fā)展。與固定翼飛行器和旋翼飛行器相比，撲翼飛行器具有氣動(dòng)噪聲小、機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)、仿生隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在民用和軍事領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管撲翼飛行器在實(shí)際應(yīng)用中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是目前實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。限制這類飛行器發(fā)展應(yīng)用的因素主要包括:

1) 力學(xué)建模與控制。撲翼飛行器是典型的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)系統(tǒng)，力學(xué)建模和高升阻比機(jī)理分析異常復(fù)雜，通常只能借助于數(shù)值建模和分析方法。當(dāng)前各研究機(jī)構(gòu)對(duì)于一些常見昆蟲(如果蠅)等建立有多種成熟的理論模型和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，但對(duì)鳥類、蝙蝠等脊椎動(dòng)物的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究尚存在一定空白，難以建立精確的解析或半解析力學(xué)模型，給撲翼飛行器控制律系統(tǒng)性設(shè)計(jì)提出了一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2) 續(xù)航問題。與仿生魚等其他種類仿生機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展碰到的問題相似，受到可重復(fù)使用電池能量密度的限制，機(jī)載電源的選擇非常局限，導(dǎo)致已發(fā)明的各類撲翼飛行器續(xù)航能力有限，難以執(zhí)行長航時(shí)任務(wù)。

3) 飛行效率。但是撲翼飛行器是一類主動(dòng)尋求在非定常流體環(huán)境中高效機(jī)動(dòng)的機(jī)電系統(tǒng)。受到傳統(tǒng)電磁致動(dòng)原動(dòng)件功率密度比的限制，撲翼飛行器設(shè)計(jì)需要進(jìn)行嚴(yán)格的輕量化設(shè)計(jì)制造。飛行器結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)變形大，結(jié)構(gòu)變形與非定?？諝鈩?dòng)力之間存在顯著的動(dòng)態(tài)交互耦合。大量理論和實(shí)踐研究表明，撲翼渦流與大變形機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的交互耦合動(dòng)力學(xué)，對(duì)撲翼飛行能效性和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有顯著影響。針對(duì)鳥類、蝙蝠等脊椎動(dòng)物非定常流固耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的精確建模和分析，目前還存在一定技術(shù)難度，進(jìn)一步增加了撲翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

近年來，許多學(xué)者和研究人員就以上問題開展了大量的研究工作，并取得了大量的研究成果。本文對(duì)近20年來國內(nèi)外撲翼飛行器的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)與歸納，介紹了仿鳥、仿昆蟲、仿蝙蝠型三類典型撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的發(fā)展簡況。進(jìn)一步從力學(xué)建模、結(jié)構(gòu)與材料、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，闡述了當(dāng)前撲翼飛行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展中存在的一些技術(shù)難題。最后對(duì)未來撲翼飛行器的發(fā)展進(jìn)行了一定預(yù)測與展望。

2 撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀

撲翼飛行器是一類重要的仿生飛行器。根據(jù)仿生對(duì)象和飛行器主要結(jié)構(gòu)特征分類，可以分為仿鳥型、仿昆蟲型以及仿蝙蝠型三類撲翼飛行器。

2.1 仿鳥撲翼飛行器

2010年開始，美國加利福尼亞大學(xué)開始對(duì)仿生撲翼飛行器進(jìn)行研究并成功研制出H2Bird。這款撲翼飛行器采用了魯棒控制律作為核心控制算法，借助CPU、傳感器和攝像頭等，成功實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)飛行，如圖1所示。

圖1 H2Bird飛行器Fig.1 H2Bird aircraft

2011年，德國Festo公司首次公開展示了仿海鷗撲翼飛行器Smartbird，如圖2所示。Smartbird體長1.06 m，質(zhì)量約450 g，翼展為1.96 m。Smartbird采用仿海鷗的流線型機(jī)體和可折疊撲翼，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了對(duì)稱分布的四連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)以及翼尖的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是仿鳥撲翼飛行器樣機(jī)發(fā)展過程中的一個(gè)里程碑。因?yàn)檫@款仿鳥撲翼飛行器尺寸較大，其主要元器件選擇余地大，對(duì)隱蔽性更好的微小型仿鳥撲翼飛行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展來說，參考價(jià)值有限。

圖2 Smartbird飛行器Fig.2 Smartbird aircraft

2012年，美國AeroVironment公司設(shè)計(jì)了一種仿蜂鳥微型撲翼飛行器Hummingbird(圖3)。Hummingbird是納米飛行計(jì)劃項(xiàng)目的一部分，該計(jì)劃由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提出。Hummingbird的翼展為0.165 m，質(zhì)量10 g。最新資料顯示，該飛行器最大飛行時(shí)間可達(dá)11 min，能實(shí)現(xiàn)空中懸停和翻跟斗等高難度動(dòng)作，代表了微小型仿生撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)的較高水平。

圖3 Hummingbird飛行器Fig.3 Hummingbirdaircraft

國內(nèi)對(duì)于撲翼飛行器的研究也在有序開展。南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)撲翼飛行器樣機(jī)研制與風(fēng)洞試驗(yàn)測試進(jìn)行了深入研究。如圖4所示為南京航空航天大學(xué)研制的差動(dòng)式撲翼飛行器-“金鷹”，該撲翼飛行器翼展為650 mm，機(jī)身長為160 mm，總質(zhì)量為300 g。該飛行器可以通過伺服器控制左右機(jī)翼差動(dòng)扭轉(zhuǎn)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，同時(shí)在飛行器上搭載自主研制的微型自動(dòng)駕駛儀實(shí)現(xiàn)自主飛行。

圖4 金鷹飛行器Fig.4 Golden Eagle aircraft

哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在撲翼飛行氣動(dòng)特性機(jī)理、低雷諾數(shù)下微型撲翼生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理、柔性翅翼空氣動(dòng)力學(xué)開展了一定的理論研究，設(shè)計(jì)了一款微型撲翼飛行器并成功試飛，如圖5所示。該飛行器機(jī)翼采用柔性薄膜材料，翼展為 28 cm，總質(zhì)量為19.2 g，搭載有自主飛行控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間自主飛行。

圖5 哈工大撲翼飛行器Fig.5 Aircraft of HIT

在2011年的中航工業(yè)杯—國際無人飛行器創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽上，西北工業(yè)大學(xué)的信鴿首次登上舞臺(tái)(圖6)。信鴿采用的是鳥類流線型機(jī)身，機(jī)翼由平面連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，翼展約為0.6 m，飛行速度可達(dá)6～10 m/s，質(zhì)量約220 g。該飛行器機(jī)架采用碳纖維復(fù)合材料，裝載飛行控制導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像處理分系統(tǒng)、測控與信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自主起飛與自主巡航功能，機(jī)載微型攝像機(jī)可實(shí)時(shí)獲取并傳輸?shù)孛鎴D像信息，實(shí)現(xiàn)偵查功能，在國內(nèi)撲翼飛行器的發(fā)展中具有重要意義。

圖6 信鴿飛行器Fig.6 Homing pigeon aircraft

目前的仿鳥撲翼飛行器在氣動(dòng)效率遠(yuǎn)不如真正的鳥類，僅僅是模仿鳥類的飛行模式，飛行系統(tǒng)的傳感、驅(qū)動(dòng)和控制仍處在探索研究階段，絕大部分飛行器仍未走出實(shí)驗(yàn)室。對(duì)于仿鳥型撲翼飛行器，應(yīng)以長航時(shí)、高負(fù)載、遠(yuǎn)距離觀測應(yīng)用為主要發(fā)展方向。

2.2 仿昆蟲撲翼飛行器

除了鳥類，大量昆蟲也采用撲翼飛行方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離移動(dòng)覓食。目前仿昆蟲撲翼飛行器，大多以蜻蜓、蒼蠅、蝴蝶和蜜蜂作為仿生對(duì)象。

在仿蜻蜓撲翼飛行器中，最知名的是代爾夫特理工大學(xué)的Delfly系列飛行器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。代爾夫特理工大學(xué)先后研制出五代Delfly飛行器，分別是Delfly Ⅰ、Delfly Ⅱ、Delfly Micro、Delfly Explorer與Delfly Nimble，Delfly Nimble如圖7所示。其中，Delfly Micro翼展約為0.33 m，質(zhì)量約29 g。Defly系列搭載了微型攝像機(jī)，借助于圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛行器的位置控制。

圖7 Delfly Nimble飛行器Fig.7 Delfly Nimble aircraft

值得注意的是，在2017年，德雷珀實(shí)驗(yàn)室首次展示了一款半蜻蜓半機(jī)械飛行器DragonflEye，如圖8所示。

圖8 DragonflEye飛行器Fig.8 DragonflEye aircraft

該飛行器利用基因改造技術(shù)，在蜻蜓的身體中植入光極(optrode)，利用光遺傳學(xué)(optogenetic)技術(shù)，使用光子刺激蜻蜓的特定神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)對(duì)蜻蜓飛行的控制。DragonflEye使用機(jī)載的太陽能電路板供能，理想情況下，只需要有陽光、水與食物即可解決對(duì)于撲翼飛行器來說很致命的續(xù)航問題，這也為未來撲翼飛行器的發(fā)展提供了一種新的思路。

在2012年，《Science》雜志刊登了一款世界上最小的飛行器RoboBee，該仿蜜蜂飛行器由哈佛大學(xué)的Wood教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)，質(zhì)量僅僅80 mg，如圖9所示。除了平穩(wěn)起飛，RoboBee還實(shí)現(xiàn)了懸停和路徑追蹤。在2016年，《Science》雜志再次刊登了新一代RoboBee的研究進(jìn)展，與上一代相比，新型RoboBee增加了一個(gè)電極，通過該電極，RoboBee可以吸附在大多數(shù)物體上，這是以往各種飛行器都未嘗試過的。

圖9 RoboBee飛行器Fig.9 RoboBee aircraft

2.3 仿蝙蝠撲翼飛行器

蝙蝠是唯一能夠飛行的哺乳動(dòng)物，也是撲翼飛行生物中飛行噪聲最小的一類。蝙蝠的翅膀結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，仿蝙蝠飛行器樣機(jī)研制涉及大變形柔性薄膜結(jié)構(gòu)的流固耦合動(dòng)力學(xué)研究，建模與力學(xué)分析難度較大，相關(guān)技術(shù)與理論不夠成熟，因此，目前對(duì)仿蝙蝠撲翼飛行器的研究相對(duì)較少。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校和加州理工大學(xué)在2017年研制出了一款仿蝙蝠撲翼飛行器Bat Bot (B2)，該飛行器并沒有采用大量的分布式控制器，而是采用了高度可伸縮的硅基薄膜機(jī)翼，從而更好的匹配了蝙蝠飛行的形態(tài)特征。B2飛行器質(zhì)量為93 g，使用一個(gè)直流無刷電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)左右機(jī)翼，拍動(dòng)頻率約10 Hz。

對(duì)蝙蝠的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析是一項(xiàng)非常有挑戰(zhàn)性的工作。但對(duì)于仿蝙蝠撲翼飛行器樣機(jī)制造，了解蝙蝠如何通過空氣動(dòng)力以及復(fù)雜肌肉骨骼機(jī)制的復(fù)雜交互作用，來控制其身體姿態(tài)和位置是必不可少的，這是仿蝙蝠撲翼飛行器技術(shù)發(fā)展中的重要研究課題。

3 撲翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 撲翼飛行器空氣動(dòng)力學(xué)

目前撲翼飛行器樣機(jī)，大多處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，雖然大量研究工作表明，以往提出的眾多設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)方法具有可行性，但距離實(shí)際應(yīng)用仍有差距。要從實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)向工程化方向發(fā)展，需要在理論和技術(shù)方面進(jìn)一步取得突破。對(duì)于鳥類，拍打翅膀獲得的驅(qū)動(dòng)力主要來自于3部分:

1) 尾部渦流?？ㄩT-伯格斯理論認(rèn)為，機(jī)翼的振動(dòng)能夠消除邊界層中的渦度，產(chǎn)生反向卡門渦街，渦街本身攜帶著與機(jī)翼運(yùn)動(dòng)方向相反的動(dòng)量，使得機(jī)翼振動(dòng)產(chǎn)生推力。

2) 慣性的影響。當(dāng)機(jī)翼拍動(dòng)時(shí)，局部附加質(zhì)量效應(yīng)產(chǎn)生附加慣性力。

3) 前緣引力。當(dāng)流體以大曲率流經(jīng)鳥類前緣和頭部時(shí)，局部流速加快，形成低壓區(qū)，導(dǎo)致前緣吸力產(chǎn)生一定的驅(qū)動(dòng)力。

此外，鳥類流線型的身體、不同的幾何形狀、不同的飛行模式與飛行過程中翅膀的變形是鳥類在不斷變化的氣流條件下降低阻力的關(guān)鍵因素。

與鳥類相比，昆蟲的飛行機(jī)理更加復(fù)雜。隨著近年來數(shù)值模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)典型昆蟲的飛行機(jī)理有了系統(tǒng)深入的了解。目前的研究成果已經(jīng)提出了五種特殊的飛行機(jī)理，來解釋昆蟲如何通過拍打翅膀獲取足夠的驅(qū)動(dòng)力。

1) 延遲失速。翅翼在迎角增大的過程中，流經(jīng)前緣的氣流會(huì)與翼面分離，產(chǎn)生逐漸遠(yuǎn)離的前緣渦，進(jìn)而使氣流無法附著于翼面，便會(huì)出現(xiàn)失速現(xiàn)象。而撲翼運(yùn)動(dòng)在每一次拍動(dòng)的開始，其前緣都會(huì)形成渦結(jié)構(gòu)，并且在整個(gè)拍動(dòng)過程中保持附著于翅膀上，即使在隨后的拍動(dòng)過程中，前緣上附著的渦也不會(huì)發(fā)生脫落。此外由于翅膀的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，還存在著從翼根往翼尖方向的展向流動(dòng)，這也對(duì)前緣渦起到了穩(wěn)定作用，從而避免失速。

2) 拍合機(jī)制。在整個(gè)翅翼拍合過程中，第一階段是兩翅翼合攏，雙翅產(chǎn)生的前緣渦流相互抵消，同時(shí)后緣向內(nèi)旋轉(zhuǎn)并合攏，使逐漸減小的渦流脫落，并由于擠壓快速噴出。第二階段是雙翅分離，前緣快速向外打開，使得氣流受壓強(qiáng)影響流入上翼面，形成前緣渦，而后后緣分離。拍合機(jī)制能夠?yàn)槔ハx提供瞬間的高升力，許多飛行生物依靠這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)快速起飛，如蝴蝶、果蠅和飛蛾。

3) 旋轉(zhuǎn)環(huán)流機(jī)制。在撲翼運(yùn)動(dòng)結(jié)束前，昆蟲可以通過快速加速或快速向上運(yùn)動(dòng)，迅速產(chǎn)生不同方向的強(qiáng)旋渦，以增加升力。

4) 尾流捕獲機(jī)制。當(dāng)撲翼運(yùn)動(dòng)處于下?lián)渑c上撲轉(zhuǎn)換階段，翅翼在相反的方向會(huì)將遇到上半個(gè)周期產(chǎn)生的空氣流動(dòng)。由于翅翼與氣流的相互作用可以將上半個(gè)周期浪費(fèi)的氣動(dòng)力得以再次利用，使翅翼增加額外動(dòng)力。

5) 附加質(zhì)量效應(yīng)。在撲翼飛行的過程中，翅膀的撲動(dòng)方向會(huì)不斷的改變，伴隨著急加速以及急減速的現(xiàn)象，翅膀與流體之間便會(huì)出現(xiàn)較大的速度差，從而使得翅膀在推動(dòng)氣流的過程中會(huì)受到氣流的反作用壓力。

作為唯一的哺乳飛行生物，蝙蝠在很長一段時(shí)間里被認(rèn)為和鳥類的飛行方式是相同的。然而，近些年對(duì)蝙蝠飛行機(jī)理的研究表明，蝙蝠和鳥類的飛行方式是截然不同的。文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)蝙蝠以低速飛行時(shí)，翅膀會(huì)迅速向上移動(dòng)，并在整個(gè)拍打過程中產(chǎn)生升力；鳥類兩翼尾跡區(qū)的尾渦將合并成單個(gè)渦環(huán)，但蝙蝠兩翼尾跡區(qū)的尾渦相對(duì)獨(dú)立。前緣渦是在慢速飛行時(shí)產(chǎn)生的，但在懸停時(shí)不會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)機(jī)翼向上拍動(dòng)時(shí)，前緣渦在機(jī)翼內(nèi)外快速旋轉(zhuǎn)，并與機(jī)翼一起移動(dòng)。這種飛行模式對(duì)蝙蝠來說非常高效節(jié)能，這表明蝙蝠可以主動(dòng)控制前緣渦流的產(chǎn)生，以獲得更好的飛行能力。到目前為止，撲翼飛行機(jī)理研究主要通過3種方式:

1) 風(fēng)(水)洞模擬實(shí)驗(yàn)。通過風(fēng)(水)洞模擬飛行器的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)(水)向風(fēng)(水)速等環(huán)境條件，測量出飛行器的流場。

2) CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)。利用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

3) PIV(圖像測速)技術(shù)。通過測量示蹤粒子在已知很短時(shí)間間隔內(nèi)的位移來間接地測量流場的瞬態(tài)速度分布。

但是，撲翼飛行器在低雷諾數(shù)下的空氣動(dòng)力學(xué)及其穩(wěn)定性問題的許多結(jié)論沒有具體的理論，而是建立在仿真模擬的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)性研究。一方面可以幫助深入了解生物本身的運(yùn)動(dòng)特性，另一方面提高了后續(xù)動(dòng)力學(xué)建模等工作的準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)[37]提出了讓撲翼飛行器模型通過磁懸浮和平衡系統(tǒng)(MSBS)固定在風(fēng)洞測試部分的中心，因?yàn)闄C(jī)械支撐，所以測量作用在模型上的氣動(dòng)力和力矩?cái)?shù)據(jù)消除了支持干擾。在研究氣動(dòng)力的問題上目前最常用的是CFD算法的數(shù)值仿真。CFD方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是準(zhǔn)確性高，但是效率不高。追求準(zhǔn)確高效的非定常氣動(dòng)力建模和分析方法，是計(jì)算流體領(lǐng)域的重要研究課題。

文獻(xiàn)[39]使用了基于相位平均粒子圖像測速技術(shù)，利用流場速度測量來估計(jì)小展弦比機(jī)翼的升阻特性。文獻(xiàn)[40]采用了ADAMS-XFlow聯(lián)合仿真的方法進(jìn)行撲翼飛行器翅翼撲動(dòng)頻率與來流速度對(duì)其氣動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[41]開發(fā)了一個(gè)新的氣動(dòng)力測量平臺(tái)，用于測試鳥類自由飛行推進(jìn)性能，為未來校準(zhǔn)自然動(dòng)物飛行推進(jìn)性能的非定常氣動(dòng)效應(yīng)提供了一種有前景的測量技術(shù)。此外，隨著三維時(shí)間分辨PIV測試技術(shù)的出現(xiàn)，基于旋渦動(dòng)力學(xué)的壓力估算方法也開始應(yīng)用于仿生流動(dòng)機(jī)理的研究。

3.2 撲翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)

撲翼飛行器的撲翼機(jī)構(gòu)主要分為2個(gè)大類，純機(jī)械撲翼機(jī)構(gòu)與智能材料撲翼機(jī)構(gòu)。

純機(jī)械撲翼機(jī)構(gòu)主要可以分為基于電機(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、基于電磁鐵的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和靜電撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?；陔姍C(jī)的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)等。單曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)通過一個(gè)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄，在連桿的作用下使兩個(gè)搖桿擺動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的傳動(dòng)效率，缺點(diǎn)是兩側(cè)撲翼運(yùn)動(dòng)相位不對(duì)稱使得飛行器兩側(cè)受力不均降低了飛行器的穩(wěn)定性。雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)通過齒輪帶動(dòng)兩側(cè)曲柄旋轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)搖桿做撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，與單曲柄雙搖桿相比，雖然增加了整體的質(zhì)量和摩擦損耗，但解決了兩側(cè)撲翼的不完全對(duì)稱問題，大大提升了整體的穩(wěn)定性和氣動(dòng)性能。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)則是曲柄通過連桿帶動(dòng)中間滑塊運(yùn)動(dòng)，滑塊再通過連桿帶動(dòng)兩側(cè)搖桿進(jìn)行往復(fù)撲動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性較好，整體穩(wěn)定性強(qiáng)，但增加了傳動(dòng)件數(shù)量導(dǎo)致在能效性方面略有欠缺?？臻g連桿機(jī)構(gòu)形式多樣，在結(jié)構(gòu)方面的靈活性很大，在性能上優(yōu)于平面機(jī)構(gòu)，但其設(shè)計(jì)與分析較為復(fù)雜，在控制方面難度較大。

文獻(xiàn)[44]模仿蜂鳥，設(shè)計(jì)了手掌大小的微型撲翼飛行器，質(zhì)量約9 g，通過二級(jí)齒輪、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和線機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙翼的拍合機(jī)制，在同樣的電壓和拍打角幅值下，與無拍打機(jī)的撲翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，升力提升了17.5%。文獻(xiàn)[45]在研究著陸飛行中鳥類撲翼特性的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種能夠產(chǎn)生三自由度運(yùn)動(dòng)(撲翼、扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng))的撲翼機(jī)構(gòu)，可以將動(dòng)力源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為三自由度輸出的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，但為了實(shí)際應(yīng)用，通過更改關(guān)節(jié)連接特征減少了擺動(dòng)的自由度，但仍然對(duì)今后撲翼飛行器翅膀的設(shè)計(jì)有一定參考意義。

為了實(shí)現(xiàn)撲翼飛行器的輕量化設(shè)計(jì)并增加續(xù)航時(shí)間，研究人員對(duì)基于電磁鐵的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和靜電驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)構(gòu)也開展了很多研究?；陔姶盆F的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要原理是利用通電導(dǎo)體或磁性物體在磁場中受到驅(qū)動(dòng)力使得撲翼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，靜電驅(qū)動(dòng)多用于微撲翼飛行器中，在交流電壓的作用下，基于受迫振動(dòng)原理來驅(qū)動(dòng)雙翼。

文獻(xiàn)[46]研制了一款基于電磁鐵的撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用磁性體在磁場中受吸合力作用的原理實(shí)現(xiàn)了翅翼的撲動(dòng)、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[47]提出了一種電磁驅(qū)動(dòng)人工撲翼昆蟲柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了50°的最大機(jī)翼旋轉(zhuǎn)角度和±50°的撲動(dòng)幅度，通過這種方法提升了雙翼提供的升力。文獻(xiàn)[48]設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單的自激靜電撲翼機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)無需復(fù)雜的交流驅(qū)動(dòng)電路，即可在直流電源下激發(fā)諧振，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)昆蟲翅膀進(jìn)行往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生足夠高的有效升力。

在驅(qū)動(dòng)端，對(duì)于較大尺寸的撲翼飛行器而言，大多采用電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但是電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器不利于微型化設(shè)計(jì)，且會(huì)對(duì)整機(jī)的質(zhì)量產(chǎn)生很大的負(fù)擔(dān)，因此，研究人員一直在尋找更好的替代方案。隨著材料科學(xué)的發(fā)展與研究，研究人員開始將撲翼機(jī)構(gòu)的目光投向新的方向，利用智能材料設(shè)計(jì)撲翼飛行器的撲翼機(jī)構(gòu)，能夠進(jìn)一步完成撲翼飛行器的輕量化設(shè)計(jì)，成為在微型撲翼飛行器上替代電機(jī)的合理選擇。在尋找智能材料的過程中，形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)和電化學(xué)-機(jī)械傳導(dǎo)聚合物(EMCP)都曾被考慮，這些智能材料具有較大的自由應(yīng)變度以及高電阻，但是響應(yīng)速度慢，無法滿足撲翼飛行器高速運(yùn)動(dòng)的需求。因此，壓電致動(dòng)器和介電彈性體(DEA)由于具有響應(yīng)速度快、功耗低、輸出力大和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為毫米級(jí)撲翼飛行器上代替電機(jī)的優(yōu)秀選擇。哈佛大學(xué)的Wood教授在研制的RoboBee微型撲翼飛行器上采用了壓電致動(dòng)器，取得了良好的效果。介電彈性體具有大應(yīng)變、高輸出能量密度、響應(yīng)速度快和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，北俄亥俄大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用了人造肌肉這一介電彈性體，成功驅(qū)動(dòng)了質(zhì)量約15 g的飛行器。但是在目前技術(shù)條件下，壓電驅(qū)動(dòng)單元有效驅(qū)動(dòng)電壓較高，升壓電源模塊很難微型化?；诠δ懿牧现聞?dòng)器的微型撲翼飛行器，目前還難以實(shí)現(xiàn)機(jī)載能源方式的自治飛行。

3.3 撲翼機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

與目前的仿生飛行器相比，鳥類、昆蟲和蝙蝠的飛行效率高、飛行噪音低以及較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性，這些優(yōu)秀的特征與其翅膀結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。因此，對(duì)撲翼機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果不斷改善撲翼機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，是仿生飛行器不斷進(jìn)步的一大途徑。

微型撲翼飛行器是一種非線性時(shí)變系統(tǒng)，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，主要采用2種方法：

1) 平均法。使用平均振蕩周期內(nèi)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)來獲得非線性時(shí)不變(NLTI)系統(tǒng)模型。為了確定固定點(diǎn)的指數(shù)穩(wěn)定性，可以簡單地線性化NLTI系統(tǒng)以獲得線性時(shí)不變(LTI)模型并檢查LTI系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣的特征值。但是，平均法對(duì)周期值有嚴(yán)格要求，其適用于機(jī)翼頻率要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)模型自身的飛行運(yùn)動(dòng)頻率的一類生物。目前，一階平均法在微型撲翼飛行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析中已經(jīng)得到廣泛的使用。

2) Floquet理論。Floquet理論可以應(yīng)用于自治系統(tǒng)和非自治系統(tǒng)，可以用來分析線性時(shí)變周期(LTP)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其對(duì)周期值沒有要求，適用范圍更廣，可用于一些翅膀拍打頻率接近機(jī)身頻率的大型鳥類。但是，到目前為止，還沒有完全非線性時(shí)變周期分析應(yīng)用于到撲翼飛行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析上，這是今后需要進(jìn)一步研究的方向。

文獻(xiàn)[57]基于Delaurier條帶理論設(shè)計(jì)了一種曲柄連桿撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并驗(yàn)證了在非對(duì)稱撲動(dòng)規(guī)律下，該機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的飛行升力。文獻(xiàn)[58]使用理想流體理論研究了翼面的升力特性，引入了彈性裝置，減小了翅翼撲動(dòng)時(shí)構(gòu)件之間的沖擊力，增強(qiáng)了整機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。文獻(xiàn)[59]利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)模型對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，證明了在固有頻率驅(qū)動(dòng)機(jī)翼的情況下能夠最大限度地提高翅翼機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)升力和能量利用率。文獻(xiàn)[60]通過建立2個(gè)自由度的尾翼動(dòng)力學(xué)簡化模型，引入柔性變形度并給出氣動(dòng)特性的計(jì)算方法，分析了形狀、材料和角度對(duì)尾翼動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，并通過XFlow軟件仿真驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[61]建立了“拍動(dòng)+內(nèi)折疊+外折疊+扭轉(zhuǎn)”的三段式撲翼模型，分別研究撲翼的各個(gè)參數(shù)對(duì)飛行器氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。

3.4 撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)與材料

輕而堅(jiān)固的材料以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在很大程度上減小飛行器的續(xù)航壓力，也能夠使飛行器擁有更高的氣動(dòng)效率以及能量利用率。撲翼飛行器對(duì)材料要求很高，必須在低質(zhì)量的前提下，能夠承受高頻振動(dòng)。

對(duì)于目前的撲翼飛行器，碳纖維復(fù)合材料以其高強(qiáng)度低密度的優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于飛行器的主體以及翅翼骨架的制造上，通過在單一材料表面覆蓋碳纖維材料以此提高其強(qiáng)度也是可行的辦法之一。除此之外，如何設(shè)計(jì)出像昆蟲一樣靈活的雙翼，并且在飛行的過程中，可以控制其形狀，也是未來撲翼飛行器輕量化設(shè)計(jì)制造的研究方向。

為了實(shí)現(xiàn)撲翼飛行器的輕量化設(shè)計(jì)，需要對(duì)制造工藝進(jìn)行進(jìn)一步的研究。近年來，MEMS制造技術(shù)、激光切割技術(shù)、真空膜技術(shù)、熱軋加壓技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展為撲翼飛行器的輕量化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

克蘭菲爾德大學(xué)在機(jī)翼的選擇上采用了可拉伸的聚酯薄膜，在增加推力的同時(shí)，減少了因?yàn)槌岚蚺拇虍a(chǎn)生的噪音，提高了飛行器的隱蔽性。浙江大學(xué)的廖偉以海鷗為藍(lán)本，設(shè)計(jì)了一種可折疊機(jī)翼，機(jī)翼結(jié)構(gòu)分為內(nèi)翼和外翼，可以模擬鳥類的飛行。向上拍打時(shí)，機(jī)翼可以折疊以減小阻力，向下拍打時(shí)，機(jī)翼可以展開以增加升力，通過這種飛行方式提高了飛行效率。文獻(xiàn)[70]使用分布式翼片對(duì)柔性翼進(jìn)行優(yōu)化，減小了誘導(dǎo)阻力，提升了機(jī)翼的性能。文獻(xiàn)[71]提出了利用硅作為雙翼的材料，在納米結(jié)構(gòu)的作用下，將機(jī)翼的彎曲強(qiáng)度提高了6倍，反射率降低到2%。由于硅的彎曲強(qiáng)度提高，機(jī)翼的厚度可以小于100 μm。這可以有效地減輕飛機(jī)的質(zhì)量，有助于改進(jìn)撲翼飛行器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 撲翼飛行器的建模與控制算法

對(duì)于撲翼飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，主要難點(diǎn)在于模型的建立與控制算法上。不同于旋翼飛行器，撲翼飛行器的模型構(gòu)建較為復(fù)雜，特別是為了提高飛行器整體的氣動(dòng)效率，往往會(huì)使用可變形翅膀或機(jī)體，進(jìn)一步增加了建模難度。另一方面，撲翼飛行器的控制算法設(shè)計(jì)也相當(dāng)復(fù)雜，撲翼飛行器的高機(jī)動(dòng)性要求控制系統(tǒng)要有很快的響應(yīng)速度，除此之外，撲翼飛行器的質(zhì)量相對(duì)較小，對(duì)環(huán)境不穩(wěn)定氣流干擾非常敏感，要求控制系統(tǒng)要具有很強(qiáng)的抗風(fēng)性能，也是制約目前撲翼飛行器工程化的主要因素之一。

在建模方面，目前常用的動(dòng)力學(xué)建模方法是剛體的牛頓-歐拉法，其主要思想是利用運(yùn)動(dòng)螺旋和力螺旋建立動(dòng)力學(xué)方程。然而，由于撲翼飛行器的運(yùn)動(dòng)方式過于復(fù)雜，在建模過程中需要進(jìn)行一定的簡化，按照簡化程度，大致可以分為三類近似模型：忽略機(jī)翼動(dòng)力學(xué)特征，僅包括機(jī)體動(dòng)力學(xué);包括在剛性機(jī)翼運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)翼慣性項(xiàng);考慮彈性變形機(jī)翼和剛性機(jī)身的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

3種模型簡化程度依次遞減，但都是在考慮剛性或小變形假設(shè)前提下簡化得到的，并且忽略了結(jié)構(gòu)變形運(yùn)動(dòng)與非定常氣動(dòng)力之間的交互耦合作用。事實(shí)上，目前大多數(shù)撲翼飛行器都是采用的大變形柔性翼。機(jī)翼的剛度與撲翼飛行器主翼拍動(dòng)頻率是否匹配，直接影響飛行器的飛行氣動(dòng)能效性。這是影響多數(shù)撲翼飛行氣動(dòng)效率和連續(xù)飛行時(shí)長的主要因素之一。

拉格朗日法同樣可以用于撲翼飛行器的建模中，通過計(jì)算飛行器系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能，可以建立剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。但是，使用拉格朗日法對(duì)撲翼飛行器進(jìn)行建模需要建立連接剛體的質(zhì)量分布模型，同時(shí)，需要進(jìn)行大量的微分運(yùn)算，計(jì)算量較大。凱恩法兼顧了牛頓歐拉法和拉格朗日方法的優(yōu)點(diǎn)。但凱恩法需要引入已知物理量進(jìn)行表示，增加了建模過程的復(fù)雜性，且凱恩法建模的準(zhǔn)確性在實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用中很少得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)[75]采用擬坐標(biāo)拉格朗日方程進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)建模，減少自由度，降低了建模過程中的計(jì)算量。除了以上傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方法，還有一種結(jié)合飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模的方法，其基本思想是從撲翼飛行的飛行數(shù)據(jù)中識(shí)別局部線性模型，然后確定一組插值函數(shù)將這些模型組合成一個(gè)全局線性參數(shù)變化(LPV)模型。文獻(xiàn)[77]運(yùn)用了此方法進(jìn)行建模，避免了高階模型結(jié)構(gòu)和全局識(shí)別實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[78]采用幾何形態(tài)建模方法，基于微分幾何方法，通過將每個(gè)橫截面近似為橢圓，重新構(gòu)建了機(jī)翼的幾何形狀，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。

基于系統(tǒng)辨識(shí)方法建立的模型是使用觀測輸入輸出數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)建模技術(shù)，因此，此模型能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，具有很高的精度。目前，飛行器氣動(dòng)參數(shù)常用的辨識(shí)方法有最小二乘法、極大似然法、卡爾曼濾波法。最小二乘法采用遞推方式不斷對(duì)待辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行修正，最終獲得準(zhǔn)確的辨識(shí)結(jié)果，其對(duì)象通常為線性模型，在非線性模型中無法直接通過最小二乘法求解，需要通過其他方式將模型轉(zhuǎn)化為近似線性，一定程度上增加了過程的復(fù)雜度。極大似然法是將氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)問題轉(zhuǎn)換為似然函數(shù)的泛函極值問題，通過優(yōu)化算法求取函數(shù)優(yōu)化問題的解。該方法通常需預(yù)知過程噪聲和觀測噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，且誤差協(xié)方差陣的計(jì)算較復(fù)雜，計(jì)算量大，在非線性情況下濾波容易發(fā)散?？柭鼮V波法其基本思想是將待辨識(shí)參數(shù)作為狀態(tài)參數(shù)，并將其增廣到狀態(tài)矢量，采用卡爾曼濾波算法對(duì)增廣后的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)待辨識(shí)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)即得到參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)。

撲翼飛行器一般體積較小，質(zhì)量較輕，對(duì)外界干擾非常敏感，而撲翼飛行器應(yīng)用場景的飛行條件一般較為復(fù)雜，要求撲翼飛行器要有很好的自適應(yīng)能力。因此，在設(shè)計(jì)撲翼飛行器的控制器時(shí)，通常著重考慮飛行器整體的抗干擾性，在旋翼飛行器上普遍使用的PID控制算法無法滿足撲翼飛行器的控制需求，將智能控制策略引入到撲翼飛行器的控制系統(tǒng)中具有重要意義。

對(duì)飛行器的控制，可以分為位置控制和姿態(tài)控制。文獻(xiàn)使用螺紋連接，通過伺服電動(dòng)機(jī)將機(jī)翼拉到預(yù)設(shè)點(diǎn)，來完成對(duì)撲翼飛行器的姿態(tài)控制。文獻(xiàn)[84]設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于動(dòng)態(tài)逆方法的輸出反饋控制器，以解決由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不確定性而導(dǎo)致的控制特性的非仿射性。文獻(xiàn)提出了一種自抗擾控制(ADRC)結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化微型撲翼飛行器在自動(dòng)著陸過程中的姿態(tài)控制。文獻(xiàn)[86]采用自適應(yīng)控制器消除參數(shù)不確定性，采用魯棒控制器來衰減未知?jiǎng)討B(tài)，提出一類基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的不確定非線性系統(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制方法。文獻(xiàn)[87]提出了一種自適應(yīng)模糊控制方法，用于抑制或跟蹤機(jī)翼的動(dòng)態(tài)行為。把模糊邏輯系統(tǒng)(FLS)方法用于辨識(shí)近似未知的非線性動(dòng)力學(xué)，利用變論域技術(shù)修改FLS參數(shù)以提高差值精度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。

撲翼飛行器的嚴(yán)苛輕量化設(shè)計(jì)需求，使得其控制器系統(tǒng)硬件通常只能采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器、采用少量簡單模擬器件設(shè)計(jì)功率放大器。由于計(jì)算速度、存儲(chǔ)資源、輸出功率飽和等實(shí)際限制，較為復(fù)雜的系統(tǒng)閉環(huán)控制律很難在這些簡單硬件平臺(tái)上充分實(shí)現(xiàn)?；陔x線或在線技術(shù)，通過辨識(shí)、學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修正撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)和慣性參數(shù)，獲得精準(zhǔn)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)一步優(yōu)化控制器控制參數(shù)，提高閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定域和抑制干擾的魯棒性，是有效改善撲翼飛行器運(yùn)動(dòng)能效性、靈活性、帶載能力的一條現(xiàn)實(shí)途徑。

4 撲翼飛行器發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

撲翼飛行器是當(dāng)前仿生機(jī)器人的熱門發(fā)展方向。人們對(duì)撲翼飛行器性能改善的不斷追求，必將為撲翼飛行器的發(fā)展注入新的活力，帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

為了探索改進(jìn)撲翼飛行器氣動(dòng)能效性的有效方法，需要繼續(xù)深入研究非定常非線性空氣動(dòng)力系統(tǒng)的力學(xué)建模和分析方法。由于撲翼飛行是在低雷諾數(shù)下進(jìn)行的，傳統(tǒng)的固定翼和旋翼飛行器設(shè)計(jì)理論不能適用。目前，多采用風(fēng)(水)洞實(shí)驗(yàn)以及CFD模擬計(jì)算的方法進(jìn)行飛行機(jī)理的探究。因此深入開展大變形薄膜結(jié)構(gòu)與空氣渦流之間的交互耦合動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，是擺在計(jì)算流體力學(xué)研究領(lǐng)域科研人員面前的一項(xiàng)重要研究課題。揭示撲翼飛行生物駕馭非定常非線性流體運(yùn)動(dòng)，提高自身運(yùn)動(dòng)能效性、靈活性、穩(wěn)定性的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)仿生撲翼飛行器樣機(jī)技術(shù)水平有效提高的重要學(xué)科基礎(chǔ)問題。目前，針對(duì)鳥類、蝙蝠等脊椎動(dòng)物的高升力產(chǎn)生機(jī)制研究不足，難以建立精確的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)力學(xué)模型。

在結(jié)構(gòu)與材料方面，需要探究新的材料、制造工藝和能源策略，如探索低密度、高強(qiáng)度、高剛性/高彈性結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)制備方法；高轉(zhuǎn)化效率功能材料與器件的制備技術(shù)；高效高功率密度比的微型原動(dòng)件設(shè)計(jì)制造技術(shù)；3D結(jié)構(gòu)材料的高效拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法；復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的3D打印技術(shù)；生物材料與生物神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的深入研究和實(shí)踐等，都是現(xiàn)階段值得深入研究的重要課題。值得一提的是，隨著撲翼飛行器的尺度減小，粘性效應(yīng)愈加顯著，微型撲翼飛行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)范圍內(nèi)的機(jī)動(dòng)效率大幅降低，而這類撲翼飛行器面臨的升力優(yōu)化的問題更加迫切。以提升撲動(dòng)機(jī)構(gòu)能效性為核心，采用柔順機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副，降低機(jī)構(gòu)損耗，是當(dāng)前微型撲翼飛行器樣機(jī)設(shè)計(jì)中通常采用的系統(tǒng)方案。但是多層復(fù)合材料的高精度微細(xì)加工制造技術(shù)，對(duì)加工設(shè)備性能水平依賴性很強(qiáng)，是發(fā)展微型撲翼飛行器樣機(jī)制造技術(shù)的一個(gè)難題。

在系統(tǒng)建模方面，撲翼飛行器是一類多輸入多輸出、非定常、非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。目前，高性能撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，均采用大變形柔性機(jī)翼、可變形機(jī)翼、鏤空輕量化機(jī)體，難以進(jìn)行精準(zhǔn)動(dòng)力學(xué)建模和分析。同時(shí)，撲翼飛行器作為一種移動(dòng)載體，需要搭載各種的功能單元。在機(jī)載系統(tǒng)還難以高度集成化、微型化設(shè)計(jì)制造的條件下，為了獲得較為精準(zhǔn)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通常采用基于系統(tǒng)辨識(shí)的建模方法?；陔x線或者在線系統(tǒng)辨識(shí)的建模方法，無需過多考慮飛行器本體硬件的具體細(xì)節(jié)，對(duì)實(shí)現(xiàn)撲翼飛行器的穩(wěn)定控制具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在控制器設(shè)計(jì)方面，面對(duì)實(shí)際應(yīng)用，不僅需要考慮撲翼飛行器的復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)特征，還要考慮工程實(shí)現(xiàn)的可行性。傳統(tǒng)的單一、集總系統(tǒng)控制算法，很難滿足撲翼飛行器這類大變形柔性結(jié)構(gòu)、變體飛行、交互耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)能源功率非常有限的多自由度機(jī)電系統(tǒng)控制需求。針對(duì)不同的飛行模式、環(huán)境情況以及飛行任務(wù)，在一個(gè)撲翼飛行器上設(shè)計(jì)可重構(gòu)控制器，基于切換策略、調(diào)度策略、自適應(yīng)策略輔助下，選擇不同的控制器或多控制器并行使用來對(duì)機(jī)體進(jìn)行控制，是一個(gè)值得深入探索研究的方向。另外，借助基因工程技術(shù)，有效利用生物體自身的結(jié)構(gòu)材料、神經(jīng)肌電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生物的可控飛行，是一個(gè)值得高度關(guān)注的研究方向。

在應(yīng)用方面。目前的撲翼飛行器樣機(jī)大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，多數(shù)樣機(jī)幾乎沒有除了飛行以外的功能。在未來的應(yīng)用中，如何提高機(jī)體的負(fù)載能力，將其他功能模塊合理的搭載在機(jī)體上，同時(shí)提高機(jī)體的隱蔽性，都是值得思考與研究的問題。

5 結(jié)論

撲翼飛行器是多學(xué)科深度交叉融合的研究對(duì)象，開展相關(guān)技術(shù)研究可以深入促進(jìn)先進(jìn)材料、先進(jìn)控制、非定常空氣動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的研究、發(fā)展和應(yīng)用，無論是在學(xué)術(shù)研究方面，還是在應(yīng)用方面，都具有深刻的實(shí)際意義。本文綜合近20余年國內(nèi)外主要撲翼飛行器樣機(jī)的研究發(fā)展，討論了國內(nèi)外關(guān)于撲翼飛行器的種類、主要指標(biāo)現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等方面的研究內(nèi)容與成果。在綜合分析這一領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)于未來撲翼飛行器發(fā)展方向和重要研究課題進(jìn)行了討論，以期為同行提供參考。