哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 中转。扑翼飞行器即可做一个小型的飞行式中继站，来完成信号的中转放大。同 样，扑翼飞行器可以实现很好的潜入实施电子干扰，功率不足可以通过增加飞行 器的数量来弥补。在一些特种作战环境下，人们无法直接进入，比如说核环境、 生化环境以及一些建筑物的内部，扑翼飞行器则可以轻松的进入，并且可以较长 时间的停留进行采样、监测和引导等任务。 在民用领域，扑翼飞行器也具有广泛的用途，比如环境监测、航空测绘、农 业勘测、灾情监测、道路监控、野外搜救、城区监视和机场驱鸟等 扑翼飞行器的设计，是一个多学科交叉的研究过程。其研制不仅会助推扑翼 空气动力学的发展，还涉及到许多相关领域的关键技术6)，例如新型材料、部件 微型化、微型动力源、自主控制及数据通信等。扑翼飞行器在研究中对尺寸和质 量做了规定，这要求除了采用新型轻质材料，还要使机载控制部件如控制板、制 动器、陀螺仪、摄像头等在满足要求的情况下不断缩小尺寸。目前已有学者采用 电热记忆材料进行折叠翼的研究1]，在微电机领域，出现了尺寸更小重量更轻的 直线电机，输出端输出往复的直线运动，适合研究尺寸更小的微扑翼飞行器。 扑翼飞行器是微型侦察机发展的新趋势，对新技术和气动理论的发展都有巨 大的推动作用，其研制不论在军事还是在民用领域，都具有重要的战略意义。 1.2国内外的研究现状 自从上世纪九十年代提出微型飞行器的概念之后，美国、德国、荷兰、日本、 印度、以色列等国家都相继成立了专项研究机构，投入大量科研经费，开展微型 飞行器及相关技术的研究，并且都取得了不小的成果18,1]。起初的研究重点主要 放在了固定翼和旋翼飞行器上，随着样机尺寸的越来越小，扑翼开始受到重视并 迅速发展。美国由于DARPA、NASA以及军方的资助，与大学、科研机构以及公 司合作研发，发展最快。我国的研究主要在一些高校进行，也都有可飞行的记录， 在样机研究和气动理论方面都相应的取得了不少成果。 1.2.1国外研究现状 扑翼样机的出现基本上都是上世纪90年代开始的，这是由工业技术和扑翼空 气动力学的发展水平决定的。其中有一些国家还进行了载人扑翼的研究，加拿大 多伦多大学研制的载人扑翼机，在1991年进行了该机14模型概念机的试飞，并 取得成功，美国FI组织认为这是第一次遥控机械驱动扑翼机的成功飞行202。 此后随着微型飞行器概念的提出，各国纷纷展开了小尺寸扑翼的研究
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -4- 中转。扑翼飞行器即可做一个小型的飞行式中继站，来完成信号的中转放大。同 样，扑翼飞行器可以实现很好的潜入实施电子干扰，功率不足可以通过增加飞行 器的数量来弥补。在一些特种作战环境下，人们无法直接进入，比如说核环境、 生化环境以及一些建筑物的内部，扑翼飞行器则可以轻松的进入，并且可以较长 时间的停留进行采样、监测和引导等任务。 在民用领域，扑翼飞行器也具有广泛的用途，比如环境监测、航空测绘、农 业勘测、灾情监测、道路监控、野外搜救、城区监视和机场驱鸟等[15]。 扑翼飞行器的设计，是一个多学科交叉的研究过程。其研制不仅会助推扑翼 空气动力学的发展，还涉及到许多相关领域的关键技术[16]，例如新型材料、部件 微型化、微型动力源、自主控制及数据通信等。扑翼飞行器在研究中对尺寸和质 量做了规定，这要求除了采用新型轻质材料，还要使机载控制部件如控制板、制 动器、陀螺仪、摄像头等在满足要求的情况下不断缩小尺寸。目前已有学者采用 电热记忆材料进行折叠翼的研究[17]，在微电机领域，出现了尺寸更小重量更轻的 直线电机，输出端输出往复的直线运动，适合研究尺寸更小的微扑翼飞行器。 扑翼飞行器是微型侦察机发展的新趋势，对新技术和气动理论的发展都有巨 大的推动作用，其研制不论在军事还是在民用领域，都具有重要的战略意义。 1.2 国内外的研究现状 自从上世纪九十年代提出微型飞行器的概念之后，美国、德国、荷兰、日本、 印度、以色列等国家都相继成立了专项研究机构，投入大量科研经费，开展微型 飞行器及相关技术的研究，并且都取得了不小的成果[ 18,19]。起初的研究重点主要 放在了固定翼和旋翼飞行器上，随着样机尺寸的越来越小，扑翼开始受到重视并 迅速发展。美国由于 DARPA、NASA 以及军方的资助，与大学、科研机构以及公 司合作研发，发展最快。我国的研究主要在一些高校进行，也都有可飞行的记录， 在样机研究和气动理论方面都相应的取得了不少成果。 1.2.1 国外研究现状 扑翼样机的出现基本上都是上世纪 90 年代开始的，这是由工业技术和扑翼空 气动力学的发展水平决定的。其中有一些国家还进行了载人扑翼的研究，加拿大 多伦多大学研制的载人扑翼机，在 1991 年进行了该机 1/4 模型概念机的试飞，并 取得成功，美国 FAI 组织认为这是第一次遥控机械驱动扑翼机的成功飞行[20,21]。 此后随着微型飞行器概念的提出，各国纷纷展开了小尺寸扑翼的研究
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1.2.1.1美国的研究现状 新兴技术的发展，美国一直走在世界的前列。由于重量和动力源的限制，其 中一些样机采用一些特殊的驱动方式。有代表性的如图1-4所示。图中)为美国乔 治亚理工大学研制的微型飞行器Entomopter22,2。它有的两对机翼，使用往复式化 学肌肉(RCM,Reciprocating Chemical Muscle)驱动。 a)乔治亚理工大学的Entomopter b)斯坦福研究中心的Mentor c)UC Berkeley研制的MFI d)Vanderbilt大学的CM 图1-4采用特殊驱动方式的扑翼样机 Entomopter的每一部分设计都具独特性，例如尾部的天线可以增加飞行器的平 衡，腿部可以在地面行走同时兼作燃料箱，还可以增大转动惯量以增加了横滚的 稳定性。研究者还期望它能在未来火星探测中发挥重要作用24.b)是在美国DARPA 的资助下，斯坦福研究中心(SI)和加拿大多伦多大学共同研制的微型扑翼飞行器 Mentor2],采用电致伸缩人造肌肉(EPAM)为动力，它是利用Wei-Fogh机制飞行的 多扑翼飞行器，可以实现前飞和悬停。c)是美国加州大学伯克利分校研制的微机械 飞虫MF26,采用压电石英驱动扑翼振动，尺寸1025mm,重量仅43mg。只能作 短暂的无控制飞行。d)是Vanderbilt大学的CM2)],利用压电原理驱动机翼翼展为 15cm,动力系统由锂电池供电。 此外有代表性的是加州理工学院的Microbat28),它是一个仿鸟的扑翼飞行器， 形式上已经接近近期的扑翼机，其驱动采用的是机械连杆机构，姿态通过平尾和 垂尾控制。该机在第一次试飞时只飞行了9秒，几经改进之后，在2002年8月成 功飞行25分钟，创造了当时扑翼飞行的世界记录。 -5-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -5- 1.2.1.1 美国的研究现状 新兴技术的发展，美国一直走在世界的前列。由于重量和动力源的限制，其 中一些样机采用一些特殊的驱动方式。有代表性的如图 1-4 所示。图中 a)为美国乔 治亚理工大学研制的微型飞行器 Entomopter[22,23]。它有的两对机翼，使用往复式化 学肌肉(RCM，Reciprocating Chemical Muscle)驱动。 a) 乔治亚理工大学的Entomopter b) 斯坦福研究中心的 Mentor c) UC Berkeley 研制的 MFI d) Vanderbilt 大学的 CIM 图 1-4 采用特殊驱动方式的扑翼样机 Entomopter 的每一部分设计都具独特性，例如尾部的天线可以增加飞行器的平 衡，腿部可以在地面行走同时兼作燃料箱，还可以增大转动惯量以增加了横滚的 稳定性。研究者还期望它能在未来火星探测中发挥重要作用[24]。b)是在美国 DARPA 的资助下，斯坦福研究中心(SRI)和加拿大多伦多大学共同研制的微型扑翼飞行器 Mentor[25]，采用电致伸缩人造肌肉(EPAM)为动力，它是利用 Wei-Fogh 机制飞行的 多扑翼飞行器，可以实现前飞和悬停。c)是美国加州大学伯克利分校研制的微机械 飞虫 MFI[26]，采用压电石英驱动扑翼振动，尺寸 10-25mm，重量仅 43mg。只能作 短暂的无控制飞行。d)是 Vanderbilt 大学的 CIM[27]，利用压电原理驱动机翼翼展为 15cm，动力系统由锂电池供电。 此外有代表性的是加州理工学院的 Microbat[28]，它是一个仿鸟的扑翼飞行器， 形式上已经接近近期的扑翼机，其驱动采用的是机械连杆机构，姿态通过平尾和 垂尾控制。该机在第一次试飞时只飞行了 9 秒，几经改进之后，在 2002 年 8 月成 功飞行 25 分钟，创造了当时扑翼飞行的世界记录
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 随着技术的成熟，扑翼飞行器倾向于稳定和智能化方向发展。伯克利分校的 Biomimetic Millisystems实验室在继MFI项目后，开展新型扑翼机项目Bird-botP] 的研发。该项目的目标是鲁棒智能控制实现室内飞行。该机所搭载的微控制CPU, 包含摄像头、陀螺仪、加速度传感器、通信模块在内，总重只有1.4克。 美国哈佛大学的微机器人实验室(Micro robotics Lab),在DARPA的资助下， 历时7年研制出的电子蝇Micro robotie Fly30-32,如图1-5b),它机身由碳纤维制成， 总重60mg,翼展3cm,扑动频率可达到每秒110次，目前己成功飞行。 a)UC Berkeley最新研发的iBird-bot b)哈佛大学研制的Micro robotic Fly 图1-5美国研制的两种新型微扑翼飞行器 美国扑翼飞行器的最新报道是美国Aero Vironment研发的超微飞行器Nano Air Vehicle):“蜂鸟”Nano Hummingbird3列。该飞行器是由DARPA资助，耗资 400万美元，历时5年时间研制完成。其重量10g,翼展16cm,续航能力10-20分 钟，采用无尾飞行方式，能够实现悬停、翻筋斗等高难度动作。如图1-6所示。其 姿态控制方式与直升机的姿态控制方式有很大相似之处。“蜂鸟”的出现是扑翼史 上的一个里程碑，它代表当前扑翼发展的最高水平。目前“蜂鸟”已可装配军队， 执行小区域以及室内的侦察任务。 图1-6美国航空环境公司的纳米蜂鸟机器人B] -6-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -6- 随着技术的成熟，扑翼飞行器倾向于稳定和智能化方向发展。伯克利分校的 Biomimetic Millisystems 实验室在继 MFI 项目后，开展新型扑翼机项目 iBird-bot[29] 的研发。该项目的目标是鲁棒智能控制实现室内飞行。该机所搭载的微控制 CPU， 包含摄像头、陀螺仪、加速度传感器、通信模块在内，总重只有 1.4 克。 美国哈佛大学的微机器人实验室(Micro robotics Lab)，在 DARPA 的资助下， 历时 7 年研制出的电子蝇 Micro robotic Fly[30-32]，如图 1-5b)，它机身由碳纤维制成， 总重 60mg，翼展 3cm，扑动频率可达到每秒 110 次，目前已成功飞行。 a) UC Berkeley 最新研发的 iBird-bot b)哈佛大学研制的 Micro robotic Fly 图 1-5 美国研制的两种新型微扑翼飞行器 美国扑翼飞行器的最新报道是美国 Aero Vironment 研发的超微飞行器(Nano Air Vehicle)：“蜂鸟”(Nano Hummingbird[33] )。该飞行器是由 DARPA 资助，耗资 400 万美元，历时 5 年时间研制完成。其重量 10g，翼展 16cm，续航能力 10-20 分 钟，采用无尾飞行方式，能够实现悬停、翻筋斗等高难度动作。如图 1-6 所示。其 姿态控制方式与直升机的姿态控制方式有很大相似之处。“蜂鸟”的出现是扑翼史 上的一个里程碑，它代表当前扑翼发展的最高水平。目前“蜂鸟”已可装配军队， 执行小区域以及室内的侦察任务。 图 1-6 美国航空环境公司的纳米蜂鸟机器人[33]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1.2.1.2其他国家的发展水平 其他国家也在不断进行扑翼飞行器的研究，都有取得很大的成果。荷兰代尔 夫特大学近几年来着力进行共轴四翅微型扑翼机的研究，迄今为止研制出三代 DeFy34系列样机，如图1-7所示，三代样机的尺寸在不断的缩小。DelFly I翼展 50cm,重21g,采用V型尾翼控制姿态，于2005年成功试飞：DelFly IⅡ翼展28cm, 重16.07g,2006年试飞，采用十字尾翼控制：DelFly III有了很大的突破，真正达 到了微型飞行器的概念要求。其采用传统的机械连杆结构驱动，搭载电池和摄像 设备，翼展只有10cm,重量只有3.07g,在整个扑翼领域都具有较领先的地位。 DelFly Il DelFly I DelFly Micro 图1-7代尔夫特大学研制的DeFy系列扑翼飞行器 德国的FESTO公司模仿海鸥，研制出一款尺寸较大的扑翼飞行器Smartbirdl3), 如图1-8。这款飞行器翼展1.96m,身长1.06m,重450g,能够实现小半径转身。 它设计了海鸥一样的流线翼型，采用的是折叠翼扑动方式，驱动机构是一个平行 连杆机构，同时翼尖有扭转运动。它具有出色的控制系统，头部和尾部都可以摆 动，飞行时能够达到以假乱真的效果。 图l-8 FESTO公司研制的Smartbird -7-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -7- 1.2.1.2 其他国家的发展水平 其他国家也在不断进行扑翼飞行器的研究，都有取得很大的成果。荷兰代尔 夫特大学近几年来着力进行共轴四翅微型扑翼机的研究，迄今为止研制出三代 DelFly[34]系列样机，如图 1-7 所示，三代样机的尺寸在不断的缩小。DelFly I 翼展 50cm，重 21g，采用 V 型尾翼控制姿态，于 2005 年成功试飞；DelFly II 翼展 28cm， 重 16.07g，2006 年试飞，采用十字尾翼控制；DelFly III 有了很大的突破，真正达 到了微型飞行器的概念要求。其采用传统的机械连杆结构驱动，搭载电池和摄像 设备，翼展只有 10cm，重量只有 3.07g，在整个扑翼领域都具有较领先的地位。 图 1-7 代尔夫特大学研制的 DelFly 系列扑翼飞行器 德国的 FESTO 公司模仿海鸥，研制出一款尺寸较大的扑翼飞行器 Smartbird[35]， 如图 1-8。这款飞行器翼展 1.96m，身长 1.06m，重 450g，能够实现小半径转身。 它设计了海鸥一样的流线翼型，采用的是折叠翼扑动方式，驱动机构是一个平行 连杆机构，同时翼尖有扭转运动。它具有出色的控制系统，头部和尾部都可以摆 动，飞行时能够达到以假乱真的效果。 图 1-8 FESTO 公司研制的 Smartbird
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 日本在理论和样机方面研究的也比较多，基本都是小尺寸的共轴四翅结构。 图1-9所示是千叶大学研制的四翅样机B6,翼展在15cm以内，飞行平稳。由于四 翅机构是利用Wei-Fogh效应，能够产生较高的升力，更容易微型化，因此近期以 色列和俄罗斯等一些国家的报道基本上都是这种结构。此外印度提出了一种还不 成熟的多维扑动样机刀，翅膀有主动的扭转运动，目前己完成无控制试飞。 Rudder(0.8 g) wing Receiver(0.16 g) Motor Battery (0.5g 0.4g Gear box flap 图1-9千叶大学研制的微扑翼飞行器 图1-10印度设计的多维扑动样机 1.2.2国内研究现状 我国开展扑翼飞行器的研究也是从上世纪九十年代开始的，基本与外国同期 进行。但是由于基础工业技术的限制，发展较慢，出现的样机通常尺寸也较大， 一般翼展在30-50cm。进入2000年之后，由于计算技术的迅速发展，国内许多大 学开始扑翼的研究工作，尤其在近两年取得较大的进展。我国对扑翼飞行研究较 深入的高校主要有南京航空航天大学、西北工业大学、中国科学技术大学和哈尔 滨工业大学等。 南京航空航天大学对微型飞行器的研究起步较早，在1998年即研制出首架可 飞的微型飞行器。2004年在昂海松教授的带领下，建立科研团队开始了扑翼飞行 器的研究。昂海松教授利用高频摄像机，记录小型鸟类起飞阶段的运动姿态，对 小型鸟类的扑动方式进行了系统的研究。实验发现在起飞阶段，鸟类上扑时翅膀 收拢贴合身体，几乎是没有翼展面积的。此外昂海松团队还对扑翼的气动理论[38) 和控制方法39,40进行了深入的研究，并在2011年研制出一款能自主飞行的仿生机 械鸟4，如图1-11所示，该机械鸟翼展60cm,重量196g,可实现精确定位导航 飞行，在图像减振及降噪方面都有出色的表现，在今年的日内瓦国际发明博览会 上获得发明成果奖。未来，昂海松团队计划将依托这种技术研发新型交通工具。 西北工业大学经过十多年的发展，在扑翼气动原理的研究，风洞实验设备的 建设等方面都取得了大量的成果，同时设计出PY系列的原理样机42)，为后续样机 -8-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -8- 日本在理论和样机方面研究的也比较多，基本都是小尺寸的共轴四翅结构。 图 1-9 所示是千叶大学研制的四翅样机[36]，翼展在 15cm以内，飞行平稳。由于四 翅机构是利用 Wei-Fogh 效应，能够产生较高的升力，更容易微型化，因此近期以 色列和俄罗斯等一些国家的报道基本上都是这种结构。此外印度提出了一种还不 成熟的多维扑动样机[37]，翅膀有主动的扭转运动，目前已完成无控制试飞。 图 1-9 千叶大学研制的微扑翼飞行器 图 1-10 印度设计的多维扑动样机 1.2.2 国内研究现状 我国开展扑翼飞行器的研究也是从上世纪九十年代开始的，基本与外国同期 进行。但是由于基础工业技术的限制，发展较慢，出现的样机通常尺寸也较大， 一般翼展在 30-50cm。进入 2000 年之后，由于计算技术的迅速发展，国内许多大 学开始扑翼的研究工作，尤其在近两年取得较大的进展。我国对扑翼飞行研究较 深入的高校主要有南京航空航天大学、西北工业大学、中国科学技术大学和哈尔 滨工业大学等。 南京航空航天大学对微型飞行器的研究起步较早，在 1998 年即研制出首架可 飞的微型飞行器。2004 年在昂海松教授的带领下，建立科研团队开始了扑翼飞行 器的研究。昂海松教授利用高频摄像机，记录小型鸟类起飞阶段的运动姿态，对 小型鸟类的扑动方式进行了系统的研究。实验发现在起飞阶段，鸟类上扑时翅膀 收拢贴合身体，几乎是没有翼展面积的。此外昂海松团队还对扑翼的气动理论[38] 和控制方法[39,40]进行了深入的研究，并在 2011 年研制出一款能自主飞行的仿生机 械鸟[41]，如图 1-11 所示，该机械鸟翼展 60cm，重量 196g，可实现精确定位导航 飞行，在图像减振及降噪方面都有出色的表现，在今年的日内瓦国际发明博览会 上获得发明成果奖。未来，昂海松团队计划将依托这种技术研发新型交通工具。 西北工业大学经过十多年的发展，在扑翼气动原理的研究，风洞实验设备的 建设等方面都取得了大量的成果，同时设计出 PY 系列的原理样机[42]，为后续样机