微型仿生撲翼飛行器研究綜述

徐韋佳 ，姚 奎 ，宋阿羚 ，施 雯 ，侯 煜

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學 基礎部，江蘇 南京 211101；2.中國人民解放軍陸軍工程大學 教研保障中心，江蘇 南京 210001)

0 引言

近年來，隨著計算機技術、通信技術、微機電技術、人工智能等學科的發展，體積小、載重輕、速度慢的微型飛行器逐漸得到世界各國的青睞[1]。 1992年，美國蘭德公司研究機構首次提出“微型飛行器”(Micro Aerial Vehicle，MAV)的概念，該微型飛行器區別于傳統飛行器，外形小巧(翼展不超過150 mm、重 量 為 10 ～100 g)，在續航時間 (20 ～60 min)內 能 以巡航速度(30～60 km/h)實現足夠長的巡航距離(1 ～10 km)，有效載荷為 1～18 g，具備便于攜帶、操作簡單、機動靈活、安全性好的優點，適用于軍事場合[2]，已成為世界各國重點研究的熱門領域。

1 微型仿生撲翼飛行器的特點

微型仿生撲翼飛行器是一種基于仿生學原理、通過模仿鳥類和昆蟲飛行而設計制造的新型微型飛行器，具有尺寸小巧、質量輕、成本低廉、操作靈活等優點。 空氣動力學和仿生學的研究表明，對于尺寸與鳥類或者昆蟲相近的微型飛行器，撲翼式飛行比旋翼和固定翼飛行更具優勢[1]。

當前，微型仿生撲翼飛行器的設計方向不斷趨向于小巧、手提、隨身攜帶、超低空飛行，靈活完成偵察和搜索任務。微型撲翼飛行器要在各領域中大展身手，還需具備完善的飛行控制系統、導航能力、能隨外界環境變化而自行改變飛行高度和調整飛行姿態、自動躲避障礙物、穩定性優良、信號采集和圖像識別能力，這也是其未來發展方向。

2 研究背景

微型飛行器按其產生升力的原理主要分為三種類型：微型固定翼飛行器、微型旋翼飛行器和微型撲翼飛行器。當前，微型固定翼飛行器應用最廣，其翼保持固定，類似常規飛機，研制難度較小。旋翼微型飛行器不同于固定翼，其翼可以旋轉，特點是可以懸停，且起飛要求低。 隨著微型固定翼飛行器和微型旋翼飛行器的技術越來越成熟，其自身難以克服的缺點也逐漸暴露出來。 固定翼飛行器的尺寸較大、機動性差，對于起飛和降落要求較高，且不能實現懸停飛行。 旋翼飛行器雖然能夠實現懸停飛行，但是仍然存在尺寸較大、機動性能較差、飛行效率低、耗能高等諸多缺陷[3]。

研究表明，微型撲翼飛行器作為一種仿生微型飛行器，具有較高的升力系數和靈活的機動性[2]，而且，由于微型撲翼飛行器不使用高速轉動螺旋槳，不會產生噪聲，因此隱蔽性更強，可以執行軍事等特殊任務[4]。 當代機械結構學、材料科學、通信技術、微機電系統、集成電路設計與制造、3D 打印技術等學科和技術的發展交融，為撲翼微型飛行器的設計與制造提供了基礎。

3 國內外研究現狀及成果

3.1 理論研究現狀

傳統空氣動力學主要分析定常空氣中飛行器升力的產生，并不能解釋生物通過撲翼運動產生升力并懸浮在空中的機理，因此，傳統的空氣動力學并不適用于撲翼飛行器。 1973 年，Weis-Fogh 基于昆蟲仿生學的相關理論，提出了定常氣流中產生高升力的 Clap and Fling 機制(也稱作 Weis-Fogh 機制)，為后期仿生飛行的理論研究提供了指導作用[5]。1993 年，Delaurier 對運動的翼建立空氣動力學模型并進行演算[6]。 1995 年，Vest 等人研究了鴿子撲翼運動時的非定常空氣動力學理論且進行了風洞試驗[7]。 1999 年 ，Weir Shyy等人研究了低雷諾數下的微型撲翼飛行器設計中的關鍵問題[1]。同年，Giesing對 Smith 定常機翼流動法進行推廣[8]。 北京航空航天大學的孫茂用N-S 方程解釋了昆蟲高升力產生機理。 南京航空航天大學的昂海松用非定常渦格法研究了撲翼氣動特性。 趙亞博研究了撲翼運動力學和智能材料[9]。

當前，國內外理論重點研究多是關于撲翼飛行流場分析方法的研究，逐步揭開撲翼飛行的運動機理，但是距離形成完整的非定常空氣動力學理論尚有一定距離。

3.2 試驗研究現狀

關于撲翼飛行的試驗研究，早期主要基于仿生學原理，對生物飛行過程進行測量與試驗。 美國加州大學伯克利分校進行了蒼蠅吊飛試驗，如圖1(a)所示。 研究人員將蒼蠅固定在探針上，通過配置光源誘導蒼蠅正常撲翼飛行，采用精密光學儀器測量、力學傳感器測量、高速攝像等方式，對蒼蠅撲翼運動過程進行測量，研究撲翼飛行的性能參數。 我國水稻研究所對 50 多種昆蟲進行吊飛試驗， 測量昆蟲翅膀、重量、結構等參數，證明昆蟲翅膀的大小、厚度、撲翼方式等飛行參數必須符合一定的運動學原理，才能實現有效飛行[10]。

當前，撲翼飛行試驗的研究主要包括流場顯示和氣動力測量。 由于昆蟲和鳥類的體積小，撲翼產生的流場尺度小、變化快、不易測量，因此多采用放大的撲翼模型來研究。 1996 年，英國劍橋大學的Ellington 等人研制了一種雷諾數與鷹蛾相同的扇形模型——扇板，用以研究撲翼飛行時翅膀周圍產生的漩渦，證明前緣渦不脫落是昆蟲撲翼產生高升力的原因之一[1]。 1999 年，美國加州大學的 Dickinson等人使用油罐中的機械翅進行試驗，如圖1(b)所示，證明了昆蟲撲翼產生高升力的機制[1，8]。 我國西北工業大學的白存儒等人進行了風洞試驗[1]。

圖1 撲翼飛行器的早期試驗研究

撲翼飛行器的試驗研究，從仿生學角度進一步分析了昆蟲撲翼產生高升力的原理，為后期樣機研制起到指導作用。

3.3 樣機研究現狀

1998 年起，美國加利福利亞理工學院著手研制一種微蝙蝠飛行器 Microbat，其翼展 15～20 cm，撲翼頻率 20 ～30 Hz，重量 12.5 g，是世界上第一架可以持續飛行的微型撲翼飛行器[11]，如圖2(a)所示。1998 年，英國劍橋大學與美國喬治亞理工學院合作研發了一種計劃用于火星探測的微型撲翼飛行器Entomopter，采用復式化學肌肉制成，可產生高頻撲翼運動[1]，如圖2(b)所示。 荷蘭代爾夫特大學研制的 Delfly 微型撲翼飛行器，具有 X 翼結構和 V 型尾翼，翼展 35 cm，質量 37 g，采用 3.17 V 鋰電池做動力，能以 11.8 m/s 的速度飛行 20 min[12]，如圖3(c)所示 。 2011 年，美 國 Aero Vironment 公 司耗資 400 多萬美元，研發成功“納米蜂鳥”，如圖2(d)所示，其翼展 16 cm，質量 19 g，能連續飛行 10～20 min，完成懸停、翻轉等動作，被《時代》雜志評為 50 大創新發明之一[1]。 “納米蜂鳥”在相當一段時間內，代表撲翼飛行器樣機研制的領先水平。

圖2 國際經典微型撲翼飛行器樣機成品

2002 年起，南京航空航天大學的昂海松等人設計了多款仿生機械鳥，如圖3(a)所示，其最新型號性能已達到美國Microbat 同等水平[13]。 西北工業大學的方宗德等人設計了一款具有自主巡航能力撲翼飛行器 ASN-211，如圖3(b)所示，其翼展600 mm，質量約 220 g，速度 6～10 m/s，高度 20～200 m，具備一定的抗風能力，內部搭載導航系統，攜帶微型攝像機，可用于偵察[13]。 此外，哈爾濱工業大學、上海交通大學、北京大學、廈門大學等國內高校也都紛紛開展對撲翼飛行器的研究。

綜上所述，我國雖然在撲翼飛行器的研究上取得了巨大進展，但是和發達國家相比，仍有較大差距。此外，由于撲翼運動并非簡單重復的機械揮動，撲翼動作所產生的氣流變化使得翼上每一處的受力情況都截然不同。 因此，撲翼過程是一個極為復雜的運動過程，要實現仿生飛行器的撲翼運動需要解決諸多關鍵技術問題。

圖3 我國自主研發的微型撲翼飛行器樣機成品

4 微型仿生撲翼式飛行器的關鍵技術問題

4.1 飛行機理

自然界的鳥類和昆蟲尺寸小巧、翅膀撲動頻率快，可以完成除起飛和落地基本動作以外的懸停、轉彎、俯沖、滑翔、躲閃等多種復雜動作。 如何提高撲翼飛行器的靈活性、穩定性、高效性和可操控性，仍是當前國內外研究的重難點[14]。 因此，開展對鳥類和昆蟲的翅膀尺寸、撲動規律、翅膀扭轉、飛行姿態等飛行機理的研究，對優化微型撲翼飛行器的設計具有重要意義。

4.2 低雷諾數下的空氣動力學問題

常規飛行器的飛行雷諾數約為 1×107，而撲翼飛行器的飛行時速一般只有每小時幾十千米，其飛行雷諾數只有 2×105左右。 當飛行器在低雷諾數環境中飛行時，其空氣動力學特征會出現變化，例如氣動粘性力和阻力突出、 機身附面層趨于層流特征、飛行姿態難以控制等，這些變化會嚴重影響撲翼飛行器的正常飛行[11]。 當前，低雷諾數飛行環境下的空氣動力學理論仍處在探索階段，尚未形成完整的空氣動力學理論。

4.3 超輕型機體和部件微型化

要實現微型飛行器機身的超輕化，需要在實現預期功能的基礎上，尋找性能優良的新型超輕材料。其次就是內部零部件的微型化問題。 微型撲翼飛行器的內部零部件組成復雜，包括電機、制動器、穩定陀螺儀、通信設備、導航模塊等，零部件微型化直接對微機電、集成電路設計、微電子制造工藝等行業技術提出更高的要求[15]。 顯然，當前的制造工藝尚未完全達到人們期望的水平，因此，加強對相關科學和技術的研究，是當務之急。

4.4 飛行動力和高效能源問題

微型撲翼飛行器由于體積小、載重量輕，能夠攜帶的能源少，其動力裝置需要在滿足體積小、質量輕的前提下，還需要給飛行器提供足夠的飛行動力，并且維持機載設備工作所需的電能。 當前研究較多的微動力裝置主要有微型馬達、微型內燃發動機、交變磁場驅動器、人造肌肉等，然而考慮到驅動效率，當前絕大多數撲翼飛行器都是微馬達驅動的，即電磁電機驅動。 微型馬達的尺寸也越來越小，例如上海交通大學直徑僅為1 mm 的電磁微馬達、德國IMM 公司直徑 2 mm 的電微馬達、美國加州大學直徑 120 μm 的靜電超微馬達。 鑒于未來撲翼式飛行器的研制目標是實現自主飛行，因此無線式微能源供給將是今后的發展重點。 另外，人造肌肉由于具有穩定性好、結構緊湊、動力好等優點，國內外已經開展著手相關研究。

4.5 通信和導航

飛行器在飛行過程中主要采用無線微波通信的方式與地面進行數據交換，但是微波通信由于穿透力不強，因此通信距離受限。 當前，研制適合的GPS接收機和地面匹配系統是當前主要的研究方向。 當飛行器超出無線通信的范圍時，就要依靠自主導航來控制飛行路徑，主要依靠全球定位系統(GPS)、慣性導航系統(INS)、地理信息系統(GIS)來實現，因此，導航的穩定性、可靠性以及定位精度等需要提高[15]。

5 應用前景

5.1 軍用方面

在復雜戰場環境中， 微型撲翼飛行器由于體積小、隱蔽性強，在某特定場合，例如超低空雷達盲區內，可以用來進行偵察和監視，提高作戰效率；還可以作為微型和偵察機的輔助手段，發現叢林、灌木中的隱蔽目標[16]；充當通信媒介，為作戰小分隊提供通信支持；攜帶多種傳感器，對戰場周邊環境、 生態及污染等因素進行取樣和考察；利用自身體積小、靈活性強的特點，可往返穿梭于微型狹窄地形，進行救援或者在室內對恐怖分子進行攻擊等。

5.2 民用方面

通過模仿鷹隼盤旋飛行路線，模仿其叫聲可用于機場周圍的驅鳥工作；充當電子警察的作用，對交通實施監控；在邊境防線上進行巡邏；在森林保護區對野生動植物進行勘測等。 此外還可以用于緝毒巡查、突發事故現場監測、航空攝影、輸電線路檢查、環境監測、氣象監測、森林防火監測、家居服務、表演展覽等。

6 結論

撲翼飛行作為人類最熟悉、也最復雜的一種飛行方式，具備質量輕、體積小、機動靈活、隱蔽性強等特點，必定會在未來信息化戰場上大展身手。 當前，以美國為首的發達國家，正在緊鑼密鼓地研制新一代高性能微型撲翼飛行器，并且已經正式投放軍用。 因此，隨著我國軍隊信息化建設已經進入新階段，以微型撲翼飛行器為代表的相關技術研究必定會在未來得到長足發展。