仿生鳥偵查飛行器研究

賈雅琪，孔繁朋，李曉丹，王 冰

(遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001)

0 引言

不久的將來，低空領域會在國內開放，這無疑是小型飛行器一個難得的發展機遇。而仿生撲翼飛行器的研究則是小型飛行器相關研究中的一個熱點[1]。

近幾年，關于撲翼飛行器的研究和制作已經有了長足的進展[2]。仿生飛行器是區別于固定翼飛行器、旋轉翼飛行器的另一類飛行器，其飛行原理來源于自然界中鳥類、昆蟲的飛行方式。在過去很長一段時間內，人們更加認可固定翼飛行器與旋轉翼飛行器。但目前看來，仿生翼飛行器在某些場合的使用中相較于固定翼飛行器與旋轉翼飛行器具有明顯的優勢。例如在軍用偵查使用中，固定翼飛行器、旋轉翼飛行器的優點是飛行速度快，但不足之處是隱蔽性差；仿生翼飛行器不僅隱蔽性好，更是同時具有懸停、推進、舉升等功能，具有較強的機動性[1]。

本文將在仿生學的基礎上，利用撲翼系統來代替以往的噴氣式發動機、旋轉翼來為飛行器提供動力，并基于前人關于仿生飛行器的設計思路去設計一款仿生鳥，從仿生鳥的總體結構來看，只采用了一套撲翼系統，目的是在保證功能的前提下盡量減輕仿生鳥的重量，使之更加靈活可控。

1 仿生鳥偵查飛行器設計

1.1 對鳥類及仿生鳥飛行的分析

大部分鳥類在飛行過程中有一個共同的特點：翅膀和尾翼總是周期性地協同工作，即鳥類的飛行過程是由多個周期飛行動作所組成，而每個周期中的飛行動作又可分為翅膀下撲、翅膀合攏、翅膀上撲、翅膀平展4個階段[3]。其中，翅膀下撲指的是一、二段翼共處于一個平面，自上向下撲動；翅膀合攏指的是一段翼保持原狀態，二段翼向下折疊；翅膀上撲指的是一段翼向上撲動，二段翼保持原狀態；翅膀平展指的是一段翼撲動至極限處，二段翼向上撲動至與一段翼共處同一平面。

由于翅膀下撲是飛行過程中產生升力的主要動作，因此翅膀下撲是飛行動作中的重要部分。通常情況下，一個飛行動作周期中的60%～80%時間是用于翅膀下撲，而主要作用是翅膀復位的上撲動作在時間上便有明顯縮短[1]。

根據對鳥類飛行動作的分析可知，仿生鳥的動力來源是空氣對飛行器的反作用力。從簡單的飛艇入手分析，飛行器能夠上升是由于空氣對其豎直向上的推力大于自身的重力。飛行器若想前進，必須還得有一個水平的推力，這樣飛行器才能完成基本的飛行。如固定翼飛行器，一般由噴氣式發動機工作以提供水平方向上的推力，而流線型機翼在高速氣流的作用下產生升力；再如直升飛機，由旋轉翼高速旋轉以提供升力，旋轉翼與水平面的夾角產生的分力作為推力。因此，撲翼飛行器必須同時獲得足夠的空氣對其在水平和豎直方向上的反作用力，即升力和推力，才能完成簡單飛行。

1.2 仿生鳥偵查飛行器方案設計

結合鳥類飛行動作中的幾個階段以及對仿生鳥飛行過程中動力來源的分析，使用SolidWorks軟件建立了仿生鳥的三維模型并進行了運動仿真，設計出一款飛行靈活、善于隱蔽，能夠在多種特殊場合投放使用的仿生鳥偵查飛行器。

該仿生鳥偵查飛行器能夠通過電機帶動曲柄搖桿等機構來模仿鳥類飛行動作以完成基本的飛行，能通過控制舵機以控制機翼與尾翼和空氣的接觸面積來完成轉向、俯仰等動作。由于偵查型仿生鳥對隱蔽性的要求高，因此，僅采用一套撲翼系統及相關部件完成飛行動作，4個舵機及相關部件完成轉向、俯仰等動作，大大降低了仿生鳥的重量。

1.3 仿生鳥偵查飛行器結構設計

仿生鳥偵查飛行器主要由機身、機翼和尾翼等組成，如圖1所示。

1—機身；2—尾翼；3—機翼。

1.3.1 撲翼機構的設計

撲翼機構采用平面曲柄復合雙搖桿機構進行設計，如圖2所示。

1—翼桿；2—齒輪組；3—曲柄復合雙搖桿機構。

撲翼動作的實現過程涉及的部分為電機—齒輪—曲柄搖桿機構—撲翼，由電機產生動力帶動齒輪，曲柄設計為與齒輪固連以帶動搖桿及其相連的撲翼進行運動。曲柄滑塊或凸輪彈簧等機構雖能產生仿生鳥所需的撲翼運動，但曲柄搖桿機構磨損較小、傳動效率高[1]。根據對鳥類飛行機構的分析可知，驅動撲翼的傳動部分需要具有某種急回特性，因此選擇曲柄搖桿機構作為傳動機構。為使飛行器在飛行過程中能夠保持穩定，所設計的傳動部分中心軸線對稱，能夠保證飛行過程中重心處于中心軸線上。

當仿生鳥偵查飛行器飛行時，電機轉動，與電機連接的主動齒輪轉動，主齒輪帶動與之嚙合的副齒輪和一對從動齒輪，通過一系列的傳動比轉換，獲得最合適的速度與扭矩，從動齒輪上安裝有曲柄，曲柄連接曲桿，組成曲柄雙搖桿機構，從而控制機翼繞主關節撲動，提供飛行過程中所需的升力及推力[4]。

1.3.2 轉向機構的設計

使用舵機去控制仿生鳥的機翼轉向機構，如圖3所示。

1—主機翼；2—舵機；3—翼桿。

尾翼轉向機構采用舵機進行控制，如圖4所示。

1—舵機；2—曲桿；3—尾梢。

在仿生鳥偵查飛行器轉向過程中，通過舵機控制曲桿長短，來調節撲動幅度，機翼末端轉向舵機與尾部轉向舵機，推動轉向桿，帶動尾翼轉動塊轉動角度，從而控制機翼、尾翼和空氣的接觸面積，達到仿鳥類轉向與俯仰。

1.4 仿生鳥偵查飛行器蒙皮工藝

依據實驗和計算出的結果，對比了使用剛性蒙皮的撲翼與使用柔性膜蒙皮的撲翼在下撲動作中產生的升力。根據對比發現，使用了柔性膜蒙皮的撲翼雖然在升力的產生方面與剛性蒙皮的撲翼區別不大，但柔性膜蒙皮的撲翼能夠增大推力，即改善了撲翼飛行器的氣動性能。

在蒙皮工藝方面，在仿生鳥偵查飛行器的主機翼與近主機翼及尾翼上貼上復合薄膜，模擬羽毛和柔性翼結構，且重量輕，與空氣接觸面積大，使推重比增大，更容易飛行[5]。

2 仿生鳥偵查飛行器運動仿真

使用SolidWorks的運動仿真功能對仿生鳥偵查飛行器進行了仿真。仿生鳥偵察飛行器的飛行過程并不復雜，本次仿真主要針對仿生鳥的飛行動作過程。運動仿真過程中，部分重要的動作如圖5所示。

圖5 仿生鳥偵查飛行器飛運動仿真圖

由圖5可知，仿生鳥偵查飛行器飛行時的飛行動作與鳥類的飛行動作相似，且在結構上并無干涉，即設計方案可行。

3 結語

通過SolidWorks軟件對仿生鳥偵查飛行器的三維建模與運動仿真，仿生鳥偵查飛行器原理可行，在運動時，結構上并無干涉。若應用于軍事方面，仿生鳥偵查飛行器能夠探查敵情、目標追蹤；若應用于日常生活中，仿生鳥偵查飛行器能夠完成對環境或災情的監測、考察，有著不錯的應用前景。