張逸晨，趙佳欣，韓昊奇，，崔 峰，劉 武

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子系微米納米加工技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

1 引 言

近年來，航空科學(xué)的發(fā)展極大拓寬了人們的視野，提高了人們研究飛行器的興趣。目前主流飛行器分為固定翼飛機(jī)、旋翼機(jī)和撲翼機(jī)［1-2］。固定翼飛機(jī)是目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛、研究最為成熟的機(jī)型，在民生、商業(yè)、軍事、娛樂等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。旋翼機(jī)利用多組螺旋槳產(chǎn)生的合力克服重力并提供不同方向力矩以實(shí)現(xiàn)自由飛行，旋翼機(jī)可以懸停的特點(diǎn)使其在航拍、農(nóng)業(yè)、軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。撲翼飛行器（Flapping Micro Air Vehicles，F(xiàn)MAVs）一般由翅膀、撲翼機(jī)構(gòu)、機(jī)身骨架、控制系統(tǒng)組成。撲翼飛行器模仿鳥類和昆蟲的飛行原理，通過往復(fù)拍打翅膀獲得升力以克服重力，能做到真正意義的仿生，對于解釋鳥類和昆蟲的飛行機(jī)理具有重大意義。在昆蟲和鳥類尺度下，相比于旋翼機(jī)，撲翼運(yùn)動(dòng)的效率更高，靈活性更強(qiáng)，可以在隱蔽偵察、抵近引導(dǎo)攻擊、狹窄空間內(nèi)的搜救以及探索工作中起到重要作用［3-6］。

不同于旋翼機(jī)多電機(jī)間耦合控制，懸停撲翼飛行器的懸停功能分為有尾懸停和無尾懸停。有尾懸停方式是以仿鳥類飛行器為基礎(chǔ)發(fā)展的，尾巴起到安定面的作用，可以提高飛行器豎直飛行時(shí)的阻力面積，從而實(shí)現(xiàn)懸停功能。無尾懸停模仿自然界中的昆蟲或蜂鳥，實(shí)現(xiàn)真正意義上的仿生懸停功能，這種懸停方式往往依靠控制舵機(jī)調(diào)節(jié)尾緣或變換撲翼平面實(shí)現(xiàn)［5-7］。

美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局、美國航天局是最早在微型撲翼飛行器領(lǐng)域上涉足的單位，并扶持美國航空環(huán)境公司研發(fā)出Nano Hummingbird仿蜂鳥無尾可懸停撲翼機(jī)器人［8］。近年來，可懸停的撲翼飛行器引起了人們的廣泛重視。荷蘭代爾夫特大學(xué)的DelFly Nimble［9］，韓國建國大學(xué)的KUBeetle-S［10］，美國普渡大學(xué)的Hummingbird Robot［11］，新加坡國立大學(xué)的Nus-Robotic bird［12］均有不俗表現(xiàn)。

本文介紹了可懸停撲翼飛行器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并從升力產(chǎn)生原理、飛行穩(wěn)定性分析、功耗效率優(yōu)化、續(xù)航能力等方面對可懸停撲翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。昆蟲、蜂鳥尺度下的懸停飛行是飛行器領(lǐng)域中的重要研究方向，其發(fā)展能極大地推動(dòng)軍事偵察、災(zāi)難搜救、狹窄空間探測救援等軍事應(yīng)用行業(yè)和民生應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自然界中的撲翼飛行具有無可比擬的機(jī)動(dòng)性、敏捷性和懸停能力。在過去的幾十年里，工程師們受生物飛行的啟發(fā)，在撲翼微型飛行器的設(shè)計(jì)方面取得了顯著的進(jìn)展［7］。根據(jù)翼展和機(jī)身質(zhì)量，所有常見的FWAVs 通?？煞譃槲⑿图夛w行器（Micro Air Vehicle，MAV，翼展＜1 m，質(zhì)量＜2 kg）、納級飛行器（Nano Air Vehicle，NAV，翼展＜75 mm，質(zhì)量＜10 g）和皮級飛行器（Pico Air Vehicle，PAV，翼展＜50 mm，質(zhì)量＜500 mg）［8］。MAV 尺度撲翼飛行器可定點(diǎn)盤旋，部分能實(shí)現(xiàn)懸停及豎直飛行；NAV 尺度基本以小型鳥類和大型昆蟲作為研究對象，能實(shí)現(xiàn)懸停和垂直起降；PAV 尺度以昆蟲作為研究對象，目前可實(shí)現(xiàn)克服重力起飛，但距離完全自主飛行仍有較大差距。本文將根據(jù)不同尺度類別對世界上著名研究機(jī)構(gòu)的撲翼飛行器進(jìn)行介紹。

2.1 MAV尺度下的懸停撲翼飛行器

MAV 尺度下的懸停飛行器根據(jù)翅膀布局分為八翅撲翼、四翅撲翼和雙翅撲翼。多翅撲翼載荷更大，飛行時(shí)間更長，具備靈活飛行的潛力，在世界范圍引起廣泛關(guān)注。荷蘭代爾夫特大學(xué)在2018 年模仿果蠅的飛行特點(diǎn)制作了一種連桿驅(qū)動(dòng)四翅撲翼飛行器［9］。盡管最終的樣機(jī)尺寸是果蠅的55 倍，但該款飛行器可以成功模仿果蠅靈活的飛行機(jī)制。該樣機(jī)質(zhì)量為28 g，翼展為33 cm，翅膀長度14 cm，懸停時(shí)撲翼頻率約為17 Hz，能實(shí)現(xiàn)7 m/s 的最大速度和4 m/s 的側(cè)向飛行。如圖1所示，樣機(jī)由左右兩套撲翼機(jī)構(gòu)組成，每套撲翼機(jī)構(gòu)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)通過減速齒輪將動(dòng)力輸出至兩個(gè)曲柄上，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)每套撲翼機(jī)構(gòu)上的兩個(gè)翅膀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。撲翼機(jī)通過調(diào)整翅膀拍打模式產(chǎn)生圍繞身體三個(gè)軸的扭矩，旋轉(zhuǎn)翅膀根部舵機(jī)扭轉(zhuǎn)翅根可以產(chǎn)生偏航軸控制力矩；旋轉(zhuǎn)機(jī)身頂部舵機(jī)可以改變左右撲翼中間位置，從而產(chǎn)生俯仰軸控制力矩；改變兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，引起左右翅膀的升力差可以產(chǎn)生翻滾軸控制力矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身自由飛行。

圖1 代爾夫特大學(xué)研制的仿昆蟲FMAV——Delfly nimble[9]Fig.1 Insect imitation FMAV developed by Delft University—Delfly nimble[9]

2020 年，南洋理工大學(xué)通過模仿雨燕的飛行特點(diǎn)設(shè)計(jì)了X 翼撲翼飛行器［13］。該飛行器質(zhì)量26 g，機(jī)身長度200 mm，每個(gè)翅膀長為280 mm，采用無刷電機(jī)經(jīng)過齒輪箱增加扭曲而驅(qū)動(dòng)兩組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖2（a）所示，齒輪旋轉(zhuǎn)軸采用滾珠軸承與碳纖維外殼固定，這樣做可以減小軸系傳動(dòng)的彎曲變形從而提高無刷電機(jī)的負(fù)載扭矩和傳動(dòng)效率。機(jī)翼根部加入兩個(gè)柔性尼龍鉸鏈，通過儲存拍打過程中的能量以補(bǔ)償機(jī)翼在拍打逆轉(zhuǎn)階段減速時(shí)的動(dòng)能，將機(jī)翼固定在機(jī)身上也有助于抑制撲翼引起的搖擺運(yùn)動(dòng)。依靠高效率的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該飛行器可通過調(diào)節(jié)尾翼的升降舵實(shí)現(xiàn)四翅樣機(jī)的懸停、加速和空中滑翔運(yùn)動(dòng)。該樣機(jī)可在15 Hz 撲翼頻率下產(chǎn)生近40 gf 的靜態(tài)推力，最大飛行速度為8 m/s，最大加速度為31.4 m/s2。

圖2 仿雨燕尺寸微型撲翼飛行器[13]Fig.2 Imitation swift scale MAV[13]

新加坡國立大學(xué)在2018 年設(shè)計(jì)了四翅撲翼機(jī)Nus-Robotic bird［12］。該樣機(jī)采用兩組曲柄滑塊與滑塊搖桿組合撲翼機(jī)構(gòu)。無刷電機(jī)作為動(dòng)力源，通過1∶20 的減速齒輪箱將動(dòng)力傳輸?shù)捷敵銮稀Ｃ績蓚€(gè)翅膀組成一組撲翼機(jī)構(gòu)，每個(gè)翅膀可以產(chǎn)生90°拍打角度。如圖3 所示，樣機(jī)通過改變左右撲翼機(jī)構(gòu)的撲翼平面角度產(chǎn)生俯仰軸、翻滾軸、偏航軸的控制力矩，以實(shí)現(xiàn)完全可控飛行。該飛行器質(zhì)量27 g，翼展22 cm，懸停時(shí)撲翼頻率為13.3 Hz，飛行速度可達(dá)5 m/s，持續(xù)飛行時(shí)間為3.5 min，可搭載4.5 g載荷，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)爆破飛行和視距外可控飛行。

圖3 新加坡國立大學(xué)四翅懸停FMAV[12]Fig.3 National University of Singapore Four Wing hover FMAV[12]

代爾夫特大學(xué)在2018 年研制了一款八翅可懸停飛行器，如圖4 所示，采用四組撲翼機(jī)構(gòu)配置，每組撲翼機(jī)構(gòu)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的速度可以產(chǎn)生俯仰、翻滾、偏航軸控制力矩［14］。整機(jī)質(zhì)量37.9 g，翼展28 cm，撲翼頻率為15 Hz，連續(xù)飛行超過9 min，飛行速度可達(dá)3.5 m/s，八翅撲翼飛行器在向前飛行時(shí)比四旋翼樣機(jī)更有效率，增加了航程和續(xù)航能力。此外，機(jī)翼表面會產(chǎn)生阻力可以提高減速性能。這意味著與四旋翼飛行器相比，八翅撲翼飛行器能夠更快地實(shí)現(xiàn)減速，具備很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

圖4 代爾夫特大學(xué)八翅FMAV[14]Fig.4 Four pairs of wings FMAV, Delft University[14]

兩翅撲翼飛行器相較四翅和八翅撲翼升力獲取難度更大，穩(wěn)定性控制難度更大，但仿生效果更好，更加具備理論研究價(jià)值。美國航空環(huán)境公司于2012 年展示了一款仿蜂鳥撲翼飛行器nano-hummingbird［8］。該飛行器在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了翅膀形貌優(yōu)化以獲得更高效率，它的質(zhì)量為19 g，翼展為16.5 cm，撲翼頻率為30 Hz，能夠懸停，能以6.7 m/s 的速度向前飛行并向遠(yuǎn)程地面站傳輸實(shí)時(shí)彩色視頻，是世界首款兩翅構(gòu)型的可自主飛行并實(shí)現(xiàn)懸停功能的無尾飛行器。翅膀的設(shè)計(jì)遵循最大升力功率比目標(biāo)，以獲得最優(yōu)的效率，提升飛行時(shí)間，最終設(shè)計(jì)的翅膀可以達(dá)到9.4 g/W的升力功率比。撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)嘗試了連桿機(jī)構(gòu)和線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式，考慮到連桿機(jī)構(gòu)撲翼幅值有限，最終采取線傳動(dòng)作為撲翼機(jī)構(gòu)形式，如圖5所示，機(jī)構(gòu)撲翼角可達(dá)200°。為了實(shí)現(xiàn)飛行器自由可控飛行，嘗試了改變拍打攻角和翅膀變形的方式產(chǎn)生控制力矩，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)尾緣造成翅膀變形可以獲得更大的控制力矩，最終選擇采用改變尾緣的控制方式。此外，設(shè)計(jì)了齒輪組控制機(jī)構(gòu)，克服了翻滾力矩與俯仰力矩控制耦合的問題。該飛行器為后續(xù)可懸停撲翼機(jī)的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)范例。

圖5 美國航空環(huán)境公司設(shè)計(jì)的納米蜂鳥機(jī)器人[8]Fig.5 Nano Hummingbird designed by AeroVironment Inc.[8]

2015 年，德克薩斯A&M 大學(xué)的Coleman 等嘗試使用五連桿設(shè)計(jì)懸停撲翼飛行器［15］。該樣機(jī)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)并加入第五連桿將搖桿的撲翼幅值放大，可將搖桿輸出端40°的拍打角放大至120°，該樣機(jī)質(zhì)量為62 g，采用11.1 V 電池作為動(dòng)力源，由2900 kV無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過優(yōu)化翅膀根部墊片寬度和墊片碳纖維疊合層數(shù)確定了墊片寬度為1.5 mm，樣機(jī)如圖6。三層疊合時(shí)單個(gè)翅膀可在20 Hz 的撲翼頻率下產(chǎn)生33 gf 升力。樣機(jī)可以22 Hz 的撲翼頻率克服重力，起飛上升1 m 并成功懸停5 s，是已知質(zhì)量最大的可懸停兩翅撲翼機(jī)。

圖6 德克薩斯A&M大學(xué)的MAV尺度飛行器[15].Fig.6 Texas A&M University MAV-scale aerial vehicle[15]

韓國建國大學(xué)的Jeon 等在2016 年設(shè)計(jì)了一種六連桿仿蜂鳥撲翼機(jī)構(gòu)，并制作出樣機(jī)。其設(shè)計(jì)樣機(jī)質(zhì)量目標(biāo)為20 g，翼展目標(biāo)為150 mm［16］。使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)葉素理論（Unsteady Blade Element Theory）預(yù)測法估算出能夠產(chǎn)生足夠升力且適合的拍動(dòng)幅度為150°，驅(qū)動(dòng)頻率為37 Hz?？紤]到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是非對稱機(jī)構(gòu)，其在前進(jìn)和返回行程之間有不同的速度，因此在第一級輸出端添加了一組桿交叉機(jī)構(gòu)，減少了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的不對稱特性并放大了輸出幅值，如圖7（a）所示。使用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行柔性多體動(dòng)力學(xué)分析以分析結(jié)構(gòu)可靠性。最終設(shè)計(jì)撲翼機(jī)構(gòu)的質(zhì)量約為8.3 g，撲翼幅值為160°，撲翼頻率為23 Hz，測試得到14 gf 的垂直升力，如圖7（c）所示，實(shí)現(xiàn)了撲翼機(jī)構(gòu)克服重力起飛。

圖7 韓國建國大學(xué)設(shè)計(jì)的六連桿仿昆蟲FMAV[16]Fig.7 A six-link insect-like FMAV designed by Konkuk University in South Korea[16]

圖8 北京航空航天大學(xué)仿獨(dú)角仙FMAV實(shí)物圖[17]Fig.8 Physical picture of FMAV imitation allomyrina dichotoma at Beihang University[17]

北京航空航天大學(xué)2020 年研究獨(dú)角仙的形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)拍打翅膀的動(dòng)作是由其骨骼內(nèi)結(jié)構(gòu)與相關(guān)肌肉的結(jié)合實(shí)現(xiàn)的［17］。用連桿模仿獨(dú)角仙胸腔肌肉設(shè)計(jì)了二級連桿式撲翼機(jī)構(gòu)。二級連桿由曲柄連桿機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)組成，以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)輸出搖桿的最小傳動(dòng)角為目標(biāo)，使用仿真軟件對連桿尺寸進(jìn)行優(yōu)化，增加了連桿機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性，減小了急回特性，實(shí)現(xiàn)了120°撲翼。選用1020無刷電機(jī)作為動(dòng)力源，連接12∶1傳動(dòng)比的聚甲醛樹脂材料齒輪減速箱放大扭矩，采用高強(qiáng)度纖維布材料作為翅膜、碳纖維棒作為翅脈制作翅膀。樣機(jī)重心位于雙翼氣動(dòng)中心軸線上，在垂直方向上的偏差0.68 mm。制作的樣機(jī)翼展190 mm，質(zhì)量23.1 g，在10 W 功率輸入下實(shí)現(xiàn)27.8 gf升力，成功克服重力起飛。

上海交通大學(xué)對線傳動(dòng)撲翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，分別設(shè)計(jì)了線傳動(dòng)兩翅和線傳動(dòng)四翅撲翼樣機(jī)。該樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將撲翼飛行器劃分為不同模塊，從質(zhì)量分配角度整理了子模塊參數(shù)設(shè)計(jì)方法，完善了設(shè)計(jì)流程。利用葉素法的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力模型分析撲翼飛行的氣動(dòng)力和力矩。采用多驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)控制機(jī)構(gòu)，降低驅(qū)動(dòng)器負(fù)載，提高控制角度的幅值。對于兩翅飛行器并聯(lián)機(jī)構(gòu)的耦合問題，利用變撲翼平面和尾緣調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行飛行控制；對于四翅飛行器的控制矩陣非線性耦合問題，利用了基于撲翼平面與撲翼頻率調(diào)節(jié)的控制方法。兩翅飛行器如圖9（a）所示，質(zhì)量為28 g，翼展21 cm，撲翼頻率25 Hz，在11 W 功耗下最大升力可達(dá)34 gf。可實(shí)現(xiàn)懸停、掌上起飛與定點(diǎn)回收［18］。四翅飛行器如圖9（b）所示，質(zhì)量為38.4 g，撲翼頻率為25 Hz，翼展24.5 cm，在16 W 功耗下最大升力可達(dá)50 gf，撲翼機(jī)構(gòu)與機(jī)身最大擺角可呈90°，能實(shí)現(xiàn)機(jī)身水平狀態(tài)下的垂直起飛［19］。

圖9 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的線傳動(dòng)FMAVFig.9 String-based FMAV designed by Shanghai Jiao Tong University

韓國建國大學(xué)在2012 年模仿甲蟲飛行機(jī)制設(shè)計(jì)撲翼機(jī)構(gòu)，通過考慮靜態(tài)力平衡，從理論上研究了重心（Gravity Center，GC）和平均氣動(dòng)中心（Aerodynamic Center，AC）的相對位置對垂直飛行的影響。進(jìn)行了垂直起飛試驗(yàn)，在這些試驗(yàn)中，使用非定常葉素理論來確定平均AC 的位置［20］。證明了通過控制重心和撲翼系統(tǒng)平均AC之間的相對位置，可以獲得垂直起飛的俯仰被動(dòng)穩(wěn)定性。如圖10（a）所示，2015年實(shí)現(xiàn)了翼展為12.5 cm、質(zhì)量為7.36 g的仿昆蟲撲翼微型飛行器的無控制垂直起飛。翅膀撲翼幅值為150°，撲翼頻率為43 Hz。翼展為12.5 cm，使用非定常葉素理論計(jì)算和測量的三維機(jī)翼運(yùn)動(dòng)學(xué)，得到垂直力的平均氣動(dòng)力中心的位置位于翼展展向46%位置。飛行器重心的垂直和水平力的力臂幾乎為零，以減小俯仰力矩［21］，在43 Hz 撲翼頻率下可實(shí)現(xiàn)0.94 m/s 的起飛速度。2017年，他們設(shè)計(jì)了仿甲蟲兩翅飛行器KUBeetle，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)配合線傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了190°撲翼角度，如圖10（b）所示［22］。樣機(jī)質(zhì)量為21 g，在33 Hz 撲翼頻率下產(chǎn)生29 gf 的升力。三個(gè)舵機(jī)分別通過調(diào)節(jié)尾緣的位置產(chǎn)生俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航力矩。采用比例-微分（Proportion-Differentiation，PD）控制實(shí)現(xiàn)了飛行主動(dòng)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明該樣機(jī)可以成功地進(jìn)行垂直爬升，然后在0.3 m 高的地面半徑內(nèi)懸停。如圖10（c）所示，2019 年他們對飛行器進(jìn)一步減重，令飛行器質(zhì)量達(dá)到16.8 g，翼展170 mm，高度75 mm，在23 Hz撲翼頻率下產(chǎn)生18.5 gf的升力［10］。其提出了擺頭力矩控制方案，依靠撲翼機(jī)構(gòu)相對于機(jī)身的轉(zhuǎn)角使升力與重力產(chǎn)生夾角，從而產(chǎn)生控制力矩，在俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)-15°～15°范圍時(shí)可產(chǎn)生-4.2～2.7 N·mm的控制力矩；在翻滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)-15°～15°范圍時(shí)可產(chǎn)生-2.8～2.6 N·mm 的控制力矩；在偏航軸轉(zhuǎn)動(dòng)-20°～20°范圍時(shí)可產(chǎn)生-0.3～0.5 N·mm 的控制力矩，整機(jī)可成功懸停約3 min。2020 年他們通過裁剪翅膀根部的方式減小翅膀面積，減小了阻力功耗，并且換用質(zhì)量更小的舵機(jī)，3 個(gè)舵機(jī)系統(tǒng)總質(zhì)量僅1.8 g，使整機(jī)質(zhì)量減小到15.8 g，飛行器翼展20 cm，傳動(dòng)比1∶28［23］，如圖10（d）所示。使用3.7 V電池作為電源，避免長時(shí)間工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)過熱，飛行器在3.7 V電壓作用時(shí)產(chǎn)生1.34 的峰值升重比。飛行測試表明，使用所選機(jī)翼的飛行器可以懸停8.8 min。

圖10 韓國建國大學(xué)線傳動(dòng)FMAV各年份迭代版本實(shí)物圖Fig.10 Figures of iterative versions of string based FMAV of Konkuk University in different years

普渡大學(xué)在2013 年提出了一種電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的撲翼翅膀的撲翼方案，機(jī)翼由直流電機(jī)直接通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)獲得撲翼角度，如圖11（a）所示［24］。撲翼機(jī)構(gòu)由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，翅膀與電機(jī)間加入一根彈簧，令撲翼過程變?yōu)槎A阻尼系統(tǒng)的受迫振動(dòng)響應(yīng)。翅膀由中間位置向兩側(cè)減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧被壓縮，儲存能量；機(jī)翼由撲翼幅值向中間運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧釋放能量，為翅膀加速，從而節(jié)省電機(jī)功耗。調(diào)節(jié)彈簧剛度系數(shù)可以將系統(tǒng)固有頻率與輸入頻率保持一致以獲得最大振幅，從而獲得最大升力。

圖11 普渡大學(xué)電機(jī)直驅(qū)兩翅實(shí)物圖Fig.11 Physical prototype of Purdue University motor direct drive two wings

2017年，他們將撲翼動(dòng)力學(xué)建模為一個(gè)受迫非線性共振系統(tǒng)［25］。利用線性近似方法，導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)撲動(dòng)幅值、能量和固有頻率、阻尼固有頻率和峰值頻率的特征頻率的解析解。提出了撲動(dòng)共振的理論分析，重點(diǎn)關(guān)注其對穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、升力產(chǎn)生和負(fù)載功耗的影響，研究表明：撲動(dòng)角速度峰值出現(xiàn)在系統(tǒng)以固有頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)；最大升力出現(xiàn)在固有頻率，而不是峰值頻率；效率最大值出現(xiàn)在固有頻率處，而不是峰值頻率處。通過撲翼機(jī)構(gòu)搭載翅膀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型和分析。

同年他們提出了考慮尺寸、質(zhì)量和功率限制下設(shè)計(jì)電機(jī)直驅(qū)兩翅撲翼樣機(jī)的方法，建立了動(dòng)力學(xué)、飛行穩(wěn)定性和主動(dòng)控制策略等理論模型，利用剛性和柔性機(jī)翼不同撲翼頻率的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證［26］。如圖11（b）所示，飛行器總質(zhì)量12.5 g，撲翼頻率40 Hz，撲翼幅值為150°，最大升力20 gf，翼展170 mm，翅膀使用兩個(gè)質(zhì)量2.5 g、直徑6 mm的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，翅膜使用3 μm薄的聚酯薄膜，飛行器可以克服重力起飛。

2021 年他們分析自然界昆蟲的翅膀能夠在一定程度上對稱和非對稱損傷的特點(diǎn)，建立了翅膀破損條件下的飛行模型，如圖11（c）所示［11］。從昆蟲的自適應(yīng)能力獲得靈感，量化機(jī)翼運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制力矩偏移和氣動(dòng)阻尼變化，在機(jī)翼完好和損壞的飛行試驗(yàn)中對撲翼微型飛行器的機(jī)翼損傷的影響進(jìn)行了研究。與完好機(jī)翼相比，受損機(jī)翼為了補(bǔ)償升力損失和扭矩失衡，導(dǎo)致了撲翼幅值的增大，引起功耗的相應(yīng)增加。與對稱情況相比，非對稱損害通常需要更多的額外控制努力來實(shí)現(xiàn)飛行穩(wěn)定。此外還分析了翅膀損傷對于升力、控制力矩和飛行動(dòng)力學(xué)的影響，建立了不完全翅膀的系統(tǒng)控制模型。最終，撲翼機(jī)即使在單邊最大升力損失約22%的情況下，也能保持飛行能力，這一結(jié)果與飛蛾懸停時(shí)處理扭矩不對稱的能力（22.3±7.8%）相當(dāng)。

2.2 NAV尺度下的懸停撲翼飛行器

由于NAV 尺度的質(zhì)量和翼展過小，現(xiàn)有技術(shù)很難做到完整飛行器自由懸停飛行，一些研究機(jī)構(gòu)在這個(gè)尺度上做出了嘗試。韓國建國大學(xué)模仿甲蟲設(shè)計(jì)了微撲翼飛行器，該系統(tǒng)在尺寸、撲動(dòng)頻率和翅膀運(yùn)動(dòng)學(xué)方面模仿甲蟲。使用了蘇格蘭軛機(jī)構(gòu)和連桿的組合系統(tǒng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為撲翼運(yùn)動(dòng)［27］。被動(dòng)翼旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過柔性構(gòu)件集成在撲翼機(jī)構(gòu)中。撲翼機(jī)構(gòu)由鋰電池（3.7 V，180 mAh）供電，用于拍擊測試，如圖12 所示，它可以在17 Hz 的撲翼頻率下產(chǎn)生148°的拍打角，105°的扭轉(zhuǎn)角，在約束條件下的最大平均前進(jìn)速度為360 mm/s。拍動(dòng)試驗(yàn)和力的測量證實(shí)，翼的旋轉(zhuǎn)顯著地有助于力的產(chǎn)生，從而有助于產(chǎn)生向前的速度，并且拍動(dòng)器在拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間可以產(chǎn)生大約2 gf 的正的平均垂直力。該飛行器質(zhì)量為10.26 g，翼展為12.5 cm。

圖12 三維CAD模型和撲翼機(jī)構(gòu)裝配圖[27]Fig.12 Three dimensional CAD model and fully assembled flapper[27]

哈佛大學(xué)模仿雙翅目昆蟲胸部機(jī)構(gòu)非線性剛度的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了柔性撲翼機(jī)構(gòu)［28］。這種胸腔機(jī)構(gòu)由剛性板和聚酰亞胺薄膜鉸鏈連接而成，形成一個(gè)封閉的殼體結(jié)構(gòu)。它具有非線性增加的剛度，因此可以在接近末端沖程時(shí)使機(jī)翼快速減速，并隨后幫助機(jī)翼反轉(zhuǎn)，如圖13 所示。撲翼機(jī)構(gòu)質(zhì)量為3.51 g，翼展10 cm，撲翼幅值158°，采用連桿機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)表明，在25 Hz時(shí)，撲翼系統(tǒng)僅將總機(jī)械功率的2%消耗在慣性功率上；相比之下，當(dāng)相同翅膀以相同的頻率拍打時(shí)，沒有彈性儲能的剛體機(jī)構(gòu)將總機(jī)械功率的23%消耗在慣性功率上。說明系統(tǒng)內(nèi)部的柔性關(guān)節(jié)可以緩沖25 Hz的10 cm翼展撲翼運(yùn)動(dòng)的慣性功率。與剛體撲翼機(jī)構(gòu)相比，由于具有彈性能量存儲的能力，這種柔順的撲翼機(jī)構(gòu)在產(chǎn)生相同推力的情況下節(jié)省了20%～30%的功率消耗。

圖13 哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)的具有集成聚酰亞胺薄膜鉸鏈的柔順胸部機(jī)構(gòu)[28]Fig.13 Compliant thoracic mechanism with integrated polyimide film hinges designed by Harvard University of Technology[28]

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提出了一種新穎的撲翼微型飛行器的設(shè)計(jì)。兩個(gè)機(jī)翼各由一個(gè)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，利用一個(gè)彈性元件回收能量，實(shí)現(xiàn)完整的彈簧阻尼系統(tǒng)。樣機(jī)如圖14 所示，翅膀長度7 cm，質(zhì)量2.7 g，在10 Hz 時(shí)的最大升重比為1.4［29］。獨(dú)立的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)翼允許系統(tǒng)共振并控制單個(gè)機(jī)翼的拍動(dòng)角度，減少必要的功耗，并允許產(chǎn)生翻滾和俯仰機(jī)身扭矩?？梢詥为?dú)調(diào)節(jié)左右翅膀的輸入角度和電壓幅值以實(shí)現(xiàn)角度控制。

圖14 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的雙電機(jī)直驅(qū)仿昆蟲FMAV [29]。Fig.14 FMAV driven by double motors developed by Carnegie Mellon University[29]

2.3 PAV尺度下的懸停撲翼飛行器

PAV 尺度飛行器往往以壓電、電磁驅(qū)動(dòng)為主，這類飛行器質(zhì)量不大于500 mg，翼展小于50 mm，需要外接電源和升壓電路以克服重力起飛。

2013年，哈佛大學(xué)的Ma等設(shè)計(jì)了“RoboBee”機(jī)器人，最早實(shí)現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)的厘米尺度微飛行器的控制飛行。為了實(shí)現(xiàn)飛行器的小型化，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了專用的雙晶壓電驅(qū)動(dòng)器，通過碳纖維與聚酰亞胺復(fù)合的柔性關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微飛行器的翻滾、俯仰、偏航多自由度飛行力矩控制。如圖15（a）所示，該樣機(jī)質(zhì)量約80 mg，采用300 V 電壓交流驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器，通過柔性鉸鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，最終單個(gè)翅膀撲翼頻率大概在110～120 Hz 之間，整體最大可以產(chǎn)生大于1.3 mN 的升力，且飛行功耗大概在19 mW，可以實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控環(huán)境下的懸停飛行，是已知可懸停撲翼微型飛行器最早的成功研究［30］。

哈佛的研究團(tuán)隊(duì)在后期對微飛行器的功能拓展研究做了進(jìn)一步探討，2016 年研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建電吸附結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了微飛行器對于墻壁的吸附功能，這使得飛行器可以實(shí)現(xiàn)在特殊環(huán)境中的停留。2017年Chen等針對RoboBee的空氣-水界面突破問題做了研究。研究者構(gòu)建了一臺質(zhì)量175 mg 的微飛行器，通過微型電解器實(shí)現(xiàn)化學(xué)蓄能，如圖15（b）所示，并實(shí)現(xiàn)飛行器從水面到空氣中的表面張力克服功能［31］。2019 年Jafferis 等進(jìn)一步改進(jìn)了RoboBee 的飛行器結(jié)構(gòu)，如圖15（c）所示，采用太陽能供電的方式實(shí)現(xiàn)了微飛行器的自供能飛行任務(wù)，是迄今為止第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無系繩的最輕的飛行器［32］。

南加利福尼亞大學(xué)的Yang 等，在RoboBee 的研究基礎(chǔ)上研發(fā)了一種四翅微飛行器。如圖16所示，研究團(tuán)隊(duì)采用了與RoboBee 相似的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種孿生單晶壓電驅(qū)動(dòng)器，滿足四個(gè)翅膀的相互獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。當(dāng)將執(zhí)行器的數(shù)目從兩枚增加到四枚時(shí)，對于飛行器的直接輸入控制可以實(shí)現(xiàn)翻滾、俯仰、偏航以及升力四個(gè)輸入。此外四翅結(jié)構(gòu)可以抑制雙撲翼結(jié)構(gòu)的偏航自由度旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)［33］。該樣機(jī)質(zhì)量約95 mg，可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)撲翼翅膀的分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，研究仍在進(jìn)一步探討控制策略以達(dá)到更高的推力比，并嘗試實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的飛行任務(wù)。

2016 年，上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了國內(nèi)首款壓電驅(qū)動(dòng)雙翅撲翼微飛行器，如圖17（a）所示，機(jī)器質(zhì)量84 mg，翼展35 mm，在100 Hz 的共振翼拍頻率下，可以產(chǎn)生足夠的推力，以約±60°的拍動(dòng)振幅起飛［34］。壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)考慮了電氣隔離和裝配問題。變速器和機(jī)身被集成為一個(gè)部件，以避免裝配困難。翼脈纖維方向布置合理，具有較高的強(qiáng)度和剛度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該壓電驅(qū)動(dòng)器具有良好的性能；成功避免了變速器和機(jī)身之間的裝配；通過合理排列碳纖維的纖維方向，獲得了高性能的人造翅膀。

圖17 上海交通大學(xué)壓電撲翼微飛行器[34]Fig.17 Piezoelectric flapping wing PAV of Shanghai Jiao Tong University[34]

除了壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的微飛行器以外，例如像電磁撲翼驅(qū)動(dòng)、介電彈性體驅(qū)動(dòng)等方案也被來自不同研究所的研究者嘗試。2016 年上海交通大學(xué)Zou 等提出了一種以電磁驅(qū)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)方案的微飛行器，并實(shí)現(xiàn)了飛行器的克服重力起飛實(shí)驗(yàn)［35］。如圖18 所示，該樣機(jī)質(zhì)量大約在100 mg 以下，撲翼拍動(dòng)頻率大概在80 Hz 左右，可以實(shí)現(xiàn)約±70°的撲翼幅度，實(shí)現(xiàn)了世界上最小的電磁驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)首次升空實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步提升飛行器的抗沖擊能力，哈佛大學(xué)的Chen 等在2019 年提出了一種以介電彈性體驅(qū)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)方案的微型飛行器，這種微型飛行器使用介電彈性體作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，可以達(dá)到約500 Hz 的撲翼頻率，如圖19 所示，功率密度為600 W/kg［36］。這種使用柔性壓電材料構(gòu)建的微飛行器可以達(dá)到更高的撲翼頻率，從而產(chǎn)生更高的升力，此外柔性的驅(qū)動(dòng)器使得飛行器面對沖擊等問題時(shí)受到的損傷更小。

圖18 撲翼機(jī)器人原型與尺子對比[35]Fig.18 Prototype flapping-wing robot contrasted with a ruler[35]

圖19 由單個(gè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的撲翼微型機(jī)器人[36]Fig.19 Image of flapping-wing microrobots driven by a single actuator, two actuators, and four actuators[36]

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 升力產(chǎn)生原理

與傳統(tǒng)的固定翼或旋翼飛機(jī)不同，撲翼飛行器通過往復(fù)拍打翅膀，利用不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力機(jī)制產(chǎn)生升力。這些機(jī)制包括附著前緣渦、附加質(zhì)量、尾跡捕獲、旋轉(zhuǎn)環(huán)流和拍打-合攏機(jī)制［37-39］。

前緣渦與撲翼展向速度相關(guān)，昆蟲撲翼過程的雷諾數(shù)約為2000，在此范圍內(nèi)隨著雷諾數(shù)的增加，前緣渦的展向速度隨之增大，前緣渦可以更穩(wěn)定地附著在翅膀上，從而提高撲翼飛行器的升力［40］。Ellington 等［41］指出，前緣渦在機(jī)翼上表面的穩(wěn)定附著是軸向流或展向流出現(xiàn)的結(jié)果。Maxworthy、Van Den Berg 等以及Birch 等［42-44］的研究也指出了前緣渦流在撲翼過程中會穩(wěn)定附著在機(jī)翼上。

附加質(zhì)量又稱虛擬質(zhì)量［45-46］，是指機(jī)翼分別對周圍空氣進(jìn)行加速和減速時(shí)受到反方向垂直于機(jī)翼表面的反作用力，它存在于撲翼沖程開始和結(jié)束時(shí)的加速和減速過程中。然而，由于它與循環(huán)力同時(shí)發(fā)生，這種附加質(zhì)量力很難通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法得到［45］?？墒褂脺?zhǔn)定常方法，給定非時(shí)變附加質(zhì)量系數(shù)來估算附加質(zhì)量［47］。

拍打-合攏機(jī)制是由Weis-Fogh［48］首先發(fā)現(xiàn)的。其發(fā)生在沖程逆轉(zhuǎn)時(shí)左右翼的相互作用中?，F(xiàn)已證明，這種拍-合的方式可以提高許多昆蟲的升力，如黃蜂、蝗蟲、蝴蝶和小蒼蠅［48-51］。然而，拍打-合攏機(jī)制只有在昆蟲爬升、起飛或攜帶重物時(shí)才能夠被觀測到［39］。這說明該機(jī)制雖然能夠產(chǎn)生較大升力，但此時(shí)撲翼幅值最大反而會增加昆蟲的能量消耗，所以只有在高升力場景需求下才會被使用［38］。

除了空氣動(dòng)力學(xué)因素，撲翼飛行在加速和減速過程中也會受到翅膀慣性的影響。許多先前的研究只分析了空氣動(dòng)力學(xué)，而忽略了昆蟲拍打翅膀的慣性效應(yīng)［52］。由于慣性的存在［53］，昆蟲會以相對較高的迎角拍動(dòng)翅膀［54］，但這在空氣動(dòng)力學(xué)上是低效的［55］。此外，翅膀慣性還被認(rèn)為是昆蟲［56］和許多機(jī)器人撲翼［8，22］在沖程反轉(zhuǎn)時(shí)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)的原因。這些說明翅膀慣性對撲翼周期平均升力的貢獻(xiàn)是微不足道的，但會消耗能量。昆蟲的飛行肌肉具有彈性，可補(bǔ)償撲翼過程中翅膀慣性造成的能量損耗，從而適當(dāng)增加撲翼頻率以提高升力［57］。這些研究說明，對撲翼升力的研究，特別是對剛性翅膀的升力研究，應(yīng)該考慮機(jī)翼慣性，以便進(jìn)行更精確的分析。

3.2 飛行穩(wěn)定性分析

昆蟲飛行姿態(tài)具有被動(dòng)不穩(wěn)定性，依靠主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)自身平衡［58］。昆蟲采用各種傳感器，如后翅退化形成的平衡棒、眼睛和觸角［59-61］來檢測姿態(tài)偏差。一項(xiàng)關(guān)于果蠅的實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)平衡棒被解除時(shí)，它們會快速翻滾［62］。在沒有觸角鞭毛的情況下，蛾子不能保持穩(wěn)定［63］。

昆蟲傳感器中的接收信號會激活身體控制機(jī)制，產(chǎn)生相應(yīng)的控制力來平衡身體姿態(tài)。由于沒有尾巴保持平衡，昆蟲通過主動(dòng)改變掃掠幅度、攻角、拍打頻率、撲翼平面角度，或者通過改變姿態(tài)來改變重心的位置［64-65］來操縱翅膀運(yùn)動(dòng)。例如，Dickinson 等［66］對果蠅的自由飛行進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)果蠅通過增大或減小移動(dòng)拍打角度范圍來重新定位平均氣動(dòng)力中心的位置，從而改變重心和升力中心之間的相對距離來控制俯仰力矩［66］；果蠅能夠操縱翅膀旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)不同的攻角（即翅膀前緣和平均行程平面之間的角度）來控制俯仰；對于翻滾控制，果蠅同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)翅膀的拍打幅度和扭轉(zhuǎn)角度；通過不對稱地調(diào)節(jié)翅膀旋轉(zhuǎn)角度或攻角來控制偏航角。對于撲翼飛行器而言，主動(dòng)控制機(jī)構(gòu)會增加飛行器的質(zhì)量，從而增加飛行器設(shè)計(jì)的難度。四翅或更多翅膀撲翼的穩(wěn)定性分析類似于旋翼飛行器，采用翅膀的速度差實(shí)現(xiàn)方向控制和穩(wěn)定飛行。兩翅飛行器模仿自然界中昆蟲和鳥類的穩(wěn)定性原理，在設(shè)計(jì)主動(dòng)控制算法之前，添加被動(dòng)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的撲翼飛行器被認(rèn)為是一種替代方法。RoboBee［33］、Colibri［67］和KUBeetle［21］的早期版本采用了安定面實(shí)現(xiàn)被動(dòng)穩(wěn)定性，安定面起到空氣阻尼器的作用，允許撲翼飛行器保持豎直穩(wěn)定性。然而，安定面對風(fēng)的擾動(dòng)很敏感，降低了飛行器的機(jī)動(dòng)性。為了增加微型撲翼飛行器的靈活性，需要加入主動(dòng)控制算法。在NAV 尺度下，哈佛大學(xué)的研究人員考慮了許多方法，如使用外部運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)、板載傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)［69-71］和生物激勵(lì)觸角［61］等。在無法獲得直接角速度反饋的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)上，首先使用基于修正李亞普諾夫函數(shù)的類PD 控制律穩(wěn)定RoboBee 飛行器。Fuller 等提出了一種基于實(shí)驗(yàn)和無模型控制策略的多輸入多輸出控制器［69］，采用自適應(yīng)控制方法可以提高飛行穩(wěn)定性，減小制造缺陷引起的模型誤差。普渡大學(xué)采用線性二次調(diào)節(jié)方法對撲翼運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，利用線性二次型調(diào)節(jié)器（Linear Quadratic Regulator，LQR）分別跟蹤120°和150°的撲翼運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，雖然LQR 不能實(shí)現(xiàn)精確的相位跟蹤，但它能夠以更大的幅度和更少的功耗實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)，這更好地滿足了MAV的設(shè)計(jì)要求［24］。上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了自抗擾控制器，可實(shí)現(xiàn)飛行器在未建模下的懸停，建立了三位速度感知系統(tǒng)，可感知并抑制風(fēng)的擾動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，飛行器無擾動(dòng)懸停時(shí)控制高度均方根為2.53 cm，有擾動(dòng)前飛時(shí)可控制高度飛行，其均方根誤差為2.78 cm［68］。

PAV 微型撲翼飛行器通常只擁有兩個(gè)壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)源，為了實(shí)現(xiàn)微型撲翼飛行器的自由飛行控制，提出了專門的力矩控制方案。普通飛行器的飛行控制需要滿足升力、翻滾力矩、俯仰力矩以及偏航力矩四個(gè)參數(shù)的控制。對于微飛行器而言，通過控制左右兩驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)幅度可以調(diào)整飛行器的翻滾力矩；而改變翅膀的拍打同步偏移可以調(diào)整飛行器的俯仰力矩；偏航力矩的產(chǎn)生需要依靠上下沖程保持不同扇動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)控制，這種控制方法通常被稱為微飛行器的劈裂控制，將完整的正弦拍打運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)不同頻率的半周期翅膀拍打運(yùn)動(dòng)。最終微型飛行器將通過四個(gè)參數(shù)的調(diào)整，完成飛行姿態(tài)的控制任務(wù)。

MAV 尺度的飛行器可以產(chǎn)生足夠的升力來攜帶商業(yè)上可用的電源和電子組件，使它們能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行。美國航空環(huán)境公司的納米蜂鳥是第一種可以使用機(jī)載控制系統(tǒng)［8］進(jìn)行控制飛行的無尾飛行器。定制設(shè)計(jì)的主控板包含一個(gè)單MCU，一個(gè)三軸MEMS 陀螺儀，一個(gè)接收器，電源調(diào)節(jié)器和驅(qū)動(dòng)器電路，質(zhì)量只有0.65 g。韓國建國大學(xué)開發(fā)的KUBeetle 使用非集成形式的傳感器組件，可在飛行中保持懸停，這些組件包括一個(gè)微控制器和一個(gè)ATmega328P 微處理器，一個(gè)三軸MEMS陀螺儀，2.4 GHz Deltang 公司生產(chǎn)的DT-Rx35 接收器。他們使用三個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)分別控制飛行器翻滾、俯仰和偏航。通過控制舵機(jī)擺角改變飛行器的尾緣，調(diào)節(jié)撲翼翼根使左右翅膀的攻角發(fā)生變化，從而產(chǎn)生控制力矩。

3.3 功耗效率優(yōu)化

撲翼時(shí)，翅膀在拍打開始時(shí)加速，在拍打結(jié)束時(shí)減速。慣性力是保守力，因此在撲翼過程中不存在克服慣性力的凈能量轉(zhuǎn)移。然而，由于在高頻撲翼過程中系統(tǒng)缺乏能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，系統(tǒng)中高速波動(dòng)的力可能會增加飛行能耗［72］。昆蟲可以通過在飛行肌肉［73］、胸部和翅膀鉸鏈［74］中儲存彈性能量，并形成一個(gè)共振系統(tǒng)來抵消循環(huán)中較小的力，從而克服這個(gè)問題。在撲動(dòng)機(jī)構(gòu)中，增加彈簧以利用彈性儲能是能量轉(zhuǎn)換最簡單、最常用的方法之一。Lau 等在2014 年制作了電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并在撲翼機(jī)構(gòu)中加入了彈簧，建立了靜態(tài)理論模型，設(shè)置了電機(jī)的功率和升力實(shí)驗(yàn)對理論進(jìn)行了驗(yàn)證［75］。Baek 等［76］進(jìn)行了電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊撲翼機(jī)構(gòu)柔性系統(tǒng)的無量綱分析，分析了電機(jī)特性、曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和氣動(dòng)載荷對電機(jī)轉(zhuǎn)速和直流電機(jī)的輸入輸出功率的影響。Madangopal 等［77］通過仿真表明，在帶有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中加入彈簧，可使電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化減小56.32%，最大轉(zhuǎn)矩減少12%。Tantanawat 等［78］通過數(shù)值研究表明，在四桿撲動(dòng)機(jī)構(gòu)中增加彈簧可使峰值輸入功率降低42%。

撲翼過程中存在撲翼機(jī)構(gòu)和翅膀的慣性功耗以及摩擦和電機(jī)內(nèi)阻引起的發(fā)熱功耗，可利用理論模型和實(shí)機(jī)測試的辦法計(jì)算各部分功耗，進(jìn)而采取合適的優(yōu)化方法提高撲翼動(dòng)作的效率，增加飛行器飛行時(shí)間。Yang 等［79］和Jeon 等［80］指出，摩擦損失可以成為估計(jì)撲動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的主要因素。研究還表明，摩擦損失在輸入功率中占相當(dāng)大的比例，這可能與在小型拍打機(jī)構(gòu)中超過慣性負(fù)荷所需的功率成正比［75，81］。Campolo 等于2014 年設(shè)計(jì)了雙電機(jī)直驅(qū)撲翼機(jī)構(gòu)，利用電機(jī)的電阻和機(jī)械損耗、轉(zhuǎn)子的慣性負(fù)載以及氣動(dòng)載荷建立了二階阻尼模型［82］。Khan 等［81］推導(dǎo)了由曲柄驅(qū)動(dòng)的四桿連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用葉素法理論對機(jī)翼慣性和氣動(dòng)載荷建模，研究了機(jī)翼剛度和慣量對平均撲動(dòng)頻率、升力和氣動(dòng)功率的影響。Park 等［83］對摩擦力建模，可以預(yù)測不同運(yùn)行條件下的系統(tǒng)損耗和功率需求。同時(shí)在機(jī)翼鉸鏈上增加彈簧，證明了彈性元件的加入可以通過減小系統(tǒng)的內(nèi)力來減少系統(tǒng)的摩擦損失。

3.4 續(xù)航能力

續(xù)航能力是撲翼機(jī)器人的重要性能指標(biāo)。優(yōu)化機(jī)翼設(shè)計(jì)性使阻力最小化，可提高撲翼效率和飛行時(shí)長［84］。可以通過優(yōu)化撲翼機(jī)構(gòu)、針對電機(jī)性能設(shè)計(jì)升力功率比最佳的翅膀、根據(jù)翅膀升力選擇容量質(zhì)量比最佳的電池、減小摩擦損耗來實(shí)現(xiàn)飛行的可持續(xù)性。

很多研究機(jī)構(gòu)也在提高續(xù)航能力上進(jìn)行了研究。韓國建國大學(xué)通過減小飛行器質(zhì)量、剪裁翅膀尺寸以減小空氣阻力，制作的KUBeetle-S 的大小與自然界中的蜂鳥相似，可以在空中盤旋約8.8 min［23］；德克薩斯A&M 大學(xué)開發(fā)的62 g 機(jī)器人蜂鳥，比納米蜂鳥重三倍多，由于電機(jī)過熱，飛行持續(xù)時(shí)間不到1 min［15］；同樣由于電機(jī)過熱，Colibri 只能滯空幾十秒［67］。四翅飛行器的續(xù)航性能普遍優(yōu)于兩翅飛行器，有四個(gè)串聯(lián)機(jī)翼的TechJet 蜻蜓可以持續(xù)飛行大約8～10min；Delfly Nimble 采用X 翼布局，顯示出優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性［9］，它可以懸停5 min，向前、向后和側(cè)向飛行，并像果蠅一樣進(jìn)行傾斜轉(zhuǎn)彎、360°翻轉(zhuǎn)和快速爬升；NUS-Robotic-bird 四翅飛行器使用X翼配置可以在機(jī)載視覺系統(tǒng)［12］的情況下待機(jī)3.5 min，并根據(jù)需要快速向任何方向飛行。代爾夫特大學(xué)八翅飛行器帶有四對撲翼?？梢栽谑覂?nèi)和室外環(huán)境下進(jìn)行飛行［14］，具有約9 min的高飛行續(xù)航能力。

4 結(jié)束語

近年來，隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)、能源技術(shù)的發(fā)展，可懸停撲翼飛行器的載荷能力、續(xù)航能力有了長足的提升，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下取得了很大進(jìn)展。本文針對可懸停撲翼飛行器的不同尺度，分別從MAV、NAV、PAV 尺度下介紹了可懸停撲翼飛行器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對懸停撲翼飛行器升力產(chǎn)生原理、飛行穩(wěn)定性分析、功耗效率優(yōu)化和續(xù)航能力等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。

目前的研究表明：PAV 尺度下可懸停撲翼飛行器的自由飛行仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。而MAV、NAV 尺度下的可懸停撲翼飛行器仍然需要在飛行續(xù)航能力上有所改進(jìn)，以顯示它們相對于類似尺寸的傳統(tǒng)旋翼飛機(jī)的優(yōu)越性。目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MAV 尺度下的懸停撲翼飛行器在敏捷飛行能力方面取得了巨大成就，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。因此，從事FWAVs 研究的人員可能需要更多地關(guān)注具體的研究，如推力增強(qiáng)、效率、陣風(fēng)/側(cè)翼響應(yīng)、降噪和避開障礙物的敏捷機(jī)動(dòng)性。研究增加其他運(yùn)動(dòng)模式，如跳躍、行走、游泳和爬行，通過完全模仿自然界昆蟲的策略可以激發(fā)撲翼飛行器的應(yīng)用潛力。相信隨著可懸停FWAVs 的發(fā)展，其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值會得到更多的體現(xiàn)。