仿蝴蝶撲翼飛行器：研究進(jìn)展、挑戰(zhàn)與未來發(fā)展

肖揚宏，崔 峰，張逸晨，趙佳欣，吳朝封，肖一鳴

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系微米納米加工技術(shù)全國重點實驗室，上海 200240）

1 引 言

無論是從飛行外觀還是從飛行機制上來講，蝴蝶都與自然界的大多數(shù)昆蟲存在很大差異。首先從翅膀來看，相比蜻蜓、蚊子等常見的昆蟲，蝴蝶的翅膀具有極大的展弦比，基本接近于1∶1，這一特性導(dǎo)致蝴蝶在揮動翅膀進(jìn)行撲翼飛行的過程中需要克服極大的空氣阻力，這要求蝴蝶自身提供很大的輸出力矩，所以可以很直觀觀察到蝴蝶的撲翼頻率很慢，最高在10 Hz左右，相比果蠅可以達(dá)到250 Hz的撲翼頻率要低很多［1］。大多數(shù)具有狹長翅形的昆蟲在翅膀上下拍動時，會形成一個接近水平的劃水平面，因而翅膀無論是向上運動還是向下運動，都可以產(chǎn)生一個向上的升力，同時還可以通過調(diào)節(jié)撲翼方式，抵消向周圍位移的力，實現(xiàn)精準(zhǔn)的懸停飛行［2］，而蝴蝶則不同，無法懸停，其上下?lián)湟淼倪^程其實更類似于鳥類撲翼（蜂鳥除外，蜂鳥的撲翼方式與狹長翼昆蟲類似）。

但相比鳥類飛行，蝴蝶在結(jié)構(gòu)和飛行機制上也存在著許多的不同。首先，鳥類有比較寬大的尾巴，雖然同樣不能懸停，但通過尾巴控制面，鳥類可以進(jìn)行姿態(tài)和飛行控制［2］。其次，鳥類的翅膀附著有大量的羽毛，可以通過羽毛的收縮和舒展控制上下?lián)湟磉^程與空氣的接觸面積大小來形成升力阻力差。此外，鳥類的翅膀可以很靈活地伸展收回，這一特點應(yīng)用于撲翼飛行可以進(jìn)一步提升飛行時的升力，同時在上拍過程中通過收翼減小阻力。

所以，不同于傳統(tǒng)昆蟲和鳥類，蝴蝶有著自己獨特的撲翼飛行方式，同時由于其低頻撲翼特性，所以具有低噪聲、低功耗的優(yōu)點，近年來吸引了許多研究者對其撲翼機制進(jìn)行了深入研究，并且越來越多研究者開展了仿蝴蝶撲翼飛行器（Butterfly Inspired Flapping Wing Air Vehicle，BIFAV）的設(shè)計與實現(xiàn)研究。

本文著手于近年來研究者們在仿蝴蝶撲翼飛行器領(lǐng)域所取得的成果，主要從飛行機理、結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、撲翼驅(qū)動與控制方案方面進(jìn)行闡述分析，同時結(jié)合目前的研究指出了BIFAV 在尺寸大小、飛行靈活性、續(xù)航時間、控制魯棒性、仿生的逼真性方面存在的一些挑戰(zhàn)，最后在結(jié)束語中對BIFAV未來的研究發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 飛行機理

近二十年來，隨著人們對昆蟲、鳥類等生物飛行機理研究的不斷深入，想要成功設(shè)計并制造出一款可以飛行的仿生撲翼飛行器，至少需要滿足兩個條件，其一是產(chǎn)生足夠的升力和推力來克服重力飛行，其二是能夠保證穩(wěn)定可控飛行。關(guān)于仿蝴蝶撲翼飛行器飛行機理的研究，也主要是基于上述兩點開展的。

2.1 升力和推力機制

蝴蝶主要是通過“阻力原理”進(jìn)行拍動飛行，平衡身體重量的升力和克服身體阻力的推力均由翅膀的阻力提供，蝴蝶在下拍過程中會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)阻力，每次下拍中會產(chǎn)生一個由前緣渦、翅端渦及啟動渦構(gòu)成的強“渦環(huán)”，其包含一個沿拍動方向的射流，產(chǎn)生此射流的反作用力即翅膀的阻力［3］，如圖1 所示。平衡身體重量的升力主要由翅膀下拍中產(chǎn)生的阻力提供。上拍時，由于身體上仰，上拍實際是向后和向上拍動，提供了蝴蝶前進(jìn)過程中克服阻力的推力，如圖2所示。

圖1 蝴蝶下拍時翅面附近流場的等渦量面俯視圖[3]Fig.1 Top view of the isovortex surface of the flow field near the wing surface when the butterfly is shot down[3]

圖2 蝴蝶上拍時翅面附近流場的等渦量面俯視圖[3]Fig.2 Top view of the isovortex surface of the flow field near the wing surface when the butterfly is shot up[3]

北京航空航天大學(xué)的孫茂等就黑框藍(lán)閃蝶前飛時的氣動特性，通過在運動重疊網(wǎng)格上數(shù)值求解Naivie-Stokes 方程進(jìn)行了驗證，同時獲得了蝴蝶前飛過程中的升力、推力公式以及對應(yīng)的升力系數(shù)

式中，V，T，Cv分別代表升力、推力以及升力系數(shù)，ρ為流體密度，U為蝴蝶對應(yīng)流體的參考速度，S為翅膀面積［3］。

蝴蝶在上拍的過程中產(chǎn)生運動所需要的推力的同時，也不可避免地引入了一部分向下的力，這部分力會阻礙蝴蝶上升，值得注意的是這部分力雖然會抵消一部分下拍過程中產(chǎn)生的升力，但相較而言，這部分阻力要小得多。

俄亥俄州立大學(xué)的陳前川等設(shè)計了一款基于蝴蝶飛行原理的仿生蝴蝶樣機，如圖3 所示［4］。通過研究表明，仿生蝴蝶在下拍過程中，其前后翼會充分舒展，獲得最大的總迎風(fēng)面積，以得到更大的平均升力，而在上撲過程中，其前后翼會進(jìn)行一定的收攏，從而減小向下的空氣阻力，如此往復(fù)便可以得到一個向上的凈升力。

圖3 陳前川等設(shè)計的仿蝴蝶樣機[4]Fig.3 Imitation butterfly prototype designed by Chen Qianchuan et al[4]

自然界的昆蟲在撲翼過程中可以很靈活地去改變翅翼的迎風(fēng)面積，尤其是像蝴蝶這樣翼面積很大的個例，其翼面積可改變的空間很大，通過改變前后翅相互疊合的程度，可以很好地提升下拍過程中產(chǎn)生的升力和減小上拍過程中的負(fù)升力。

此外，蝴蝶翅膀柔性很大，在撲動過程中可以產(chǎn)生很大的柔性變形，可以向后推動更多的空氣，從而進(jìn)一步產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。

2.2 穩(wěn)定機制

事實上，為了保證飛行的穩(wěn)定性，蝴蝶除了需要撲動翅膀來獲得足夠的升力，還需要一定的機制去平衡運動，同時靈活地去調(diào)整飛行姿態(tài)，與鳥類利用尾翼平衡調(diào)整姿態(tài)以及果蠅等昆蟲高速前后拍打翅膀?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的翻滾操作不同，蝴蝶主要通過在拍打翅膀的同時靈活移動身體來完成各種飛行動作。

北京航空航天大學(xué)的Zhang Y等通過高速相機記錄了蝴蝶在自由飛行過程中腹部的擺動、翅膀的運動以及身體的俯仰角，證明蝴蝶的翅膀和身體在不同的飛行狀態(tài)下是存在耦合的，如圖4 所示［5］?；谶@一研究發(fā)現(xiàn)，建立了真實蝴蝶尺寸的三維剛體模型，并對其氣動特性進(jìn)行了仿真分析，得到了蝴蝶前飛的最優(yōu)運動學(xué)模型，此外還介紹了前飛過程中三維渦結(jié)構(gòu)的形成和變化，表明腹部擺動對蝴蝶撲翼過程中的重新定向和方向糾正起著關(guān)鍵作用。

圖4 高速相機下蝴蝶一次撲翼動作的分解[5]Fig.4 Decomposition of a butterfly’s flapping wing action under a high-speed camera[5]

針對這一特點，阿拉巴馬大學(xué)亨茲維爾分校的Sridhar 等也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，將所建立的模型與捕捉到的帝王蝶的運動進(jìn)行了比較，證明了蝴蝶腹部的抖動在增加帝王蝶爬升率和前進(jìn)速度的同時，還使其運動產(chǎn)生了一個穩(wěn)定的周期軌道。并且其通過仿真實驗得出俯仰運動的平衡位為34°時，在測試速度范圍內(nèi)，飛行速度對氣動力的影響是相對線性的。撲翼產(chǎn)生的平均升力和阻力隨飛行速度同步增大，瞬時氣動力峰值隨之增大。隨著升力不斷增大，阻力則先減小后增大。在選擇適當(dāng)?shù)倪\動學(xué)參數(shù)情況下，可以確保升力和推力足以實現(xiàn)飛行。此外撲翼角的幅值盡量不大，研究表明，蝴蝶在60°撲翼角時具有較大的平均升力，并產(chǎn)生一定的推力。蝴蝶根據(jù)不同的升力要求，通過胸腹調(diào)整身體俯仰運動從而實時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到最佳的運動性能［6］。

除此之外，Tejaswi 等更是在2021 年利用這一原理建立了撲翼無人機的動力學(xué)模型和控制系統(tǒng)。以帝王蝶為靈感，其模型為由頭部、胸部、腹部和兩個翅膀組成的鉸鏈體。利用流體上的準(zhǔn)定?？諝鈩恿W(xué)假設(shè)和拉格朗日學(xué)研究了其動力學(xué)原理，其次針對所提出的鉸鏈剛體模型設(shè)計了非線性的控制系統(tǒng)，通過這一控制系統(tǒng)產(chǎn)生胸部和腹部的最佳運動。其研究結(jié)果表面蝴蝶腹部的抖動提高了飛行的能量效率，減少了總能量和撲翼期間功率的變化，并通過提高收斂速度和擴大吸引力區(qū)域進(jìn)一步改善了飛行穩(wěn)定性，再一次印證了腹部抖動對于蝴蝶周期運動和飛行穩(wěn)定性的影響［7］。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造

近年來，除了對蝴蝶撲翼飛行機制的研究逐漸清晰之外，也有越來越多的研究者嘗試去設(shè)計和制作一些真正意義上的可自主撲翼的仿蝴蝶飛行器。近十年來，研究者們在仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造這一領(lǐng)域取得了不錯的研究成果。下面分別闡述仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝情況。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

關(guān)于仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別就四翅型結(jié)構(gòu)和兩翅型結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

3.1.1 四翅型結(jié)構(gòu)

首先需要提及的是總部位于德國Esslingen 的一家涉足于仿生機器人領(lǐng)域的公司——Festo。它于2016 年申請通過了一項關(guān)于仿生蝴蝶的專利并將該仿蝴蝶撲翼飛行器命名為eMotionButterfly［8］。

Festo 通過材料、工藝與制造整合，研制出一款真正可以飛行的機械仿生蝴蝶，如圖5 所示。其機身以及翅脈完全采用輕質(zhì)高強度高韌性的碳纖維材料，同時在翅脈上披覆有彈性電鍍膜翼面，整體翅膀具有很好的柔性。通過測量與測試，F(xiàn)esto 設(shè)計制造的仿生蝴蝶翼展為50 cm，質(zhì)量僅有32 g，撲翼頻率不到 3 Hz，具備集群活動與自主避障的能力，飛行速度為 1～2.5 m/s，飛行時間可持續(xù) 3～4 min。

圖5 Festo仿生蝴蝶eMotionButterfly[8]Fig.5 Festo bionic butterfly eMotionButterfly[8]

相比國外，國內(nèi)對于仿蝴蝶撲翼飛行器的研究雖然較晚，但在設(shè)計與制造方面也做了許多的嘗試。上海交通大學(xué)的冷燁等針對Festo 的仿生蝴蝶進(jìn)行了研究，并自主設(shè)計出一套仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)制造方案，其翼內(nèi)邊緣和翼梁角度在70°～110°，翼內(nèi)邊緣可以平行于軀干縱向軸線，相對于身體縱向軸線占據(jù)銳角。此外，其飛行器副翼設(shè)計成柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，主翼在副翼之上，在下拍過程中主翼通過與副翼重疊部分帶動整個翅膀向下拍動，迎風(fēng)面積最大，而在翅膀上撲時，由于副翼在主動翼下方，且連接處為柔性鉸鏈，所以主翼和副翼在上撲這一階段會產(chǎn)生一個相位差，從而使迎風(fēng)面逐漸減小，最終獲得一個向上的凈升力。根據(jù)此套方案加工組裝后的樣機如圖6 所示，其翼展為49.8 cm，機身長37.9 cm，總質(zhì)量32.2 g，撲翼頻率在1 Hz 左右，最大拍打角和扭轉(zhuǎn)角分別為136°和30°［9］。

圖6 上海交通大學(xué)設(shè)計的仿生蝴蝶樣機[9]Fig.6 Bionic butterfly prototype of Shanghai JiaoTong University[9]

3.1.2 兩翅型結(jié)構(gòu)

除了類Festo 構(gòu)型的仿蝴蝶撲翼飛行器，一些研究者對于其他一些構(gòu)型的蝴蝶也做了嘗試。北京航空航天大學(xué)的Chi X 等基于仿生原理，設(shè)計并制造了一種無尾蝶式仿生撲翼飛行器，與Festo 不同，北京航空航天大學(xué)的仿生蝴蝶并未采用四翅的方案，而是在翅膀設(shè)計之初將其簡化為兩翅模型。不過翅膀仍是采用薄膜與超高模量碳纖維棒來制作，如圖7 所示。在機身部分，該研究團隊選用塑料材料，并且自主設(shè)計了每個零件的內(nèi)部構(gòu)造，按照需求使得機翼可以通過機身上的固定接頭保持在適當(dāng)位置，方便翅膀沿著平行于跨度方向的軸旋轉(zhuǎn)。最終樣機的翼展為64.8 cm，整機質(zhì)量為38.6 g，撲翼頻率為2 Hz，飛行速度1.5 m/s，可在一定條件下實現(xiàn)1 min的巡航飛行［10］。

圖7 北京航空航天大學(xué)設(shè)計的仿生蝴蝶翅膀構(gòu)型[10]Fig.7 Bionic butterfly wing configuration designed by Beihang University[10]

南京航空航天大學(xué)的程宏寶同樣采用了其他構(gòu)型，以黑框藍(lán)閃蝶為基礎(chǔ)原型，對仿蝴蝶撲翼飛行器進(jìn)行了設(shè)計。與北京航空航天大學(xué)類似，南航也是采取兩翼式的簡化方式，如圖8 所示。但與之前的研究者不同的是，其在設(shè)計翅膀時并未采用碳纖維包絡(luò)翅膀外緣的方式，而是進(jìn)一步進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化。并且對該構(gòu)型的翅脈排布方式進(jìn)行了建模仿真，在結(jié)構(gòu)簡化的基礎(chǔ)上得出了最優(yōu)的翅脈排布方式。根據(jù)此套方案設(shè)計出來的仿生蝴蝶翼展為49.3 cm，質(zhì)量控制在31.45 g，通過試飛測得最大撲翼頻率可達(dá)6 Hz，相比Festo 的仿生蝴蝶有了很大的提升，飛行速度達(dá)1 m/s，續(xù)航時間3 min，飛行高度2 m［11］。

圖8 南京航空航天大學(xué)設(shè)計的仿生蝴蝶構(gòu)型[11]Fig.8 Bionic butterfly configuration designed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[11]

3.2 制造工藝

在仿蝴蝶撲翼飛行器的制造工藝方面，研究者們根據(jù)自身的探索獲得了許多可行的制造方案。

首先是撲翼結(jié)構(gòu)材料方面。大多數(shù)研究團隊都是采用高強度輕質(zhì)碳纖維棒作為翅脈主材料，然后在碳纖維棒上披覆輕質(zhì)薄膜，至于機架和連接件也大多采用聚酯材料或碳纖維。但也有特例，例如，日本東京大學(xué)的研究團隊就采用輕木木材、聚氨酯和聚合物薄膜加上橡皮筋制成了一種人造蝴蝶，其自重可以低至與普通鳳蝶相近，可以維持幾秒鐘的飛行［12］。

其次是撲翼翅膀制造方法。仿蝴蝶撲翼飛行器主要性能好壞很大程度上取決于翅膀的制造，其主要的制造難點就在于如何將翅膜披覆至翅脈上。最直接的方法就是使用透明膠或者雙面膠直接將翅膜固定在翅脈上，例如南京航空航天大學(xué)設(shè)計的仿生蝴蝶。但此類方法比較適合于翅膀結(jié)構(gòu)較簡單的構(gòu)型，因為透明膠粘合的強度和持久度都不是很好［13］。第二種方法就是采用中間連接套管的方式，事先對翅脈交界處設(shè)計連接套管，然后將套管用高強度膠水（如401 膠水）粘在翅膜對應(yīng)的位置，再將翅脈插到套管上相應(yīng)的位置，此類方法適用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的翅膀構(gòu)型，缺點在于要適當(dāng)選擇翅膜和使用的膠水，因為不同膠水在不同材質(zhì)膜上的粘黏效果差別很大［14］。最后一種是叫做真空袋工藝的制造方法［15］。它采用碳纖維預(yù)浸料為翅脈材料，利用碳纖維預(yù)浸料本身帶有的膠，可以將其按預(yù)設(shè)的翅脈分布方案暫時粘在PET 膜上，然后將真空袋組合結(jié)構(gòu)放入恒溫箱中，利用抽氣泵形成袋內(nèi)真空環(huán)境，使組合結(jié)構(gòu)在高溫高壓的環(huán)境下烘烤。烘烤過后的碳纖維預(yù)浸料具有較高的強度，且與PET 膜牢固地粘連，這樣便可以得到一個完整的翅膀。成形后的翅膀依靠翅脈的支撐，具有一定的剛度與穩(wěn)定的形態(tài)，不會輕易地發(fā)生翅膀平面內(nèi)方向的折疊、變形。其優(yōu)點是質(zhì)量輕且更加可控，受手工精度影響更小，但同時需要實際去試驗包括預(yù)浸料寬度、厚度以及翅脈排布等因素在內(nèi)的參數(shù)，否則制造出來的翅膀剛度會很大，無法發(fā)生足夠的柔性形變，并且還會很脆，容易受到撞擊而斷裂。

最后是關(guān)于機架和連接件的制造方法。機架的選取基本都是采用管徑稍大的碳纖維桿。而連接件則是包括舵機與機架、舵機與翅膀以及前文所提及的翅膀上可能存在的一些翅脈套管，這些部分的制造主要有兩種方案。其一是采用3D 打印直接成型，主要針對一些立體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的部件［16］；其二是使用碳纖維板材進(jìn)行激光切割制造，主要針對一些結(jié)構(gòu)不復(fù)雜但是強度要求很高的部件［17］。

4 撲翼驅(qū)動與控制方案

本部分介紹仿蝴蝶飛行器撲翼撲動的驅(qū)動方式、撲翼拍打傳動機構(gòu)、驅(qū)動動力源及其飛行姿態(tài)控制方法。

4.1 撲翼的驅(qū)動方式

現(xiàn)有的大多數(shù)仿昆蟲以及仿鳥飛行器的撲翼驅(qū)動方案主要集中在直流電機驅(qū)動、壓電驅(qū)動以及電磁驅(qū)動這三種。

直流電機通常被用作傳統(tǒng)無人機和仿生撲翼飛行器的主要推進(jìn)系統(tǒng)，因為它具有高效率、高魯棒性、低成本和低電壓運行時的高功率密度等優(yōu)點，適用于機載電源，如鋰聚合物電池。然而，與大多數(shù)微型無人機中電機直接驅(qū)動螺旋槳的方式不同，仿生撲翼飛行器通常需要齒輪箱來放大電機的輸出扭矩，并需要傳動機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為機翼的相互運動，這會導(dǎo)致重量增加、功率損失和飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。在昆蟲的小尺度下，低效的驅(qū)動性能和制造技術(shù)難度限制了直流電機在超微型撲翼飛行器中的使用［18-19］。而壓電驅(qū)動方式由于響應(yīng)速度快、驅(qū)動位移和驅(qū)動力較大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在小尺度的皮級及納級飛行器中得以廣泛應(yīng)用［20-22］。但壓電驅(qū)動器由于需要很高的工作電壓（通常是上百伏），故而電磁驅(qū)動器成為又一昆蟲級仿生微撲翼飛行器的替代驅(qū)動策略，因其工作電壓低避免了使用復(fù)雜的電力電子設(shè)備。因此，許多電磁驅(qū)動的仿生撲翼飛行器被開發(fā)出來［23-25］。

這三種不同的驅(qū)動方式也對應(yīng)著撲翼飛行器相應(yīng)的翼展尺度和質(zhì)量大小，如圖9 所示。根據(jù)翼展和樣機質(zhì)量的不同，仿生撲翼飛行器一般可以分為微型級飛行器（翼展＜ 1 m，質(zhì)量＜ 2 kg［26］）、納級飛行器（翼展＜ 75 mm，質(zhì)量＜ 10 g［27］）和皮級飛行器（翼展＜ 50 mm，質(zhì)量＜ 500 mg［28］）。圖中PAV、NAV、MAV 分別代表皮級［26］、納級［27］以及微型級［28］仿生撲翼飛行器。

圖9 采用不同驅(qū)動器的撲翼飛行器自身質(zhì)量與翼展的關(guān)系[2]Fig.9 The relationship between the mass and wingspan of a flapping wing aircraft with different drives[2]

針對目前仿生蝴蝶飛行器的尺寸，其驅(qū)動方式應(yīng)采用直流電機驅(qū)動的方式，由于仿生蝴蝶飛行器的撲翼頻率低，同時翅膀面積大，在拍打過程中受到空氣的阻力遠(yuǎn)比一般昆蟲大，這就需要驅(qū)動器能夠提供足夠大的輸出力矩。因此，包括Festo 在內(nèi)，上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及南京航空航天大學(xué)等研究機構(gòu)，其仿生蝴蝶的驅(qū)動方案都是采用含有伺服電機的微型舵機直驅(qū)的方式。相比電機驅(qū)動，舵機中的伺服電機具有速度慢、輸出力矩大的特性，可以很好匹配蝴蝶撲翼頻率低、撲翼阻力大的特點。此外，舵機直驅(qū)的方式節(jié)省了中間的傳動裝置，使結(jié)構(gòu)更為簡潔，如果換用電機驅(qū)動，為了提供足夠大的輸出力矩，需要在驅(qū)動器與翅膀之間添加一定的減速機構(gòu)，這無疑增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。

4.2 撲翼拍打傳動機構(gòu)

除了舵機直驅(qū)撲翼機構(gòu)，下面介紹仿蝴蝶飛行器的其它多種撲翼拍打的動力傳動機構(gòu)。

上海交通大學(xué)的Zhou 等針對昆蟲飛行時的“8-字形”撲翼拍打方式，設(shè)計了一款能夠產(chǎn)生“8-字形”撲動軌跡的撲動機構(gòu)，如圖10所示。該機構(gòu)由齒輪組、連桿機構(gòu)、復(fù)合鉸鏈與機架構(gòu)成，整體撲動機構(gòu)質(zhì)量約6.8 g。隨后，將該機構(gòu)應(yīng)用于其設(shè)計的仿蝴蝶撲翼飛行器上。測試結(jié)果表明，該撲翼飛行器可以產(chǎn)生完整的“8-字形”軌跡，且具有一定的強度，可以承受最大頻率為 15 Hz的拍打，同時表明在拍擊振幅為60°的情況下，“8-字形”的拍打機構(gòu)有望產(chǎn)生比普通直線拍打機構(gòu)更大的升力，說明“8-字形”的模擬拍打方法確實可以在一定程度上提高升力，也印證了為何自然界的部分昆蟲會采取“8-字形”的撲翼方式［29］。

圖10 “8字形”撲動機構(gòu)[29]Fig.10 “8-shaped” flapping mechanism[29]

2013 年南昌航空航天大學(xué)的雷亞超提出過一種齒輪傳動撲翼機構(gòu)的驅(qū)動方案，如圖11 所示。以平面四桿機構(gòu)為基礎(chǔ)，通過解析法設(shè)計了具有急回特性的撲翼機構(gòu)，并以 solidworks 軟件為平臺，建立了撲翼機構(gòu)的三維模型，進(jìn)行了撲翼機構(gòu)的運動仿真，其把仿真結(jié)果與解析法設(shè)計的撲翼機構(gòu)的運動特性進(jìn)行了比較，驗證了解析法設(shè)計急回特性的撲翼機構(gòu)的可行性和可靠性［30］。

圖11 南昌航空航天大學(xué)設(shè)計的仿生蝴蝶撲翼機構(gòu)[30]Fig.11 Bionic butterfly flapping wing mechanism designed by Nanchang University of Aeronautics and Astronautics[30]

河海大學(xué)研究團隊基于曲柄搖桿連桿機構(gòu)設(shè)計了一款由曲柄滑塊和導(dǎo)桿組成的撲翼機構(gòu)，使得仿生蝴蝶可以無程序控制速度和轉(zhuǎn)矩變化，如圖12 所示。曲柄連桿機構(gòu)的輸入由無刷直流電動機驅(qū)動的一級減速器提供，可實現(xiàn)機翼的周期性撲動，并可調(diào)節(jié)機翼的撲動頻率。同時該飛行器設(shè)有轉(zhuǎn)向尾和升降尾，其輸入由舵機提供，實現(xiàn)了飛行高度和方向的可控性。將運動學(xué)和動力學(xué)建模的仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對比分析，證明了該飛行機構(gòu)的可行性［31］。該飛行撲動結(jié)構(gòu)簡單，為仿生撲翼機構(gòu)提供了一種新的可行方案。

圖12 河海大學(xué)設(shè)計的撲翼機構(gòu)[31]Fig.12 Flapping wing mechanism designed by Hehai University[31]

北京科技大學(xué)的賀威團隊設(shè)計了一款基于線驅(qū)轉(zhuǎn)向的仿蝴蝶撲翼飛行器USTButterfly-S，其驅(qū)動方式和控制方式較舵機直驅(qū)的仿生蝴蝶有了很大的改變。首先，其主體的驅(qū)動器由兩個舵機換成了一個空心杯電機，通過其自制的減速傳動機構(gòu)，將電機的轉(zhuǎn)動通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)化為翅膀的拍動動作，如圖13所示。

圖13 USTButterfly-S的驅(qū)動機構(gòu)[1]Fig.13 USTButterfly-S’s driving mechanism[1]

此種驅(qū)動方式雖然省去了兩個舵機，減小了一部分質(zhì)量，但也使得兩翼的運動一直都是同步，無法完成姿態(tài)變化，故而其團隊提出了一種線驅(qū)的運動控制方式，即通過兩根細(xì)線連在兩翼上，然后將兩線纏繞至一個極輕的微型舵機上，通過控制舵機的轉(zhuǎn)向來向不同方向拉緊細(xì)線，從而達(dá)到控制兩翼不同撲翼行為的目的，如圖14 所示。最終制作的USTButterfly-S 仿生蝴蝶樣機的翼展為50 cm，質(zhì)量50 g，最大撲翼頻率達(dá)5 Hz，可實現(xiàn)長達(dá)5 min的自由可控飛行［1］。

圖14 USTButterfly-S轉(zhuǎn)向機構(gòu)[1]Fig.14 USTButterfly-S’s steering mechanism[1]

綜上所述，雖然舵機直驅(qū)是目前仿蝴蝶撲翼飛行器的主流驅(qū)動結(jié)構(gòu)，但沒有傳動機構(gòu)，舵機本身還是難以完成一些精巧的動作，故而上述研究者對于仿蝴蝶撲翼飛行器撲翼拍打傳動結(jié)構(gòu)的研究，為進(jìn)一步提高仿生蝴蝶的撲翼效率提供了重要幫助。

4.3 驅(qū)動動力源

仿蝴蝶撲翼飛行器的驅(qū)動動力源大多采用高密度鋰電池，相比傳統(tǒng)電池，在為飛行器的飛行提供足夠電量滿足長時間飛行的同時，可以很大程度上減小飛行器的負(fù)載。

除了搭載鋰電池外，有些研究團隊也基于一些巧妙的機械儲能手段，為仿生蝴蝶提供動力源，比如日本東京大學(xué)的團隊利用橡皮筋的儲能特性完成了仿鳳蝶撲翼機的短暫飛行［12］。雖然這一方法暫時不能維持仿蝴蝶撲翼飛行器的持久飛行，但為仿蝴蝶撲翼飛行器飛行時的能量節(jié)省提供了思路。事實上，柔性元件除了存儲能量，另一方面可以提高傳動效率。上海交通大學(xué)的鄒才均等就曾研究過高效柔性傳動鉸鏈在仿昆蟲撲翼飛行器中的應(yīng)用，其設(shè)計的整個傳動機構(gòu)的串聯(lián)剛度是其并聯(lián)剛度的135 倍，滿足了高效傳遞能量的要求；翅膀撲打角峰值達(dá)到99.6°，較好地符合了仿昆撲翼微飛行器的設(shè)計要求［32］。

4.4 飛行姿態(tài)控制方法

借鑒昆蟲的飛行控制策略，目前針對撲翼飛行器的飛行姿態(tài)（指俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航角度）已經(jīng)提出了許多控制方法，并在無尾撲翼飛行器中成功地實現(xiàn)了受控飛行。

為了控制撲翼飛行器的俯仰運動，平均升力矢量可以在質(zhì)心前后移動或傾斜，從而產(chǎn)生俯仰扭矩，這可以通過調(diào)節(jié)翅膀扭曲來實現(xiàn)［27］。而控制滾轉(zhuǎn)運動的方法有兩種，其一是通過左右翼的不對稱升力來實現(xiàn)［27，33-34］，其二是通過改變沖程平面以產(chǎn)生側(cè)向力，利用旋轉(zhuǎn)撲翼機構(gòu)使兩翼的沖程平面向同一方向傾斜實現(xiàn)［35］，由于固定的翼根梁支持額外的滾轉(zhuǎn)扭矩來控制滾轉(zhuǎn)，因此傾斜會導(dǎo)致兩翼產(chǎn)生不對稱扭曲。偏航運動不影響無尾式撲翼飛行器的垂直穩(wěn)定性，這意味著沒有偏航控制，仍然可以停留在空中。然而，由于不對稱機翼運動產(chǎn)生的初始偏航力矩并不能完全抵消，撲翼飛行器可能會圍繞其機體軸旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致航向控制困難。此外，與俯仰和滾轉(zhuǎn)控制不同，偏航運動通?？梢酝ㄟ^在左右翼產(chǎn)生相反的水平力來控制，例如納米蜂鳥在撲動過程中，就通過不對稱調(diào)節(jié)兩翼的翼根梁來改變攻角從而產(chǎn)生偏航力矩［36-37］。

仿蝴蝶撲翼飛行器作為無尾式撲翼飛行器的代表，其俯仰翻滾及偏航的控制原理基本如上。至于具體到控制器的選用，目前幾乎所有研究的仿蝴蝶飛行器樣機都是采用意法半導(dǎo)體stm32芯片為核心微控制器，可以實現(xiàn)兩個微型舵機對各自翅膀的獨立控制。微控制器通過分別輸出不同的PWM 波來驅(qū)動兩側(cè)舵機從而控制兩翼的動作不一致，最終實現(xiàn)俯仰、翻滾及偏航操作。

除了基本的驅(qū)動與控制，上述的一些仿蝴蝶撲翼飛行器還在微型控制器內(nèi)部集成了姿態(tài)傳感器。例如Festo 的仿蝴蝶飛行器，在幫助飛行器校準(zhǔn)姿態(tài)的同時還能根據(jù)室內(nèi)定位系統(tǒng)提供的定位，實現(xiàn)仿生蝴蝶的室內(nèi)自主飛行。除此之外，外部運動捕捉相機［36，38-39］、車載傳感器、MEMS 陀螺儀等傳感元件，目前都廣泛用于仿蝴蝶撲翼飛行器的環(huán)境感知和姿態(tài)反饋。

5 總結(jié)分析

現(xiàn)有的仿蝴蝶撲翼飛行器的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，表中研究者未命名的仿蝴蝶撲翼飛行器名稱統(tǒng)一采用IBA（Imitation Butterfly Flapping Wing Aircraft）加編號的方式表示。此外，軀干質(zhì)量是除翅膀質(zhì)量和驅(qū)動器質(zhì)量之外所有質(zhì)量的總和。通過表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這些仿生蝴蝶撲翼機各項結(jié)構(gòu)存在著一定的規(guī)律。

表1 現(xiàn)有仿生蝴蝶撲翼飛行器各項結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Structural parameters of existing bionic butterfly flapping wing aircraft

首先，所研制的仿蝴蝶撲翼飛行器質(zhì)量基本都在30～50 g 的范圍內(nèi)；其翼展基本維持在半米左右，說明仿生蝴蝶的尺度與其質(zhì)量是有著很大相關(guān)性的，要想產(chǎn)生足夠大的升力，就需要一對足夠大的翅膀來維持。其次，通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蝴蝶翅膀的翼面積減小時，需要通過提高撲翼的頻率來獲得足夠的升力。目前相比自然界的蝴蝶，仿生蝴蝶的尺度基本是其五倍左右，根據(jù)這一特點，如果想要接近或者達(dá)到真實蝴蝶的尺度，必須在撲翼頻率上做到進(jìn)一步提升。最后，通過分析翅膀質(zhì)量占比可知，在設(shè)計與制造仿生蝴蝶時，有相當(dāng)一部分的質(zhì)量都是留給了翅膀，這也與仿生事實相吻合。自然界蝴蝶很大一部分的質(zhì)量都是集中在翅膀上，這一比例大約在30%左右。

對現(xiàn)有的仿蝴蝶撲翼飛行器的驅(qū)動參數(shù)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，如表2 所示。其中，質(zhì)量一欄表示的是兩個舵機（針對舵機直驅(qū)方案）或者整套驅(qū)動系統(tǒng)（針對電機傳動與舵機轉(zhuǎn)向方案）的總質(zhì)量，驅(qū)動部分質(zhì)量占比也是這一質(zhì)量占總飛行器質(zhì)量的比例值。通過表2 也發(fā)現(xiàn)了許多仿生蝴蝶飛行器研制的關(guān)鍵問題。對比分析發(fā)現(xiàn)，仿生蝴蝶飛行器能否克服重力起飛，驅(qū)動器有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)表2 可以得出，對于舵機直驅(qū)的方案而言，驅(qū)動器的輸出力矩對仿蝴蝶撲翼飛行器的升力獲得有決定性的作用。國內(nèi)三款舵機直驅(qū)式仿生蝴蝶中有兩款舵機輸出力矩均可達(dá)到3 kg·cm 以上，而這兩款都可以順利克服重力起飛；相比之下，無法克服重力起飛的一款，其舵機輸出力矩要小的多。之前分析過蝴蝶在撲翼過程中由于翅膀面積很大，受到的空氣阻力也很大，所以對舵機的輸出力矩有很高要求。雖然換用小型輕質(zhì)舵機可以減小很大一部分質(zhì)量，但通過數(shù)據(jù)可以很明顯地看到，在質(zhì)量減小一倍的同時，舵機的輸出力矩只有原來的五分之一，很顯然輸出力矩下降遠(yuǎn)比質(zhì)量下降更快，故而盲目更換輕質(zhì)舵機是不可取的。

表2 現(xiàn)有仿生蝴蝶撲翼飛行器各項驅(qū)動參數(shù)表Table 2 Drive parameters of the existing bionic butterfly flapping wing aircraft

通過分析表中四款可以克服重力起飛的驅(qū)動機構(gòu)質(zhì)量占比也發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計現(xiàn)有尺度的仿生蝴蝶時，驅(qū)動部分的質(zhì)量占比預(yù)算基本在30%～40%。因此，結(jié)合之前翅膀的分析情況，可以總結(jié)得出在設(shè)計一款仿生蝴蝶飛行器時，確定其驅(qū)動器參數(shù)的步驟流程，如圖15 所示。在確定整機總重的情況下，可以大致確定其翅膀質(zhì)量以及驅(qū)動器質(zhì)量。由于上述飛行器基本都是采用輕質(zhì)薄膜以及碳纖維桿材作為翅膀原材料，故而在確定翅膀重量的前提下可以大致確定翅膀尺度。由于飛行器總重已事先確定，因此所需要的升力是一定的，在確定所需要的升力以及翅膀的大致面積之后，便可以以此為依據(jù)大致推斷飛行器所需要達(dá)到的撲翼頻率范圍。翅膀的尺度和撲翼頻率決定翅膀在撲翼過程中所受到的空氣阻力大小，以此為依據(jù)便可估算驅(qū)動器所需要的輸出力矩大小，再結(jié)合設(shè)計之初確定的驅(qū)動器質(zhì)量范圍，便可以進(jìn)行驅(qū)動器驅(qū)動方案選擇。

圖15 確定仿蝴蝶撲翼飛行器驅(qū)動器的步驟流程圖Fig.15 Flow chart of determining the drive of a butterfly inspired flapping wing aircraft

6 當(dāng)前研究挑戰(zhàn)

與固定翼和旋翼飛行器相比，仿生撲翼飛行器具有氣動噪聲小、機動靈活性強以及仿生隱蔽性好等優(yōu)點［40］，因而在民用和軍事領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景［41］。但目前仿蝴蝶撲翼飛行器的研究面臨的許多問題使得其無法很好地發(fā)揮這些優(yōu)點。

首先是尺度問題。根據(jù)翼展和樣機質(zhì)量的不同，由前面介紹的微型級飛行器、納級飛行器和皮級飛行器的定義可知，現(xiàn)有仿生蝴蝶飛行器的尺度才剛剛踏入微型級別的飛行器尺度領(lǐng)域，其半米甚至接近于1 m的翼展尺度，顯然暫時很難勝任諸如偵察的軍事任務(wù)。

第二是飛行靈活性問題。目前所制造出來的仿蝴蝶撲翼飛行器由于設(shè)計時自身結(jié)構(gòu)的局限性，除了起飛之外，暫時只能完成一些簡單的轉(zhuǎn)向動作，無法主動完成真正意義上的俯仰及翻滾動作。相比普渡大學(xué)研究的蜂鳥機器人可以模擬蜂鳥完成快速回避動作［42］，代爾夫特大學(xué)的DelFly Nimble 可以完成懸停和避障，甚至可以模仿果蠅完成“極限逃生”任務(wù)［43］，仿生蝴蝶飛行器現(xiàn)階段所能完成的動作極為有限，很難承擔(dān)一些對動作精確性要求很高的任務(wù)，諸如救災(zāi)勘探［44］。

第三是續(xù)航時間問題。之前許多仿鳥以及仿昆蟲的撲翼飛行器都在續(xù)航時間上取得了不錯的成果。例如，西北工業(yè)大學(xué)在2020 年研制的“信鴿”仿鳥撲翼飛行器，其續(xù)航時間可到20 min［45］，兩年后研制的“云鸮”仿生撲翼飛行器續(xù)航甚至可達(dá)123 min，當(dāng)然鳥類由于其翅膀結(jié)構(gòu)特性，相比昆蟲可以通過滑翔來提升續(xù)航。相應(yīng)的，在仿昆蟲領(lǐng)域，代爾夫特大學(xué)研制的四翼飛行器質(zhì)量為37.9 g，與仿蝴蝶撲翼飛行器的質(zhì)量相當(dāng)，在完成復(fù)雜任務(wù)的同時，其續(xù)航可達(dá)9 min 以上［46］，相比之下，目前仿蝴蝶撲翼飛行器的續(xù)航時間基本都在5 min以下，仍然有較大差距。

第四是飛行器控制魯棒性問題。在自然界中，昆蟲所面臨的飛行環(huán)境復(fù)雜且時刻變化，再加上其固有的飛行不穩(wěn)定性［47-48］，昆蟲便需要依靠自身的主動反饋系統(tǒng)（包括鳥類也是類似）在空中保持穩(wěn)定［49］。反映到仿生撲翼飛行器上，反饋系統(tǒng)就是指各種各樣的傳感器，包括攝像頭、天線、姿態(tài)傳感器等，對應(yīng)于昆蟲的單眼［50］、觸須［51］、平衡棒等。這些感覺器官幫助昆蟲感知姿態(tài)偏差，并通過控制機制來產(chǎn)生補償控制力，否則昆蟲就無法飛行［49］。但是目前的仿蝴蝶撲翼飛行器，雖然在其控制機制中融合了諸如MPU6050 這樣的姿態(tài)感知元件，但在現(xiàn)實應(yīng)用中，對于姿態(tài)感知以及主動反饋系統(tǒng)的研究還很缺乏，故而目前基本所有的仿生蝴蝶飛行器都是在室內(nèi)或者微風(fēng)的理想室外環(huán)境進(jìn)行飛行測試。對于在其他復(fù)雜環(huán)境下如何保持飛行器的控制魯棒性這一問題，還缺少研究。

最后是撲翼動作逼真性問題。相比目前仿蝴蝶撲翼飛行器舵機直驅(qū)或是電機驅(qū)動線驅(qū)轉(zhuǎn)向的驅(qū)動方式，自然界的蝴蝶在實際撲翼過程中的動作要更加靈活精細(xì)。雖然之前的研究也有將昆蟲“8字形”撲翼方式應(yīng)用于仿生蝴蝶的嘗試，但針對蝴蝶其他復(fù)雜撲翼機制的仿生工作還十分欠缺。相比之下，對于其它仿昆蟲的撲翼飛行機器人，諸如四連桿［52-53］、曲柄滑塊［54-55］、曲柄軸［56-57］、曲柄搖桿［52，58］和一些基于弦的機構(gòu)［27，59］，都被應(yīng)用于模擬昆蟲的拍打運動機構(gòu)中。因此，針對仿蝴蝶撲翼飛行器，完全用舵機直驅(qū)的方式來模擬蝴蝶的撲翼動作，從仿生學(xué)上來講是很粗糙的。

7 結(jié)束語

綜上所述，在未來很長一段時間內(nèi)，仿蝴蝶撲翼飛行器的研究仍將是一個很有挑戰(zhàn)性的課題，未來的發(fā)展方向主要有：

（1）進(jìn)一步縮小現(xiàn)有仿生蝴蝶的尺寸，使之更接近真實的蝴蝶。通過之前的分析，要達(dá)成這一目標(biāo)，必須去尋求體型更輕巧、能量密度更高的驅(qū)動器，才能使整體仿生蝴蝶的尺度降低。一方面可以專門針對蝴蝶驅(qū)動特性去研制更個性化的電機或微型舵機，另一方面尋求壓電驅(qū)動、聚合物復(fù)合人工肌肉等其他驅(qū)動方式的解決方案，來滿足驅(qū)動器重量輕、能量密度高的要求。

（2）努力提高仿生蝴蝶飛行器的飛行穩(wěn)定性進(jìn)而提升其靈活性。一方面可以針對蝴蝶撲翼特點，設(shè)計更合適的傳動機構(gòu)，同時針對電機驅(qū)動進(jìn)行更精細(xì)化的控制；另一方面不斷優(yōu)化仿蝴蝶撲翼飛行器的自身主動反饋系統(tǒng)，進(jìn)一步應(yīng)用傳感器技術(shù)，同時將之前理論研究部分關(guān)于蝴蝶腹部抖動控制姿態(tài)穩(wěn)定的類似原理，實際應(yīng)用在撲翼機上。

（3）制造更為仿生的仿蝴蝶撲翼飛行器?，F(xiàn)有的仿生蝴蝶雖然從外形上看很接近真實蝴蝶，但從一些更為細(xì)致的角度去觀察就會發(fā)現(xiàn)仍存在許多的不足。比如蝴蝶的翅膀分布著極其復(fù)雜的翅脈，并且蝴蝶的翅膀從根部到邊緣，剛度也是越來越低，這一點也與翅脈的分布有很大關(guān)系；但是現(xiàn)有仿生蝴蝶都是采用均質(zhì)碳纖維棒，并進(jìn)行比較規(guī)律的排布。顯然，未來在模擬翅脈排布、制造更為仿生的蝴蝶翅膀方面，還有許多研究的空間。

（4）推進(jìn)仿蝴蝶撲翼飛行器的實際應(yīng)用。撲翼飛行器在研究之初，便是希望其可以在旋翼和固定翼飛行器難以勝任的場合承擔(dān)一些工作，比如軍用偵察、救災(zāi)勘探等。如何將仿生蝴蝶與這些應(yīng)用場景有機結(jié)合起來，是未來研究的最終目標(biāo)。