魏辰昊

摘 要：扑翼微型飞行器仿照鸟类和昆虫的飞行方式，在低雷诺数条件下相比固定翼类和旋翼类飞行器具有更高的气动效率及机动性能。国内现有的扑翼机大多为仿鸟类型，重量及尺寸较大，机动性差。对比分析单曲柄连杆机构和双曲柄连杆机构运动的对称性，提出一种多飞行姿态的携尾式扑翼机驱动系统设计方案，可实现水平前飞、垂直起飞、俯仰、偏航、滚转及悬停等多种飞行姿态。设计方案结构完全對称，具有较高的集成度，有利于提高扑翼微型飞行器的稳定性及机动性。

关键词：扑翼；微型飞行器；连杆机构；多飞行姿态

中图分类号：V276 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0061-02

1 研究背景及意义

扑翼飞行器模拟自然界鸟类和昆虫的飞行方式，通过翼的往复拍动获得前进的动力。在雷诺数较低的低空环境及狭小空域内，扑翼飞行方式相比旋翼和固定翼具有较高的气动效率和机动性能。伴随着计算机科学、信息技术及MEMS加工工艺的发展，未来扑翼飞行器有望应用于多种场景，发挥信息收集、监视、侦查、探测等多种功能。

扑翼飞行器可分为携尾式和无尾式，其中携尾式扑翼机大多只能实现前飞，不能悬停，如南航的“金鹰”扑翼机[1]；无尾式扑翼机可实现垂直起降和定点悬停，典型的代表有美国DARPA的仿蜂鸟无人机[2]。携尾式扑翼机在前飞状态下采用类似固定翼飞行器的飞行方式，依靠较低的拍动频率就可获得前飞所需的动力及克服自身重量的升力，且尾舵产生的控制力矩较大，可轻松改变航向。与携尾式扑翼机相比，无尾式扑翼机可实现垂直起降和悬停飞行，但要产生克服自身重量的升力所需的拍动频率较高，对驱动机构的结构强度要求高。目前，国内公开发表的资料尚未见可实现稳定悬停的扑翼机。提出一种携尾式的扑翼飞行器驱动机构设计方案，兼具无尾式布局的悬停飞行能力，可实现多种飞行姿态，为发展更先进的仿生扑翼飞行器提供设计参考。

2 驱动机构结构选型

现有扑翼的驱动机构设计，大多数采用连杆机构形式，一方面，3D打印技术的成熟使得各种复杂结构零部件的加工制作变得简单，另一方面，连杆机构结构简单，较容易获得较高的运动精度，也容易实现复杂的运动规律和轨迹设计。

曲柄连杆机构是实现往复拍动运动常用的连杆机构，分为单曲柄连杆和双曲柄连杆，运动原理简图分别如图1（a）和（b）所示。单曲柄连杆结构相较双曲柄连杆简单，尺寸重量都要小一些。采用Adams进行运动仿真，分析拍动幅度同为120°的单曲柄连杆和双曲柄连杆机构的左右拍动杆角速度变化规律，如图1（c）和（d）所示分别为单曲柄连杆机构和双曲柄连杆机构在三个运动周期内左右翼拍动杆角速度随时间的变化曲线。可见，双曲柄连杆机构的左右翼角速度曲线完全重合，运动是左右对称的，而单曲柄连杆机构的左右翼拍动运动存在较大的相位差，这不利于扑翼产生稳定、对称的气动力，同时会加剧驱动机构的振动，产生不利于飞控系统设计的振动信号，也会降低机械系统的使用寿命。因此，选取双曲柄连杆结构形式设计扑翼机的驱动机构。

3 携尾式扑翼机控制机构设计

3.1 控制机构选型

携尾式与无尾式布局的控制方式不一样，前者依靠偏转垂直尾翼获得控制力拒改变飞行方向[3]，后者则通过改变左右扑翼升力的方向和大小而获得控制力矩。而无尾式扑翼机的控制机构实现方式又可以分为，一种是利用舵机改变扑翼拍动杆的安装位置而调整左右翼的平均拍动位置和拍动幅值，从而获得机动飞行所需力矩，这种设计更符合自然界的鸟类和昆虫的姿态控制形式[4]；另一种是利用舵机改变扑翼根部碳杆的扭转角，从而改变左右翼产生升力的方向和大小而获得控制力拒[5]。多飞行姿态携尾式扑翼机可实现水平方向和竖直方向的多种机动飞行，设计可改变航向的尾舵，同时兼具改变扑翼拍动杆安装位置的控制机构，可实现竖直方向的悬停、俯仰、偏航及滚转等多种飞行姿态，飞行姿态描述所用各坐标轴名称如图2所示。

3.2 携尾式扑翼机总体构型

多飞行姿态携尾式扑翼机总体构型如图3所示，各部件名称已在三维构型上标注。采用双曲柄连杆机构的双电机驱动方式，两组减速比为16的减速齿轮组对称地安装在机身支撑平面上。机身与水平安定面和垂直安定面为一体设计，垂直安定面上设计可偏转的尾舵，通过拉丝与扑翼拍动杆下方的舵机相连。扑翼拍动杆安装在机身平面的滑槽上，其安装位置点（分为滑槽上部、中部和下部）可通过操纵舵机进行调整。

3.3 多姿态机动飞行实现过程

3.3.1 水平飞行

当扑翼上下拍动时，扑翼机可实现水平面向前飞行。此时，改变航向有两种方式，一种是调节左右扑翼驱动电机的转速，可提供水平转弯所需的气动力矩；另一种模式是偏转尾舵获得偏航力矩实现水平转弯，如图4（a）所示。

3.3.2 垂直起降与定点悬停

当扑翼前后拍动，可产生竖直方向的升力，实现垂直起降。此时，左右扑翼的驱动电机转速一样，左右升力大小相同，气动中心与扑翼机重心重合，当升力等于重力时，可实现定点悬停。

3.3.3 滚转机动

扑翼前后拍动，当左右两侧电机转速不一致，产生升力差，扑翼机获得绕滚转轴的滚转力矩，实现滚转机动，如图4（b）所示。

3.3.4 俯仰机动

扑翼前后拍动，当舵机摇臂调节左右拍动杆安装位置同时置于滑槽上部或下部，左右两侧电机转速一致，此时两侧扑翼拍动角平分线同时偏离水平线向上或者向下，产生绕飞行器俯仰轴的俯仰力矩，实现俯仰机动，如图4（c）所示。

3.3.5 竖直偏航机动

扑翼前后拍动，当舵机摇臂调节左右拍动杆安装位置分别置于滑槽上部和下部，左右两侧电机转速一致，此时两侧扑翼拍动角平分线分别偏离水平线向下和向上，产生绕飞行器航向轴的偏转力矩，实现偏航机动飞行，如图4（d）所示。

4 結果与展望

基于双曲柄连杆机构，提出了一种可实现多飞行姿态的携尾式扑翼机设计方案。该扑翼机集驱动机构及控制机构于一体，具有更小的结构尺寸和更高的机动性能。具有以下创新点：（1）采用双曲柄连杆结构，结构完全对称，扑翼拍动运动具有更高的稳定性；（2）集驱动及控制机构一体化设计，具有更高的集成度和机动性能；（3）兼具携尾式和无尾式布局扑翼机的优点，可实现水平和竖直方向的多种飞行姿态。

扑翼微型飞行器研制的难点在于高性能仿生翼制作、稳定性控制、微电子技术、微型集成化加工方法等。未来应深入开展学科融合建设，将仿生机理与先进的微电子信息技术、新材料、新工艺等有机结合，加快推进微型飞行器的实际应用。

参考文献

[1]段文博，昂海松，肖天航.可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究[J].实验流体力学，2013，27（03）：35-40.

[2]M.Keennon，K.Klingebiel，H. Won， A. Andriukov， Development of the nano hummingbird： a tailless flapping wing micro air vehicle，50th AIAA Aerosp.Sci.MTG，Nashville，January，2012.

[3]Decroon G C H E， Perin M， Remes B D W， et al. The delfly： Design， aerodynamics， and artificial intelligence of a flapping wing robot[C]// Springer Publishing Company， Incorporated，2015.

[4]M.Karasek，A.Hua，Y.Nan，M.Lalami，and A.Preumont，Pitch and roll control mechanism for a hovering flapping wing MAV，Int.J.Micro Air Veh.6（4）（2014）：118-125.

[5]Hoang Vu Phan， Taesam Kang and Hoon Cheol Park.Design and stable flight of a 21 g insect-like tailless flapping wing micro air vehicle with angular rates feedback control，Bioinspiration & Biomimetics.12（3）（2017）.