仿生撲翼飛行器發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

曹嘉睿

仿生撲翼飛行器，又稱(chēng)撲翼機(jī)，是模仿鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)等生物的飛行模式，通過(guò)撲動(dòng)翅膀產(chǎn)生升力和動(dòng)力的飛行器，集仿生學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、能源、通信、控制等多學(xué)科交叉技術(shù)于一身,有廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前的撲翼飛行器主要還停留在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，目前有幾個(gè)較為典型的研究成果：

1.1 蜂鳥(niǎo)飛行機(jī)器人

該飛行器由美國(guó)DARPA 計(jì)劃資助，是一款真正意義上的納米飛行器[2]，其研究起始于2005 年，并先后于2006 年、2011 年推出第一、二代產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品“Nano”外形上達(dá)到了翼展16cm，重量19g，裝備了具備全幀拍攝功能的微型攝像系統(tǒng)和高度靈活的機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能，可以在三個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)傾斜、滾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)以及靜止懸停飛行，飛行速度可以達(dá)到每小時(shí)11 英里。在機(jī)械實(shí)現(xiàn)上，該型號(hào)撲翼機(jī)使用四連桿和繩結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)拍動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合翅膀運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，無(wú)需尾翼參加。雖然該飛行器真正做到了像蜂鳥(niǎo)一樣飛行，但由于其續(xù)航時(shí)間短、控制系統(tǒng)不完善、魯棒性差等缺點(diǎn)，尚不能投入到實(shí)際監(jiān)視和偵察任務(wù)。

1.2 麻省理工學(xué)院的Phoenix 撲翼機(jī)

該撲翼機(jī)為了減小起飛重量采用碳纖維作為機(jī)身框架，其巨大的雙翼使用柔性材料作為骨架，可以在飛行時(shí)提供超過(guò)300W 的動(dòng)力。并且由于巧妙地集成了固態(tài)慣性測(cè)量、無(wú)刷電機(jī)、鈦焊四連桿傳動(dòng)裝置等多個(gè)模塊的功能，用戶(hù)可以通過(guò)手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)大約4m/s 的水平穩(wěn)定飛行。但由于柔性架構(gòu)控制非常復(fù)雜，建模仿真工作難以完成，因此其無(wú)法完成復(fù)雜動(dòng)作。

1.3 德國(guó)Festo 公司的SmartBird

Smartbird 由德國(guó)festo 公司研制，在外形上與海鷗十分相似，其身體內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)與蒸汽機(jī)車(chē)牽引的火車(chē)車(chē)輪類(lèi)似的旋轉(zhuǎn)輪，這一功能使得smartbird 不僅可以上下拍打翅膀，還可以按照特定角度扭動(dòng)。通過(guò)改變翅膀的朝向，可以調(diào)節(jié)該飛行器的升力大小。除去巧妙的雙翅設(shè)計(jì)，smartbird 的尾巴還可以提供上升、滾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的控制作用。總體來(lái)說(shuō)，由于采用了巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該飛行器的機(jī)電效率非常高，空動(dòng)效率則可以高達(dá)80%。

1.4 美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Paranjape 蝙蝠機(jī)器人

該撲翼機(jī)的亮點(diǎn)并不在于其本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是在于其精妙的控制系統(tǒng)[3]。為了減少姿態(tài)控制所需的參數(shù)量，研究人員在模擬飛行中提取了“關(guān)鍵自由度”作為運(yùn)動(dòng)特征并使用了主成分分析法對(duì)其進(jìn)行降維處理，從而達(dá)到了系統(tǒng)簡(jiǎn)化的目的。這種簡(jiǎn)化算法的方式雖然有利于降低功耗和計(jì)算成本，但卻在一定程度上損害了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.5 加州理工學(xué)院的Microbat

該校研究人員通過(guò)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，模擬生物材料在面對(duì)風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)的表現(xiàn)完全無(wú)法與生物翅膀相比較。因此他們放棄了使用復(fù)雜的生物模擬材料，而是將研究方向轉(zhuǎn)為通過(guò)設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生更大的功率：他們使用鎳鉻細(xì)胞供電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎳鉻N-50 電池，在減小質(zhì)量的同時(shí)增加了供電性能。

1.6 加州大學(xué)伯克利分校的H2bird 的微型撲翼飛行器

該款飛行器采用硬度更大、密度更低的碳纖維作為機(jī)體材料，并采取“滑翼+撲翼”的混合模式作為自己的飛行模式。為了更加準(zhǔn)確和靈活地進(jìn)行控制，他們采取了“慣性導(dǎo)航+地面基站視頻導(dǎo)航”的方式進(jìn)行控制，并在尾部實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的電機(jī)和升降舵設(shè)計(jì)，大大提高了該撲翼飛行器的靈活性。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

即便在撲翼機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果與成就，但距離生產(chǎn)出具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的撲翼機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走。從宏觀上看，我們可以將目前撲翼機(jī)研究中所面臨的困難大致分為四類(lèi)：空氣動(dòng)力原理問(wèn)題、能源問(wèn)題、外形與材料問(wèn)題、通信與控制問(wèn)題[4-5]。

2.1 空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

一般認(rèn)為飛行器的研制需要經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)研究-建模-仿真-試生產(chǎn)-測(cè)試-改進(jìn)的過(guò)程。而與普遍意義上的飛行器相比，撲翼飛行器是一種模仿昆蟲(chóng)或者鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行撲翅運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力和升力的飛行器。但昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀并非是當(dāng)前飛行器普遍擁有的流線(xiàn)型機(jī)翼，而是羽翼或是平面薄膜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在扇動(dòng)、撲動(dòng)時(shí)會(huì)引空氣流動(dòng)，造成不同于周?chē)諝獾牟环€(wěn)定氣流，這是一種非常典型的低雷諾系數(shù)情況下的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而當(dāng)前科學(xué)界對(duì)該問(wèn)題的研究并未取得可見(jiàn)的進(jìn)步。因此，撲翼飛行器的研制缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，大多都是工程試錯(cuò)的產(chǎn)品。因此，我們不應(yīng)急于尋求工程實(shí)現(xiàn)上的突破，應(yīng)該穩(wěn)扎穩(wěn)打，結(jié)合生物科學(xué)技術(shù)逐步揭開(kāi)撲翼飛行的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更加實(shí)用性的撲翼飛行。

2.2 飛行動(dòng)力和能源問(wèn)題

縱觀當(dāng)今科學(xué)發(fā)展各個(gè)分支，不管是航空航天的燃料限制，還是新能源汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，我們不難發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)工程問(wèn)題都?xì)w結(jié)于能源問(wèn)題，兩次工業(yè)革命的本質(zhì)也是能源的進(jìn)步與能量效率的提高。撲翼飛行器需要更小的外形、更輕的質(zhì)量、更高的效率、更小的能耗，這就對(duì)撲翼飛行器的工業(yè)設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步的要求。

該問(wèn)題絕不僅僅是撲翼飛行器本身的問(wèn)題，實(shí)際上所有仿生學(xué)科、醫(yī)工交叉學(xué)科都面臨著同樣的問(wèn)題：如何高效率地利用能源。我們可以看到候鳥(niǎo)可以在沒(méi)有任何能量攝入的情況下持續(xù)飛行幾十甚至幾百公里，這種對(duì)于能量的高效率利用是所有從業(yè)者需要揭開(kāi)的原理。

2.3 翼形和材料

毫無(wú)疑問(wèn)，撲翼飛行器的機(jī)翼設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)中占據(jù)著最為重要的位置。該設(shè)計(jì)既包含對(duì)機(jī)翼材料的討論，也包含對(duì)機(jī)翼形狀、機(jī)翼數(shù)量的討論。以“仿生鳥(niǎo)”為例，大型鳥(niǎo)類(lèi)在高空飛行中以滑翔為主，振翅頻率低，翼展大；而小型鳥(niǎo)類(lèi)（例如蜂鳥(niǎo)）的飛行模式則是以高速振翅為主，翼展很小，行動(dòng)更加靈活，并且能夠向后飛行。再如對(duì)機(jī)翼材料的討論，是要尋求更加堅(jiān)硬、不易變形的材料，還是要使用更加柔韌且具有一定強(qiáng)度的材料，也是研究者所要考慮的。當(dāng)然，我們研究實(shí)際鳥(niǎo)類(lèi)的飛行模式并不是要完全模仿鳥(niǎo)類(lèi)，而是探究其運(yùn)動(dòng)的背后蘊(yùn)含的機(jī)理。

2.4 通信和控制系統(tǒng)

現(xiàn)代飛行系統(tǒng)中，除去必要的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)完成基本的飛行功能，通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的地位同樣重要。就控制系統(tǒng)而言，顧名思義，指的是飛行器賴(lài)以安全、平穩(wěn)、快速飛行的系統(tǒng)。姿態(tài)控制始終是飛行器控制中最關(guān)鍵、最重要的任務(wù)，實(shí)際上，之所以在今天大疆可以成為無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的巨無(wú)霸，恰恰是因?yàn)槠涓叨戎悄艿耐ㄐ排c控制系統(tǒng)。PID 控制算法是目前無(wú)人機(jī)最為普遍的控制實(shí)現(xiàn)思路，該思路基于控制原理，將比例、積分、微分環(huán)節(jié)引入閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)更穩(wěn)定、更快速、更精確的飛行。

除去控制系統(tǒng)，現(xiàn)代飛行器還需要高度發(fā)達(dá)的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的意義主要在于兩個(gè)方面：環(huán)境信息的及時(shí)交互和控制信息的及時(shí)傳達(dá)。正如前文所說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制，需要對(duì)多種環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與處理，如果飛行器攜帶的處理器無(wú)法完成及時(shí)的數(shù)據(jù)運(yùn)算（例如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），則可能需要飛行器實(shí)時(shí)地上傳數(shù)據(jù)到云端，由服務(wù)器完成計(jì)算后重新傳輸回飛行器。

不論是何種系統(tǒng)，一旦涉及大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理就需要較為強(qiáng)大的處理器，隨之而來(lái)的就是更大的功耗。但由于體積和重量限制，撲翼飛行器尤其是微型撲翼飛行器注定不可能將體積縮到很小。因此這是撲翼飛行器發(fā)展道路上的一只“攔路虎”。

3 結(jié)語(yǔ)

撲翼飛行器的研究不僅僅是一個(gè)工程問(wèn)題，它涉及到控制、能源、生物、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，絕不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單幾個(gè)工程師調(diào)調(diào)參數(shù)、跑跑仿真就可以解決的問(wèn)題。我們不可能期望于畢其功于一役，在短短幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)飛速的突破，但也不能因噎廢食，唉聲嘆氣。從基礎(chǔ)研究做起，穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步取得勝利才是研究者應(yīng)有的態(tài)度。