一種超低空飛行的仿生撲翼飛行器的設計及分析

葉錦濤，劉鳳麗，郝永平，劉雙杰，郭夢輝，馮卓航

（1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110159；2.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110159；3.內蒙古北方重工業集團有限公司南京研發中心，江蘇南京211100；4.西安交通大學數學與統計學院，陜西西安710049）

在自然界，撲翼飛行的鳥類和昆蟲具有優越的飛行性能［1-3］。目前，人類研發的飛行器主要有固定翼、旋翼和撲翼三大類。相較于固定翼和旋翼飛行器，撲翼飛行器具有機動能力強、在低雷諾數下機械效率高、隱蔽性強等特點。在穿梭往返于狹窄地帶進行空中偵察時，撲翼飛行器的優勢尤為突出［4-7］。

撲翼飛行器的研究受到廣泛關注。很多研究機構通過多種方法改善了撲翼飛行器的驅動方式和飛行效率［8-13］。在撲翼飛行器的設計方面也有不少研究成果。美國Aero Vironment公司研制了仿蜂鳥機器人Nano Hummingbird［14］，其總質量為19 g，翼展為16.5 cm，撲翼頻率為30 Hz；采用電機加繩傳動的驅動方式，翅膀的扭轉動作由繩傳動和限位裝置的控制實現，首次實現了仿生撲翼飛行器的懸飛和六自由度可控飛行；但其尺寸太小，空中載重飛行能力較弱。德國Festo 公司研制了一款仿生蝙蝠Bionic Flying Fox［15］，其總質量達580 g，翼展為228 cm，體長為87 cm；翅膀由一種極薄而強韌的薄膜制成，該薄膜由1層彈性纖維和2層密封膜構成；其特點是在飛行時能夠通過骨架的運動來控制翅膀變形，從而獲得較強的飛行能力；但該飛行器尺寸較大，在空中飛行時易被地面人員察覺，應用范圍受限。美國特拉華大學于2004年研制了名為“Sparrow”的微型撲翼飛行器［16］，其早期為木質結構，總質量為50 g，翼展為50 cm，后改進為碳纖維復合結構，總質量為15 g，翼展為36 cm；之后又研制了“MPH”系列撲翼飛行器，采用微凸輪結構，實現了飛行器的弦向扭轉。劉晶等設計了一款總質量為23.8 g，翼展為18 cm，撲翼頻率為22 Hz，撲動幅值為180°的可垂直起飛的仿昆蟲微型撲翼飛行器［17］，但該飛行器產生的升力僅大于自身質量2 g，且由外部電源供電，難以在實驗室外完成載重飛行任務。曹金秋等提出了一種采用6個轉動副、具有2個自由度的空間撲翼機構［18］，但未進行飛行器整體結構的設計及樣機制作，結構設計的合理性沒有得到試驗驗證。

在空中偵察等需求背景下，需要既具備一定的負載能力，又具有高隱蔽性的飛行器。目前，小尺寸飛行器常常難以完成戶外載重飛行任務，而載重型飛行器的尺寸一般都比較大，在超低空飛行時易被地面人員察覺。因此，筆者在總結前人研究經驗的基礎上，設計并制作了一款基于平面傳動機構的小型撲翼飛行器并進行了飛行試驗，以實現飛行器的超低空飛行，并具有空間隱蔽性。超低空一般指距地面的飛行高度在300 m以內［19］。

1 撲翼飛行器的總體設計要求

所設計的撲翼飛行器將應用于超低空偵察等。因此，飛行器須具有較強的仿生性，能夠模擬中小型鳥類的撲翼動作，具備加減速、轉向、抬升、俯沖等空中運動能力，以承擔跟蹤地面移動目標的任務，并能完成在一定區域內的偵察及搜尋工作。要求飛行器的飛行高度可控，飛行速度不宜過慢，在超低空執行偵察等任務時不易被地面人員察覺。

以中小型鳥類為參照進行撲翼飛行器總體尺寸的設計。撲翼飛行器的模型如圖1所示。

圖1 撲翼飛行器模型Fig.1 Model of flapping wing aircraft

平面傳動式撲翼飛行器多采用單曲柄滑塊機構。但是之前的許多構型要么造成了機翼在撲動時的不對稱性，要么因添加齒輪而增加了傳動部分的重量。本設計基于曲柄滑塊機構，對由聯動桿貫穿的翅根進行開槽設計，使得聯動桿可以在翅根的槽內滑行，帶動翅膀撲動。此舉既保證了撲翼的對稱性，又降低了結構的復雜性。

平面機構自由度F的計算公式為：

式中：n為活動構件的個數；Pl為低副數；Ph為高副數。

所設計的撲翼飛行器為四桿機構，有3個活動構件，3個旋轉副和1個移動副均為低副。根據式（1）可得其自由度為：

撲翼飛行器的轉向和俯仰姿態由尾翼調節，因此撲翼只有1個自由度，其動力源數也為1。可見撲翼的自由度數量與動力源數相等，機構運動可以確定。

要求設計的撲翼飛行器與常見的中小型鳥類具有一定的相似性，在空中執行偵察等任務時難以被地面人員察覺。飛行器以空心杯電機作為驅動源，采用二級減速齒輪增大轉矩，由傳動機構帶動撲翼實現往復撲動功能。通過撲翼運動使飛行器產生升力，利用遙控發射與接收裝置對電機轉速等飛行參數進行控制。其外形如圖2所示。

圖2 撲翼飛行器外形Fig.2 Appearance of flapping wing aircraft

其設計要求如下：

1）飛行器總體尺寸與中小型鳥類相當，翼展不超過50 cm；撲動穩定，左右翅膀對稱分布。

2）撲翼頻率能夠變化，最大撲翼頻率為15 Hz，即最小撲翼周期約為0.067 s。

3）撲動幅度盡可能大，撲動幅值θ≥45°。

4）尾翼能夠被操控，以完成飛行器的空中轉向動作。

2 撲翼飛行器撲動機構的設計

撲翼飛行器的傳動機構為平面式結構。依據上述設計要求，以曲柄滑塊機構為機構核心，設計了一種平面式撲動機構。平面單自由度撲動機構可以通過曲柄滑塊機構將驅動馬達的轉動轉化為翼的撲動，利用柔性翼梁和翼肋的氣動彈性形變實現翼的二維運動［20］。

撲翼飛行器的傳動機構如圖3所示。其中：x方向為水平方向，y方向為垂直方向；O1為輸出齒輪與機架的鉸接點，O2為翅膀前緣與機架的鉸接點；曲柄O1A為原動件，當O1A轉動時，滑塊B沿y方向作上下往復運動，帶動翅膀前緣BO2在xy平面沿O2來回轉動，從而帶動機翼上下撲動。

圖3 撲翼飛行器傳動機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism of flap‐ping wing aircraft

滑塊運動如圖4所示。其中：B1、B2分別為滑塊質心的上止點和下止點；L1、L2分別為左、右翅根與機架的鉸接點到滑塊質心的距離；L為滑塊行程；d為左翅根與機架的鉸接點到右翅根與機架的鉸接點的距離，其值與機架形狀相關，結合飛行器的尺寸大小，取d=30 mm；通過對中小型鳥類飛行的研究，設定撲翼飛行器的撲動幅值為65°，其中向上撲動角α=40°，向下撲動角β=25°。

圖4 滑塊運動示意圖Fig.4 Schematic diagram of slide block motion

由圖4可知：

將d=30 mm，α=40°，β=25°代入式（3）和式（4），可得：

根據L的數值，可以進行飛行器機架正面滑槽長度的設計；根據L1、L2的數值，可以進行左翅根和右翅根的結構設計。設計的曲柄滑塊機構如圖5所示。其中：S為滑塊在任意時刻水平方向的位移；S1為曲柄長度；S2為連桿長度。

圖5 曲柄滑塊機構Fig.5 Crank slider mechanism

由曲柄滑塊機構的幾何關系可知：

結合實際加工條件，設置撲翼飛行器的設計參數如下：翼展，41.2 cm；撲翼頻率，15 Hz；撲動幅值，65°；滑塊行程，19.6 mm；曲柄長度，9.8 mm；左、右翅根與機架鉸接點的間距，30 mm。

3 撲翼飛行器虛擬樣機的設計及仿真分析

選用三維設計軟件Creo進行撲翼飛行器整機結構設計。撲翼飛行器由機架、驅動機構、撲動機構、左右機翼和尾翼構成。驅動機構由空心杯電機、小齒輪、雙聯齒輪和末級齒輪構成；撲動機構由曲柄、聯動桿和左右翅膀前緣構成。在Creo軟件中對撲翼飛行器進行建模，定義電機、齒輪副等的類型，設定相應的運動參數，進行撲翼運動仿真；對飛行器翼面末端的端點進行標記，繪制撲翼飛行器翼面末端的運動軌跡；用測量模塊進行角度測量。

撲翼飛行器在不同時刻的運動姿態及翼尖軌跡如圖6所示。

圖6 撲翼飛行器在不同時刻的運動姿態及翼尖軌跡Fig.6 Motion attitude and wing tip trajectory of flap‐ping wing aircraft at different times

撲翼飛行器的撲動幅值為64.270 5°，如圖7所示，可見與設計值65°基本一致，表明構建的三維模型符合設計要求。

圖7 撲翼飛行器撲動幅值Fig.7 Flapping amplitude of flapping wing aircraft

為了對撲翼飛行器在運動過程中的角度、角速度、力矩等參數進行分析，將Creo軟件所繪制的撲翼飛行器三維模型導入ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system，機械系統動力學自動分析）軟件。撲翼飛行器動力學分析模型如圖8所示。

圖8 撲翼飛行器動力學分析模型Fig.8 Dynamics analysis model of flapping wing aircraft

對撲翼飛行器各部件的材料進行定義，對各部件之間的連接方式進行設置。確定了各運動副類型及驅動方式后，進行動力學仿真分析。

撲翼飛行器撲動幅度和角速度的仿真結果如圖9（a）和圖9（b）所示。由圖9（a）可知，撲翼飛行器的撲動幅值約為65°，與模型設計值一致。由圖9（b）可知，當撲翼飛行器的翼尖部位處于最高點或最低點時，其角速度為0 rad/s；當翼面處于水平位置時，其角速度達到最大。

圖9 撲翼飛行器撲動幅度和角速度的仿真結果Fig.9 Simulation results of flapping amplitude and an‐gular velocity of flapping wing aircraft

撲翼飛行器旋轉關節處平衡力矩的仿真結果如圖10所示。由圖可知，在下撲階段，連桿與滑塊接觸處x方向的平衡力矩比y方向的大許多。比較2個連接處的平衡力矩可知，連桿與滑塊接觸處的平衡力矩大于翅根與機架鉸接點處的平衡力矩，因而在結構設計時，應關注連桿與

圖10 撲翼飛行器旋轉關節處平衡力矩的仿真結果Fig.10 Simulation result of balance torque at the rotat‐ing joint of flapping wing aircraft

滑塊接觸處材料的強度，選用強度較大的鋼材料作為滑塊材料。

4 撲翼飛行器的制作和飛行試驗

根據設計參數制作撲翼飛行器樣機，并進行室內和戶外飛行試驗。撲翼飛行器的主要材料為碳纖維，機翼選用滌綸布，動力裝置采用空心杯電機。依照在Creo軟件中建立的三維模型進行制作。

為了使飛行器在空中完成指定方向的飛行，具備轉向能力，在飛行器尾翼設計中采用“⊥”形尾翼。尾翼與一級舵機連接，一級舵機控制尾翼的左右運動，同時一級舵機與二級舵機相連，二級舵機控制一級舵機和尾翼的上下運動，二級舵機則同時與機架相連。對撲翼飛行器各部件進行組裝并進一步固定。撲翼飛行器實物如圖11所示。

圖11 撲翼飛行器實物Fig.11 Material object of flapping wing aircraft

首先進行撲翼飛行器室內飛行試驗。采用遙控裝置控制電機轉動，電機轉子輸出的扭矩經齒輪副作用在曲柄齒輪上帶動搖桿運動，搖桿拉動滑塊在機架內作往復直線運動；滑塊分別穿過左、右翅根，翅根轉動，并帶動兩側機翼作往復撲翼運動；待飛行器飛到一定高度時，調整尾翼使飛行器的攻角保持恒定，調節電機轉速以控制飛行器的飛行速度；當飛行前方出現欄桿時，控制尾翼轉動，使飛行器接收到指令后向右方轉向，避開前方的障礙物。撲翼飛行器室內飛行試驗如圖12所示。

圖12 撲翼飛行器室內飛行試驗Fig.12 Indoor flight test of flapping wing aircraft

撲翼飛行器室內飛行試驗完成后，進行戶外飛行試驗?？刂莆惨硐蜃笏綌[動，使飛行器向左轉向；控制尾翼向右水平擺動，使飛行器向右轉向；飛行器在空中飛行一段時間后，控制飛行器往教學樓飛行，最終抵達目標地點——教學樓窗戶，此時飛行器的飛行高度為13～15 m。撲翼飛行器戶外飛行試驗如圖13所示。

圖13 撲翼飛行器戶外飛行試驗Fig.13 Outdoor flight test of flapping wing aircraft

飛行試驗表明，撲翼飛行器可以進行較長時間的室內和戶外飛行，飛行時長達3～5 min，且具有加減速、轉向、抬升、俯沖、避障等能力，可以實現超低空飛行。所設計的撲翼飛行器仿生性能較好，飛行時聲音較??；其外形和飛行動作較接近鳥類，當飛抵一定高度時，隱蔽性大幅增強，難以被地面人員察覺。

5 結論

設計了一種仿生撲翼飛行器。通過對鳥類飛行的研究，結合設計要求，確定了撲翼飛行器的設計參數；通過Creo軟件構建了飛行器模型，并在此基礎上采用ADAMS軟件進行動力學分析；制作了撲翼飛行器樣機，并進行室內和戶外飛行試驗，試驗結果驗證了該撲翼飛行器的實用性。

采用平面式曲柄滑塊機構作為撲翼飛行器傳動機構，有助于減小飛行器的體積，同時保證了撲動的對稱性和穩定性；設計了一種采用雙級傳動的尾翼，可實現轉向和俯仰多自由度飛行姿態的調節。撲翼飛行器結構簡單，沒有冗余構件，具有良好的仿生性能和飛行能力，可以進行超低空飛行，應用前景較廣。