一種仿昆蟲撲翼微型飛行器

張軼凡

摘 要：微型飛行器憑借其體積小、重量輕的優勢，在多種環境下都具有廣闊的應用前景。國內的撲翼飛行器大多是仿鳥類型，一方面尺寸較大，未實現真正意義上的微型化；另一方面飛行方式單一，只能前飛不能懸停。設計一款仿昆蟲撲翼微型飛行器，模仿昆蟲翅翼形狀及其拍動形式，提出高集成度的驅動機構設計方案，并通過原理樣機組裝調試及試飛測試表明設計方案可實現懸停飛行。研究成果和實驗方法將為設計更先進的仿生撲翼微型飛行器提供有價值的參考。

關鍵詞：仿生；撲翼；微型飛行器；實驗

中圖分類號：V224 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0093-02

1 研究背景及意義

撲翼飛行器將升力產生、姿態控制集成于一對翼上，其在低雷諾數條件下的氣動效率和機動性能是固定翼和旋翼類飛行器無法相比的，未來可廣泛應用于民用和國防領域。美國航宇環境公司2012年研發的Nano Hummingbird仿蜂鳥撲翼無人機代表著目前的最高技術水平[1]，該機可攜帶攝像頭實現室內自主避障飛行。近日，荷蘭代爾夫特理工大學團隊也在期刊Nature上發布了仿果蠅撲翼飛行器方案[2]，可在空中俯沖和打滾，航程1km。

我國撲翼飛行器研究起步相較歐美國家較晚，北航、南航、西工大等高校都有仿鳥類撲翼飛行器設計方案，但尺寸、重量較大，且不能實現懸停和高機動飛行。模仿昆蟲翅翼拍動形式設計一款高穩定性、高集成度的可懸停的撲翼微型飛行器，對設計更先進的仿生撲翼微型飛行器有重要意義。

2 總體方案設計

設計一款可懸停的仿昆蟲撲翼微型飛行器，其包含升力系統、傳動系統、動力系統、控制系統及功能模塊等部分，總體布局方案如圖1所示。考慮各系統的重量占比及尺寸，制定總體方案主要設計參數如表1所示。

3 各子系統設計

3.1 升力系統

升力系統即撲翼飛行器的一對仿生翼。參考新加坡國立大學Tien Van Truong等人的設計方案[3]，采用“碳纖維翅脈+薄膜”的方案設計仿生撲翼，結構示意如圖2（a）所示。為獲得氣動效率較高的撲翼制作方案，對比分析展弦比（主梁長度：根部碳桿長度）分別為2.5、3和3.5的撲翼升力特性，根部碳桿取2.5cm，拍動幅值為120°，獲得的升力-功率曲線如圖2（b）所示。從對比結果看，展弦比為3的仿生翼升力水平較高，并且所產生的升力足以克服自身重力實現空中懸停，所以升力系統的設計方案選定為一對展弦比為3的仿生撲翼。

3.2 傳動系統

傳動系統即撲翼的驅動裝置，主要功能是實現撲翼按一定頻率和拍動幅度往復拍動。撲翼拍動幅度設計為120°，采用雙曲柄搖桿結構形式設計仿生撲翼飛行器的傳動系統，設計原理圖及建立的三維模型如圖3（a）所示。

3.3 動力系統

動力系統采用微型鋰電池及空心杯電機的組合。根據撲翼飛行器的最大起飛重量及動力要求，采用型號8520，額定電壓為7.4V的空心杯電機驅動傳動機構。同時，根據有效載荷的要求及撲翼能產生的最大升力，選擇額定電壓7.4V，電容量80mah的微型鋰電池，動力系統的總重量10g。

3.4 控制系統

設計一種控制機構，使仿生撲翼微型飛行器可實現俯仰、偏航、滾轉等機動飛行動作，如圖3（b）。設計方案采用兩個空心杯電機，分別驅動左右撲翼拍動頻率，同時利用兩個舵機調節撲翼拍動桿的在滑槽的安裝位置，以改變撲翼的氣動中心位置。

4 樣機組裝及飛行測試

4.1 樣機組裝

傳動機構的零部件均采用3D打印技術加工成型，使用的是ABS光敏樹脂材料，如圖4（a）所示。齒輪采用標準的工程塑料，各零部件之間采用銅質和鋁質鉚釘進行裝配。原理樣機如圖4（b）所示。

4.2 飛行測試

飛行測試主要驗證結構可靠性及升力水平。由于撲翼飛行器的振動較為劇烈，原理樣機尚未設計飛控系統，故采用外接穩壓電源調節電機的轉速，同時，通過豎直緊繃的細繩對飛行器的運動方向進行約束，以驗證其豎直方向的升力。飛行測試的結果如圖4（c）所示，選取了錄制視頻的8個畫面。飛行測試表明，該仿昆蟲撲翼飛行器可產生足夠大的升力克服自身重力垂直起飛并實現懸停飛行，且傳動機構在試飛測試中未發生破壞。

5 結果與展望

5.1 結論

基于昆蟲翅翼的飛行方式，提出了一種撲翼微型飛行器總體設計方案，給出了升力系統、傳動系統、動力系統及控制系統的詳細設計過程，并通過飛行測試表明原理樣機可實現懸停飛行。

5.2 創新點

（1）傳動系統只有硬幣大小，集驅動機構及控制機構一體化，體現微型化的設計理念；（2）采用3D打印加工成型，成本低效率高；（3）相較仿鳥類撲翼機具有更高的機動性能，可實現懸停飛行，便于執行定點拍攝任務。

5.3 展望

目前，對昆蟲飛行的高升力機理的認識已經較為成熟，下一階段應著重關注這些機理和方法在MAV設計中運用的可行性，翼拍動運動的高效實現，飛行的動穩定性與控制技術等，為仿生撲翼微型飛行器研制做技術儲備。同時，微型飛行器的高度集成設計依托于微電子技術、新材料、新工藝的發展，應加強學科間的交叉與融合。

參考文獻

[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.