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

0 引言

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、人工智能等學(xué)科的發(fā)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(jī)構(gòu)首次提出“微型飛行器”(Micro Aerial Vehicle，MAV)的概念，該微型飛行器區(qū)別于傳統(tǒng)飛行器，外形小巧(翼展不超過150 mm、重 量 為 10 ～100 g)，在續(xù)航時間 (20 ～60 min)內(nèi) 能 以巡航速度(30～60 km/h)實現(xiàn)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(jī)動靈活、安全性好的優(yōu)點，適用于軍事場合[2]，已成為世界各國重點研究的熱門領(lǐng)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(xué)原理、通過模仿鳥類和昆蟲飛行而設(shè)計制造的新型微型飛行器，具有尺寸小巧、質(zhì)量輕、成本低廉、操作靈活等優(yōu)點。 空氣動力學(xué)和仿生學(xué)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(yōu)勢[1]。

當(dāng)前，微型仿生撲翼飛行器的設(shè)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(wù)。微型撲翼飛行器要在各領(lǐng)域中大展身手，還需具備完善的飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航能力、能隨外界環(huán)境變化而自行改變飛行高度和調(diào)整飛行姿態(tài)、自動躲避障礙物、穩(wěn)定性優(yōu)良、信號采集和圖像識別能力，這也是其未來發(fā)展方向。

2 研究背景

微型飛行器按其產(chǎn)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(dāng)前，微型固定翼飛行器應(yīng)用最廣，其翼保持固定，類似常規(guī)飛機(jī)，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(zhuǎn)，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(shù)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(jī)動性差，對于起飛和降落要求較高，且不能實現(xiàn)懸停飛行。 旋翼飛行器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)懸停飛行，但是仍然存在尺寸較大、機(jī)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(shù)和靈活的機(jī)動性[2]，而且，由于微型撲翼飛行器不使用高速轉(zhuǎn)動螺旋槳，不會產(chǎn)生噪聲，因此隱蔽性更強(qiáng)，可以執(zhí)行軍事等特殊任務(wù)[4]。 當(dāng)代機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、集成電路設(shè)計與制造、3D 打印技術(shù)等學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展交融，為撲翼微型飛行器的設(shè)計與制造提供了基礎(chǔ)。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及成果

3.1 理論研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)空氣動力學(xué)主要分析定?？諝庵酗w行器升力的產(chǎn)生，并不能解釋生物通過撲翼運動產(chǎn)生升力并懸浮在空中的機(jī)理，因此，傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)并不適用于撲翼飛行器。 1973 年，Weis-Fogh 基于昆蟲仿生學(xué)的相關(guān)理論，提出了定常氣流中產(chǎn)生高升力的 Clap and Fling 機(jī)制(也稱作 Weis-Fogh 機(jī)制)，為后期仿生飛行的理論研究提供了指導(dǎo)作用[5]。1993 年，Delaurier 對運動的翼建立空氣動力學(xué)模型并進(jìn)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(xué)理論且進(jìn)行了風(fēng)洞試驗[7]。 1999 年 ，Weir Shyy等人研究了低雷諾數(shù)下的微型撲翼飛行器設(shè)計中的關(guān)鍵問題[1]。同年，Giesing對 Smith 定常機(jī)翼流動法進(jìn)行推廣[8]。 北京航空航天大學(xué)的孫茂用N-S 方程解釋了昆蟲高升力產(chǎn)生機(jī)理。 南京航空航天大學(xué)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(xué)和智能材料[9]。

當(dāng)前，國內(nèi)外理論重點研究多是關(guān)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(jī)理，但是距離形成完整的非定?？諝鈩恿W(xué)理論尚有一定距離。

3.2 試驗研究現(xiàn)狀

關(guān)于撲翼飛行的試驗研究，早期主要基于仿生學(xué)原理，對生物飛行過程進(jìn)行測量與試驗。 美國加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)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(dǎo)蒼蠅正常撲翼飛行，采用精密光學(xué)儀器測量、力學(xué)傳感器測量、高速攝像等方式，對蒼蠅撲翼運動過程進(jìn)行測量，研究撲翼飛行的性能參數(shù)。 我國水稻研究所對 50 多種昆蟲進(jìn)行吊飛試驗， 測量昆蟲翅膀、重量、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，證明昆蟲翅膀的大小、厚度、撲翼方式等飛行參數(shù)必須符合一定的運動學(xué)原理，才能實現(xiàn)有效飛行[10]。

當(dāng)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(chǎn)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(xué)的Ellington 等人研制了一種雷諾數(shù)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(chǎn)生的漩渦，證明前緣渦不脫落是昆蟲撲翼產(chǎn)生高升力的原因之一[1]。 1999 年，美國加州大學(xué)的 Dickinson等人使用油罐中的機(jī)械翅進(jìn)行試驗，如圖1(b)所示，證明了昆蟲撲翼產(chǎn)生高升力的機(jī)制[1，8]。 我國西北工業(yè)大學(xué)的白存儒等人進(jìn)行了風(fēng)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(xué)角度進(jìn)一步分析了昆蟲撲翼產(chǎn)生高升力的原理，為后期樣機(jī)研制起到指導(dǎo)作用。

3.3 樣機(jī)研究現(xiàn)狀

1998 年起，美國加利福利亞理工學(xué)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(xù)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(xué)與美國喬治亞理工學(xué)院合作研發(fā)了一種計劃用于火星探測的微型撲翼飛行器Entomopter，采用復(fù)式化學(xué)肌肉制成，可產(chǎn)生高頻撲翼運動[1]，如圖2(b)所示。 荷蘭代爾夫特大學(xué)研制的 Delfly 微型撲翼飛行器，具有 X 翼結(jié)構(gòu)和 V 型尾翼，翼展 35 cm，質(zhì)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(fā)成功“納米蜂鳥”，如圖2(d)所示，其翼展 16 cm，質(zhì)量 19 g，能連續(xù)飛行 10～20 min，完成懸停、翻轉(zhuǎn)等動作，被《時代》雜志評為 50 大創(chuàng)新發(fā)明之一[1]。 “納米蜂鳥”在相當(dāng)一段時間內(nèi)，代表撲翼飛行器樣機(jī)研制的領(lǐng)先水平。

圖2 國際經(jīng)典微型撲翼飛行器樣機(jī)成品

2002 年起，南京航空航天大學(xué)的昂海松等人設(shè)計了多款仿生機(jī)械鳥，如圖3(a)所示，其最新型號性能已達(dá)到美國Microbat 同等水平[13]。 西北工業(yè)大學(xué)的方宗德等人設(shè)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(zhì)量約 220 g，速度 6～10 m/s，高度 20～200 m，具備一定的抗風(fēng)能力，內(nèi)部搭載導(dǎo)航系統(tǒng)，攜帶微型攝像機(jī)，可用于偵察[13]。 此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京大學(xué)、廈門大學(xué)等國內(nèi)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(jìn)展，但是和發(fā)達(dá)國家相比，仍有較大差距。此外，由于撲翼運動并非簡單重復(fù)的機(jī)械揮動，撲翼動作所產(chǎn)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(fù)雜的運動過程，要實現(xiàn)仿生飛行器的撲翼運動需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖3 我國自主研發(fā)的微型撲翼飛行器樣機(jī)成品

4 微型仿生撲翼式飛行器的關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 飛行機(jī)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(zhuǎn)彎、俯沖、滑翔、躲閃等多種復(fù)雜動作。 如何提高撲翼飛行器的靈活性、穩(wěn)定性、高效性和可操控性，仍是當(dāng)前國內(nèi)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(guī)律、翅膀扭轉(zhuǎn)、飛行姿態(tài)等飛行機(jī)理的研究，對優(yōu)化微型撲翼飛行器的設(shè)計具有重要意義。

4.2 低雷諾數(shù)下的空氣動力學(xué)問題

常規(guī)飛行器的飛行雷諾數(shù)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(shù)只有 2×105左右。 當(dāng)飛行器在低雷諾數(shù)環(huán)境中飛行時，其空氣動力學(xué)特征會出現(xiàn)變化，例如氣動粘性力和阻力突出、 機(jī)身附面層趨于層流特征、飛行姿態(tài)難以控制等，這些變化會嚴(yán)重影響撲翼飛行器的正常飛行[11]。 當(dāng)前，低雷諾數(shù)飛行環(huán)境下的空氣動力學(xué)理論仍處在探索階段，尚未形成完整的空氣動力學(xué)理論。

4.3 超輕型機(jī)體和部件微型化

要實現(xiàn)微型飛行器機(jī)身的超輕化，需要在實現(xiàn)預(yù)期功能的基礎(chǔ)上，尋找性能優(yōu)良的新型超輕材料。其次就是內(nèi)部零部件的微型化問題。 微型撲翼飛行器的內(nèi)部零部件組成復(fù)雜，包括電機(jī)、制動器、穩(wěn)定陀螺儀、通信設(shè)備、導(dǎo)航模塊等，零部件微型化直接對微機(jī)電、集成電路設(shè)計、微電子制造工藝等行業(yè)技術(shù)提出更高的要求[15]。 顯然，當(dāng)前的制造工藝尚未完全達(dá)到人們期望的水平，因此，加強(qiáng)對相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的研究，是當(dāng)務(wù)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(zhì)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(jī)載設(shè)備工作所需的電能。 當(dāng)前研究較多的微動力裝置主要有微型馬達(dá)、微型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、交變磁場驅(qū)動器、人造肌肉等，然而考慮到驅(qū)動效率，當(dāng)前絕大多數(shù)撲翼飛行器都是微馬達(dá)驅(qū)動的，即電磁電機(jī)驅(qū)動。 微型馬達(dá)的尺寸也越來越小，例如上海交通大學(xué)直徑僅為1 mm 的電磁微馬達(dá)、德國IMM 公司直徑 2 mm 的電微馬達(dá)、美國加州大學(xué)直徑 120 μm 的靜電超微馬達(dá)。 鑒于未來撲翼式飛行器的研制目標(biāo)是實現(xiàn)自主飛行，因此無線式微能源供給將是今后的發(fā)展重點。 另外，人造肌肉由于具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、動力好等優(yōu)點，國內(nèi)外已經(jīng)開展著手相關(guān)研究。

4.5 通信和導(dǎo)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但是微波通信由于穿透力不強(qiáng)，因此通信距離受限。 當(dāng)前，研制適合的GPS接收機(jī)和地面匹配系統(tǒng)是當(dāng)前主要的研究方向。 當(dāng)飛行器超出無線通信的范圍時，就要依靠自主導(dǎo)航來控制飛行路徑，主要依靠全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)來實現(xiàn)，因此，導(dǎo)航的穩(wěn)定性、可靠性以及定位精度等需要提高[15]。

5 應(yīng)用前景

5.1 軍用方面

在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中， 微型撲翼飛行器由于體積小、隱蔽性強(qiáng)，在某特定場合，例如超低空雷達(dá)盲區(qū)內(nèi)，可以用來進(jìn)行偵察和監(jiān)視，提高作戰(zhàn)效率；還可以作為微型和偵察機(jī)的輔助手段，發(fā)現(xiàn)叢林、灌木中的隱蔽目標(biāo)[16]；充當(dāng)通信媒介，為作戰(zhàn)小分隊提供通信支持；攜帶多種傳感器，對戰(zhàn)場周邊環(huán)境、 生態(tài)及污染等因素進(jìn)行取樣和考察；利用自身體積小、靈活性強(qiáng)的特點，可往返穿梭于微型狹窄地形，進(jìn)行救援或者在室內(nèi)對恐怖分子進(jìn)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(jī)場周圍的驅(qū)鳥工作；充當(dāng)電子警察的作用，對交通實施監(jiān)控；在邊境防線上進(jìn)行巡邏；在森林保護(hù)區(qū)對野生動植物進(jìn)行勘測等。 此外還可以用于緝毒巡查、突發(fā)事故現(xiàn)場監(jiān)測、航空攝影、輸電線路檢查、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測、森林防火監(jiān)測、家居服務(wù)、表演展覽等。

6 結(jié)論

撲翼飛行作為人類最熟悉、也最復(fù)雜的一種飛行方式，具備質(zhì)量輕、體積小、機(jī)動靈活、隱蔽性強(qiáng)等特點，必定會在未來信息化戰(zhàn)場上大展身手。 當(dāng)前，以美國為首的發(fā)達(dá)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(jīng)正式投放軍用。 因此，隨著我國軍隊信息化建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入新階段，以微型撲翼飛行器為代表的相關(guān)技術(shù)研究必定會在未來得到長足發(fā)展。