张轶凡

摘 要：微型飞行器凭借其体积小、重量轻的优势，在多种环境下都具有广阔的应用前景。国内的扑翼飞行器大多是仿鸟类型，一方面尺寸较大，未实现真正意义上的微型化；另一方面飞行方式单一，只能前飞不能悬停。设计一款仿昆蟲扑翼微型飞行器，模仿昆虫翅翼形状及其拍动形式，提出高集成度的驱动机构设计方案，并通过原理样机组装调试及试飞测试表明设计方案可实现悬停飞行。研究成果和实验方法将为设计更先进的仿生扑翼微型飞行器提供有价值的参考。

关键词：仿生；扑翼；微型飞行器；实验

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0093-02

1 研究背景及意义

扑翼飞行器将升力产生、姿态控制集成于一对翼上，其在低雷诺数条件下的气动效率和机动性能是固定翼和旋翼类飞行器无法相比的，未来可广泛应用于民用和国防领域。美国航宇环境公司2012年研发的Nano Hummingbird仿蜂鸟扑翼无人机代表着目前的最高技术水平[1]，该机可携带摄像头实现室内自主避障飞行。近日，荷兰代尔夫特理工大学团队也在期刊Nature上发布了仿果蝇扑翼飞行器方案[2]，可在空中俯冲和打滚，航程1km。

我国扑翼飞行器研究起步相较欧美国家较晚，北航、南航、西工大等高校都有仿鸟类扑翼飞行器设计方案，但尺寸、重量较大，且不能实现悬停和高机动飞行。模仿昆虫翅翼拍动形式设计一款高稳定性、高集成度的可悬停的扑翼微型飞行器，对设计更先进的仿生扑翼微型飞行器有重要意义。

2 总体方案设计

设计一款可悬停的仿昆虫扑翼微型飞行器，其包含升力系统、传动系统、动力系统、控制系统及功能模块等部分，总体布局方案如图1所示。考虑各系统的重量占比及尺寸，制定总体方案主要设计参数如表1所示。

3 各子系统设计

3.1 升力系统

升力系统即扑翼飞行器的一对仿生翼。参考新加坡国立大学Tien Van Truong等人的设计方案[3]，采用“碳纤维翅脉+薄膜”的方案设计仿生扑翼，结构示意如图2（a）所示。为获得气动效率较高的扑翼制作方案，对比分析展弦比（主梁长度：根部碳杆长度）分别为2.5、3和3.5的扑翼升力特性，根部碳杆取2.5cm，拍动幅值为120°，获得的升力-功率曲线如图2（b）所示。从对比结果看，展弦比为3的仿生翼升力水平较高，并且所产生的升力足以克服自身重力实现空中悬停，所以升力系统的设计方案选定为一对展弦比为3的仿生扑翼。

3.2 传动系统

传动系统即扑翼的驱动装置，主要功能是实现扑翼按一定频率和拍动幅度往复拍动。扑翼拍动幅度设计为120°，采用双曲柄摇杆结构形式设计仿生扑翼飞行器的传动系统，设计原理图及建立的三维模型如图3（a）所示。

3.3 动力系统

动力系统采用微型锂电池及空心杯电机的组合。根据扑翼飞行器的最大起飞重量及动力要求，采用型号8520，额定电压为7.4V的空心杯电机驱动传动机构。同时，根据有效载荷的要求及扑翼能产生的最大升力，选择额定电压7.4V，电容量80mah的微型锂电池，动力系统的总重量10g。

3.4 控制系统

设计一种控制机构，使仿生扑翼微型飞行器可实现俯仰、偏航、滚转等机动飞行动作，如图3（b）。设计方案采用两个空心杯电机，分别驱动左右扑翼拍动频率，同时利用两个舵机调节扑翼拍动杆的在滑槽的安装位置，以改变扑翼的气动中心位置。

4 样机组装及飞行测试

4.1 样机组装

传动机构的零部件均采用3D打印技术加工成型，使用的是ABS光敏树脂材料，如图4（a）所示。齿轮采用标准的工程塑料，各零部件之间采用铜质和铝质铆钉进行装配。原理样机如图4（b）所示。

4.2 飞行测试

飞行测试主要验证结构可靠性及升力水平。由于扑翼飞行器的振动较为剧烈，原理样机尚未设计飞控系统，故采用外接稳压电源调节电机的转速，同时，通过竖直紧绷的细绳对飞行器的运动方向进行约束，以验证其竖直方向的升力。飞行测试的结果如图4（c）所示，选取了录制视频的8个画面。飞行测试表明，该仿昆虫扑翼飞行器可产生足够大的升力克服自身重力垂直起飞并实现悬停飞行，且传动机构在试飞测试中未发生破坏。

5 结果与展望

5.1 结论

基于昆虫翅翼的飞行方式，提出了一种扑翼微型飞行器总体设计方案，给出了升力系统、传动系统、动力系统及控制系统的详细设计过程，并通过飞行测试表明原理样机可实现悬停飞行。

5.2 创新点

（1）传动系统只有硬币大小，集驱动机构及控制机构一体化，体现微型化的设计理念；（2）采用3D打印加工成型，成本低效率高；（3）相较仿鸟类扑翼机具有更高的机动性能，可实现悬停飞行，便于执行定点拍摄任务。

5.3 展望

目前，对昆虫飞行的高升力机理的认识已经较为成熟，下一阶段应着重关注这些机理和方法在MAV设计中运用的可行性，翼拍动运动的高效实现，飞行的动稳定性与控制技术等，为仿生扑翼微型飞行器研制做技术储备。同时，微型飞行器的高度集成设计依托于微电子技术、新材料、新工艺的发展，应加强学科间的交叉与融合。

参考文献

[1]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.

[2]M.Karasek，A.Hua，Y.Nan，M.Lalami，A tailless aerial robotic flapper reveals that flies use torque coupling in rapid banked turns， Nature Robotic，2018.

[3]Tien Van Truong，Quoc-Viet Nguyen and Heow Pueh Lee， Bio-Inspired Flexible FlappingWings with Elastic Deformation，Molecular Diversity Preservation International Aerospace，2017.