一種超低空飛行的仿生撲翼飛行器的設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；2.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司南京研發(fā)中心，江蘇南京211100；4.西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，陜西西安710049）

在自然界，撲翼飛行的鳥類和昆蟲具有優(yōu)越的飛行性能［1-3］。目前，人類研發(fā)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(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、在低雷諾數(shù)下機(jī)械效率高、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。在穿梭往返于狹窄地帶進(jìn)行空中偵察時(shí)，撲翼飛行器的優(yōu)勢尤為突出［4-7］。

撲翼飛行器的研究受到廣泛關(guān)注。很多研究機(jī)構(gòu)通過多種方法改善了撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)方式和飛行效率［8-13］。在撲翼飛行器的設(shè)計(jì)方面也有不少研究成果。美國Aero Vironment公司研制了仿蜂鳥機(jī)器人Nano Hummingbird［14］，其總質(zhì)量為19 g，翼展為16.5 cm，撲翼頻率為30 Hz；采用電機(jī)加繩傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，翅膀的扭轉(zhuǎn)動(dòng)作由繩傳動(dòng)和限位裝置的控制實(shí)現(xiàn)，首次實(shí)現(xiàn)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B(yǎng)ionic Flying Fox［15］，其總質(zhì)量達(dá)580 g，翼展為228 cm，體長為87 cm；翅膀由一種極薄而強(qiáng)韌的薄膜制成，該薄膜由1層彈性纖維和2層密封膜構(gòu)成；其特點(diǎn)是在飛行時(shí)能夠通過骨架的運(yùn)動(dòng)來控制翅膀變形，從而獲得較強(qiáng)的飛行能力；但該飛行器尺寸較大，在空中飛行時(shí)易被地面人員察覺，應(yīng)用范圍受限。美國特拉華大學(xué)于2004年研制了名為“Sparrow”的微型撲翼飛行器［16］，其早期為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量為50 g，翼展為50 cm，后改進(jìn)為碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，總質(zhì)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了飛行器的弦向扭轉(zhuǎn)。劉晶等設(shè)計(jì)了一款總質(zhì)量為23.8 g，翼展為18 cm，撲翼頻率為22 Hz，撲動(dòng)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(chǎn)生的升力僅大于自身質(zhì)量2 g，且由外部電源供電，難以在實(shí)驗(yàn)室外完成載重飛行任務(wù)。曹金秋等提出了一種采用6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、具有2個(gè)自由度的空間撲翼機(jī)構(gòu)［18］，但未進(jìn)行飛行器整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)制作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性沒有得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

在空中偵察等需求背景下，需要既具備一定的負(fù)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(wù)，而載重型飛行器的尺寸一般都比較大，在超低空飛行時(shí)易被地面人員察覺。因此，筆者在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一款基于平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的小型撲翼飛行器并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)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(nèi)［19］。

1 撲翼飛行器的總體設(shè)計(jì)要求

所設(shè)計(jì)的撲翼飛行器將應(yīng)用于超低空偵察等。因此，飛行器須具有較強(qiáng)的仿生性，能夠模擬中小型鳥類的撲翼動(dòng)作，具備加減速、轉(zhuǎn)向、抬升、俯沖等空中運(yùn)動(dòng)能力，以承擔(dān)跟蹤地面移動(dòng)目標(biāo)的任務(wù)，并能完成在一定區(qū)域內(nèi)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(zhí)行偵察等任務(wù)時(shí)不易被地面人員察覺。

以中小型鳥類為參照進(jìn)行撲翼飛行器總體尺寸的設(shè)計(jì)。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?zhèn)鲃?dòng)式撲翼飛行器多采用單曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。但是之前的許多構(gòu)型要么造成了機(jī)翼在撲動(dòng)時(shí)的不對稱性，要么因添加齒輪而增加了傳動(dòng)部分的重量。本設(shè)計(jì)基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，對由聯(lián)動(dòng)桿貫穿的翅根進(jìn)行開槽設(shè)計(jì)，使得聯(lián)動(dòng)桿可以在翅根的槽內(nèi)滑行，帶動(dòng)翅膀撲動(dòng)。此舉既保證了撲翼的對稱性，又降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

平面機(jī)構(gòu)自由度F的計(jì)算公式為：

式中：n為活動(dòng)構(gòu)件的個(gè)數(shù)；Pl為低副數(shù)；Ph為高副數(shù)。

所設(shè)計(jì)的撲翼飛行器為四桿機(jī)構(gòu)，有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，3個(gè)旋轉(zhuǎn)副和1個(gè)移動(dòng)副均為低副。根據(jù)式（1）可得其自由度為：

撲翼飛行器的轉(zhuǎn)向和俯仰姿態(tài)由尾翼調(diào)節(jié)，因此撲翼只有1個(gè)自由度，其動(dòng)力源數(shù)也為1?？梢姄湟淼淖杂啥葦?shù)量與動(dòng)力源數(shù)相等，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可以確定。

要求設(shè)計(jì)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(zhí)行偵察等任務(wù)時(shí)難以被地面人員察覺。飛行器以空心杯電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，采用二級減速齒輪增大轉(zhuǎn)矩，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)撲翼實(shí)現(xiàn)往復(fù)撲動(dòng)功能。通過撲翼運(yùn)動(dòng)使飛行器產(chǎn)生升力，利用遙控發(fā)射與接收裝置對電機(jī)轉(zhuǎn)速等飛行參數(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)要求如下：

1）飛行器總體尺寸與中小型鳥類相當(dāng)，翼展不超過50 cm；撲動(dòng)穩(wěn)定，左右翅膀?qū)ΨQ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(dòng)幅度盡可能大，撲動(dòng)幅值θ≥45°。

4）尾翼能夠被操控，以完成飛行器的空中轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

2 撲翼飛行器撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撲翼飛行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為平面式結(jié)構(gòu)。依據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為機(jī)構(gòu)核心，設(shè)計(jì)了一種平面式撲動(dòng)機(jī)構(gòu)。平面單自由度撲動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為翼的撲動(dòng)，利用柔性翼梁和翼肋的氣動(dòng)彈性形變實(shí)現(xiàn)翼的二維運(yùn)動(dòng)［20］。

撲翼飛行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。其中：x方向?yàn)樗椒较?，y方向?yàn)榇怪狈较?；O1為輸出齒輪與機(jī)架的鉸接點(diǎn)，O2為翅膀前緣與機(jī)架的鉸接點(diǎn)；曲柄O1A為原動(dòng)件，當(dāng)O1A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊B沿y方向作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)翅膀前緣BO2在xy平面沿O2來回轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)翼上下?lián)鋭?dòng)。

圖3 撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism of flap‐ping wing aircraft

滑塊運(yùn)動(dòng)如圖4所示。其中：B1、B2分別為滑塊質(zhì)心的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)；L1、L2分別為左、右翅根與機(jī)架的鉸接點(diǎn)到滑塊質(zhì)心的距離；L為滑塊行程；d為左翅根與機(jī)架的鉸接點(diǎn)到右翅根與機(jī)架的鉸接點(diǎn)的距離，其值與機(jī)架形狀相關(guān)，結(jié)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(shè)定撲翼飛行器的撲動(dòng)幅值為65°，其中向上撲動(dòng)角α=40°，向下?lián)鋭?dòng)角β=25°。

圖4 滑塊運(yùn)動(dòng)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(jù)L的數(shù)值，可以進(jìn)行飛行器機(jī)架正面滑槽長度的設(shè)計(jì)；根據(jù)L1、L2的數(shù)值，可以進(jìn)行左翅根和右翅根的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖5所示。其中：S為滑塊在任意時(shí)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(jī)構(gòu)Fig.5 Crank slider mechanism

由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系可知：

結(jié)合實(shí)際加工條件，設(shè)置撲翼飛行器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：翼展，41.2 cm；撲翼頻率，15 Hz；撲動(dòng)幅值，65°；滑塊行程，19.6 mm；曲柄長度，9.8 mm；左、右翅根與機(jī)架鉸接點(diǎn)的間距，30 mm。

3 撲翼飛行器虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)及仿真分析

選用三維設(shè)計(jì)軟件Creo進(jìn)行撲翼飛行器整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。撲翼飛行器由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、撲動(dòng)機(jī)構(gòu)、左右機(jī)翼和尾翼構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由空心杯電機(jī)、小齒輪、雙聯(lián)齒輪和末級齒輪構(gòu)成；撲動(dòng)機(jī)構(gòu)由曲柄、聯(lián)動(dòng)桿和左右翅膀前緣構(gòu)成。在Creo軟件中對撲翼飛行器進(jìn)行建模，定義電機(jī)、齒輪副等的類型，設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行撲翼運(yùn)動(dòng)仿真；對飛行器翼面末端的端點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，繪制撲翼飛行器翼面末端的運(yùn)動(dòng)軌跡；用測量模塊進(jìn)行角度測量。

撲翼飛行器在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及翼尖軌跡如圖6所示。

圖6 撲翼飛行器在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)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(dòng)幅值為64.270 5°，如圖7所示，可見與設(shè)計(jì)值65°基本一致，表明構(gòu)建的三維模型符合設(shè)計(jì)要求。

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

為了對撲翼飛行器在運(yùn)動(dòng)過程中的角度、角速度、力矩等參數(shù)進(jìn)行分析，將Creo軟件所繪制的撲翼飛行器三維模型導(dǎo)入ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system，機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析）軟件。撲翼飛行器動(dòng)力學(xué)分析模型如圖8所示。

圖8 撲翼飛行器動(dòng)力學(xué)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(jìn)行定義，對各部件之間的連接方式進(jìn)行設(shè)置。確定了各運(yùn)動(dòng)副類型及驅(qū)動(dòng)方式后，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

撲翼飛行器撲動(dòng)幅度和角速度的仿真結(jié)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(dòng)幅值約為65°，與模型設(shè)計(jì)值一致。由圖9（b）可知，當(dāng)撲翼飛行器的翼尖部位處于最高點(diǎn)或最低點(diǎn)時(shí)，其角速度為0 rad/s；當(dāng)翼面處于水平位置時(shí)，其角速度達(dá)到最大。

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

撲翼飛行器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處平衡力矩的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可知，在下?lián)潆A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(gè)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(jī)架鉸接點(diǎn)處的平衡力矩，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)關(guān)注連桿與

圖10 撲翼飛行器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處平衡力矩的仿真結(jié)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(qiáng)度，選用強(qiáng)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(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作撲翼飛行器樣機(jī)，并進(jìn)行室內(nèi)和戶外飛行試驗(yàn)。撲翼飛行器的主要材料為碳纖維，機(jī)翼選用滌綸布，動(dòng)力裝置采用空心杯電機(jī)。依照在Creo軟件中建立的三維模型進(jìn)行制作。

為了使飛行器在空中完成指定方向的飛行，具備轉(zhuǎn)向能力，在飛行器尾翼設(shè)計(jì)中采用“⊥”形尾翼。尾翼與一級舵機(jī)連接，一級舵機(jī)控制尾翼的左右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)一級舵機(jī)與二級舵機(jī)相連，二級舵機(jī)控制一級舵機(jī)和尾翼的上下運(yùn)動(dòng)，二級舵機(jī)則同時(shí)與機(jī)架相連。對撲翼飛行器各部件進(jìn)行組裝并進(jìn)一步固定。撲翼飛行器實(shí)物如圖11所示。

圖11 撲翼飛行器實(shí)物Fig.11 Material object of flapping wing aircraft

首先進(jìn)行撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗(yàn)。采用遙控裝置控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的扭矩經(jīng)齒輪副作用在曲柄齒輪上帶動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng)，搖桿拉動(dòng)滑塊在機(jī)架內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；滑塊分別穿過左、右翅根，翅根轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)兩側(cè)機(jī)翼作往復(fù)撲翼運(yùn)動(dòng)；待飛行器飛到一定高度時(shí)，調(diào)整尾翼使飛行器的攻角保持恒定，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制飛行器的飛行速度；當(dāng)飛行前方出現(xiàn)欄桿時(shí)，控制尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)，使飛行器接收到指令后向右方轉(zhuǎn)向，避開前方的障礙物。撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗(yàn)Fig.12 Indoor flight test of flapping wing aircraft

撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗(yàn)完成后，進(jìn)行戶外飛行試驗(yàn)?？刂莆惨硐蜃笏綌[動(dòng)，使飛行器向左轉(zhuǎn)向；控制尾翼向右水平擺動(dòng)，使飛行器向右轉(zhuǎn)向；飛行器在空中飛行一段時(shí)間后，控制飛行器往教學(xué)樓飛行，最終抵達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)——教學(xué)樓窗戶，此時(shí)飛行器的飛行高度為13～15 m。撲翼飛行器戶外飛行試驗(yàn)如圖13所示。

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

飛行試驗(yàn)表明，撲翼飛行器可以進(jìn)行較長時(shí)間的室內(nèi)和戶外飛行，飛行時(shí)長達(dá)3～5 min，且具有加減速、轉(zhuǎn)向、抬升、俯沖、避障等能力，可以實(shí)現(xiàn)超低空飛行。所設(shè)計(jì)的撲翼飛行器仿生性能較好，飛行時(shí)聲音較??；其外形和飛行動(dòng)作較接近鳥類，當(dāng)飛抵一定高度時(shí)，隱蔽性大幅增強(qiáng)，難以被地面人員察覺。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種仿生撲翼飛行器。通過對鳥類飛行的研究，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，確定了撲翼飛行器的設(shè)計(jì)參數(shù)；通過Creo軟件構(gòu)建了飛行器模型，并在此基礎(chǔ)上采用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析；制作了撲翼飛行器樣機(jī)，并進(jìn)行室內(nèi)和戶外飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該撲翼飛行器的實(shí)用性。

采用平面式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為撲翼飛行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有助于減小飛行器的體積，同時(shí)保證了撲動(dòng)的對稱性和穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)了一種采用雙級傳動(dòng)的尾翼，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和俯仰多自由度飛行姿態(tài)的調(diào)節(jié)。撲翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，沒有冗余構(gòu)件，具有良好的仿生性能和飛行能力，可以進(jìn)行超低空飛行，應(yīng)用前景較廣。