兵器装备工程学报

扑翼飞行器的研究现状与发展

分类:主编推荐 发布时间:2022-12-18 17:16 访问量:801

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扑翼飞行器的研究现状与发展

周 林1,张忠海1,王建辉2,3,赵全亮2,何广平2

(1.北京航天测控技术有限公司, 北京 100041; 2.北方工业大学, 北京 100144; 3.北京工业大学, 北京 100124)

摘要:针对不同类型的仿生扑翼飞行器的研究现状,指出扑翼飞行器现有发展水平的优势与不足。根据仿生对象的不同,对扑翼飞行器的关键技术进行介绍与分析,包括动力学、结构、材料、建模与控制。在综合分析研究现状的基础上,对未来扑翼飞行器的发展方向进行展望,对可能面临的技术难题进行了预测,为扑翼飞行器技术研究提供参考。

关键词:扑翼飞行器;动力学;飞行器建模;仿生机器人;控制系统

1 引言

类对飞行的最初渴望来自于自然界的飞行生物。100余年来,人类对飞行器设计制造技术进行不断的探索研究,时至今日,载人航空飞行器设计制造已经取得了巨大成就。近30余年来,在国防工业技术发展需求的推动下,无人航空飞行器技术发展得到国际大国的高度重视,仿生扑翼飞行器技术因此得到很大发展。与固定翼飞行器和旋翼飞行器相比,扑翼飞行器具有气动噪声小、机动灵活性强、仿生隐蔽性好等优点[1],在民用和军事领域均有广阔的应用前景[2]

尽管扑翼飞行器在实际应用中有着独特的优势,但是目前实际应用并不广泛。限制这类飞行器发展应用的因素主要包括:

1) 力学建模与控制。扑翼飞行器是典型的非定常空气动力学系统,力学建模和高升阻比机理分析异常复杂,通常只能借助于数值建模和分析方法。当前各研究机构对于一些常见昆虫(如果蝇)等建立有多种成熟的理论模型和准稳态模型,但对鸟类、蝙蝠等脊椎动物的空气动力学机制研究尚存在一定空白,难以建立精确的解析或半解析力学模型,给扑翼飞行器控制律系统性设计提出了一定的技术挑战。

2) 续航问题。与仿生鱼等其他种类仿生机器人应用发展碰到的问题相似,受到可重复使用电池能量密度的限制,机载电源的选择非常局限,导致已发明的各类扑翼飞行器续航能力有限,难以执行长航时任务。

3) 飞行效率。但是扑翼飞行器是一类主动寻求在非定常流体环境中高效机动的机电系统。受到传统电磁致动原动件功率密度比的限制,扑翼飞行器设计需要进行严格的轻量化设计制造。飞行器结构刚度小,结构变形大,结构变形与非定常空气动力之间存在显著的动态交互耦合。大量理论和实践研究表明,扑翼涡流与大变形机械结构之间的交互耦合动力学,对扑翼飞行能效性和系统运动稳定性有显著影响。针对鸟类、蝙蝠等脊椎动物非定常流固耦合动态系统的精确建模和分析,目前还存在一定技术难度,进一步增加了扑翼飞行器控制系统设计的复杂性。

近年来,许多学者和研究人员就以上问题开展了大量的研究工作,并取得了大量的研究成果。本文对近20年来国内外扑翼飞行器的相关研究进行总结与归纳,介绍了仿鸟、仿昆虫、仿蝙蝠型三类典型扑翼飞行器实验样机的发展简况。进一步从力学建模、结构与材料、控制系统设计等方面,阐述了当前扑翼飞行器设计制造技术发展中存在的一些技术难题。最后对未来扑翼飞行器的发展进行了一定预测与展望。

2 扑翼飞行器的研究现状

扑翼飞行器是一类重要的仿生飞行器。根据仿生对象和飞行器主要结构特征分类,可以分为仿鸟型、仿昆虫型以及仿蝙蝠型三类扑翼飞行器[3]

2.1 仿鸟扑翼飞行器

2010年开始,美国加利福尼亚大学开始对仿生扑翼飞行器进行研究并成功研制出H2Bird[4]。这款扑翼飞行器采用了鲁棒控制律作为核心控制算法,借助CPU、传感器和摄像头等,成功实现了室内飞行[5],如图1所示。

图1 H2Bird飞行器
Fig.1 H2Bird aircraft

2011年,德国Festo公司首次公开展示了仿海鸥扑翼飞行器Smartbird[6],如图2所示。Smartbird体长1.06 m,质量约450 g,翼展为1.96 m。Smartbird采用仿海鸥的流线型机体和可折叠扑翼,传动机构采用了对称分布的四连杆复合机构,可以同时实现扑翼运动以及翼尖的扭转运动,是仿鸟扑翼飞行器样机发展过程中的一个里程碑[7]。因为这款仿鸟扑翼飞行器尺寸较大,其主要元器件选择余地大,对隐蔽性更好的微小型仿鸟扑翼飞行器设计制造技术发展来说,参考价值有限。

图2 Smartbird飞行器
Fig.2 Smartbird aircraft

2012年,美国AeroVironment公司设计了一种仿蜂鸟微型扑翼飞行器Hummingbird(图3)。Hummingbird是纳米飞行计划项目的一部分,该计划由美国国防部高级研究计划局(DARPA)提出。Hummingbird的翼展为0.165 m,质量10 g。最新资料显示,该飞行器最大飞行时间可达11 min[8],能实现空中悬停和翻跟斗等高难度动作,代表了微小型仿生扑翼飞行器实验样机设计、制造和控制技术的较高水平。

图3 Hummingbird飞行器
Fig.3 Hummingbirdaircraft

国内对于扑翼飞行器的研究也在有序开展。南京航空航天大学团队针对扑翼飞行器样机研制与风洞试验测试进行了深入研究[9]。如图4所示为南京航空航天大学研制的差动式扑翼飞行器-“金鹰”,该扑翼飞行器翼展为650 mm,机身长为160 mm,总质量为300 g。该飞行器可以通过伺服器控制左右机翼差动扭转,从而达到转向的目的,同时在飞行器上搭载自主研制的微型自动驾驶仪实现自主飞行。

图4 金鹰飞行器
Fig.4 Golden Eagle aircraft

哈尔滨工业大学团队在扑翼飞行气动特性机理、低雷诺数下微型扑翼生物运动机理、柔性翅翼空气动力学开展了一定的理论研究,设计了一款微型扑翼飞行器并成功试飞,如图5所示[10]。该飞行器机翼采用柔性薄膜材料,翼展为 28 cm,总质量为19.2 g,搭载有自主飞行控制器,能够实现短时间自主飞行。

图5 哈工大扑翼飞行器
Fig.5 Aircraft of HIT

在2011年的中航工业杯—国际无人飞行器创新大奖赛上,西北工业大学的信鸽首次登上舞台[11](图6)。信鸽采用的是鸟类流线型机身,机翼由平面连杆机构进行驱动,翼展约为0.6 m,飞行速度可达6~10 m/s,质量约220 g。该飞行器机架采用碳纤维复合材料,装载飞行控制导航系统、图像处理分系统、测控与信息数据传输系统,可实现自主起飞与自主巡航功能,机载微型摄像机可实时获取并传输地面图像信息,实现侦查功能,在国内扑翼飞行器的发展中具有重要意义。

图6 信鸽飞行器
Fig.6 Homing pigeon aircraft

目前的仿鸟扑翼飞行器在气动效率远不如真正的鸟类,仅仅是模仿鸟类的飞行模式,飞行系统的传感、驱动和控制仍处在探索研究阶段,绝大部分飞行器仍未走出实验室。对于仿鸟型扑翼飞行器,应以长航时、高负载、远距离观测应用为主要发展方向。

2.2 仿昆虫扑翼飞行器

除了鸟类,大量昆虫也采用扑翼飞行方式进行远距离移动觅食。目前仿昆虫扑翼飞行器,大多以蜻蜓、苍蝇、蝴蝶和蜜蜂作为仿生对象。

在仿蜻蜓扑翼飞行器中,最知名的是代尔夫特理工大学的Delfly系列飞行器实验样机。代尔夫特理工大学先后研制出五代Delfly飞行器,分别是Delfly Ⅰ[12]、Delfly Ⅱ[13]、Delfly Micro[14]、Delfly Explorer[15]与Delfly Nimble[16],Delfly Nimble如图7所示。其中,Delfly Micro翼展约为0.33 m,质量约29 g。Defly系列搭载了微型摄像机,借助于图像识别技术,实现了飞行器的位置控制。

图7 Delfly Nimble飞行器
Fig.7 Delfly Nimble aircraft

值得注意的是,在2017年,德雷珀实验室首次展示了一款半蜻蜓半机械飞行器DragonflEye[17],如图8所示。

图8 DragonflEye飞行器
Fig.8 DragonflEye aircraft

该飞行器利用基因改造技术,在蜻蜓的身体中植入光极(optrode),利用光遗传学(optogenetic)技术,使用光子刺激蜻蜓的特定神经元,实现对蜻蜓飞行的控制[18]。DragonflEye使用机载的太阳能电路板供能,理想情况下,只需要有阳光、水与食物即可解决对于扑翼飞行器来说很致命的续航问题,这也为未来扑翼飞行器的发展提供了一种新的思路。

在2012年,《Science》杂志刊登了一款世界上最小的飞行器RoboBee,该仿蜜蜂飞行器由哈佛大学的Wood教授团队开发,质量仅仅80 mg,如图9所示。除了平稳起飞,RoboBee还实现了悬停和路径追踪[19]。在2016年,《Science》杂志再次刊登了新一代RoboBee的研究进展,与上一代相比,新型RoboBee增加了一个电极[20],通过该电极,RoboBee可以吸附在大多数物体上,这是以往各种飞行器都未尝试过的。

图9 RoboBee飞行器
Fig.9 RoboBee aircraft

2.3 仿蝙蝠扑翼飞行器

蝙蝠是唯一能够飞行的哺乳动物,也是扑翼飞行生物中飞行噪声最小的一类。蝙蝠的翅膀结构特征复杂,仿蝙蝠飞行器样机研制涉及大变形柔性薄膜结构的流固耦合动力学研究,建模与力学分析难度较大,相关技术与理论不够成熟,因此,目前对仿蝙蝠扑翼飞行器的研究相对较少。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和加州理工大学在2017年研制出了一款仿蝙蝠扑翼飞行器Bat Bot (B2),该飞行器并没有采用大量的分布式控制器,而是采用了高度可伸缩的硅基薄膜机翼,从而更好的匹配了蝙蝠飞行的形态特征[21]。B2飞行器质量为93 g,使用一个直流无刷电机同时驱动左右机翼,拍动频率约10 Hz。

对蝙蝠的运动进行分析是一项非常有挑战性的工作。但对于仿蝙蝠扑翼飞行器样机制造,了解蝙蝠如何通过空气动力以及复杂肌肉骨骼机制的复杂交互作用,来控制其身体姿态和位置是必不可少的,这是仿蝙蝠扑翼飞行器技术发展中的重要研究课题。

3 扑翼飞行器的关键技术

3.1 扑翼飞行器空气动力学

目前扑翼飞行器样机,大多处于实验室试验阶段,虽然大量研究工作表明,以往提出的众多设计方案和设计方法具有可行性,但距离实际应用仍有差距。要从实验室样机向工程化方向发展,需要在理论和技术方面进一步取得突破。对于鸟类,拍打翅膀获得的驱动力主要来自于3部分:

1) 尾部涡流。卡门-伯格斯理论认为,机翼的振动能够消除边界层中的涡度,产生反向卡门涡街,涡街本身携带着与机翼运动方向相反的动量,使得机翼振动产生推力。

2) 惯性的影响。当机翼拍动时,局部附加质量效应产生附加惯性力。

3) 前缘引力。当流体以大曲率流经鸟类前缘和头部时,局部流速加快,形成低压区,导致前缘吸力产生一定的驱动力[22]

此外,鸟类流线型的身体[23]、不同的几何形状[24]、不同的飞行模式[25]与飞行过程中翅膀的变形[26]是鸟类在不断变化的气流条件下降低阻力的关键因素。

与鸟类相比,昆虫的飞行机理更加复杂。随着近年来数值模拟技术的迅速发展,人们对典型昆虫的飞行机理有了系统深入的了解。目前的研究成果已经提出了五种特殊的飞行机理,来解释昆虫如何通过拍打翅膀获取足够的驱动力。

1) 延迟失速[27]。翅翼在迎角增大的过程中,流经前缘的气流会与翼面分离,产生逐渐远离的前缘涡,进而使气流无法附着于翼面,便会出现失速现象。而扑翼运动在每一次拍动的开始,其前缘都会形成涡结构,并且在整个拍动过程中保持附着于翅膀上,即使在随后的拍动过程中,前缘上附着的涡也不会发生脱落。此外由于翅膀的平动运动,还存在着从翼根往翼尖方向的展向流动,这也对前缘涡起到了稳定作用,从而避免失速。

2) 拍合机制[28]。在整个翅翼拍合过程中,第一阶段是两翅翼合拢,双翅产生的前缘涡流相互抵消,同时后缘向内旋转并合拢,使逐渐减小的涡流脱落,并由于挤压快速喷出。第二阶段是双翅分离,前缘快速向外打开,使得气流受压强影响流入上翼面,形成前缘涡,而后后缘分离。拍合机制能够为昆虫提供瞬间的高升力[29],许多飞行生物依靠这种机制实现快速起飞,如蝴蝶、果蝇和飞蛾。

3) 旋转环流机制[30]。在扑翼运动结束前,昆虫可以通过快速加速或快速向上运动,迅速产生不同方向的强旋涡,以增加升力[31]

4) 尾流捕获机制[32]。当扑翼运动处于下扑与上扑转换阶段,翅翼在相反的方向会将遇到上半个周期产生的空气流动。由于翅翼与气流的相互作用可以将上半个周期浪费的气动力得以再次利用,使翅翼增加额外动力。

5) 附加质量效应[33]。在扑翼飞行的过程中,翅膀的扑动方向会不断的改变,伴随着急加速以及急减速的现象,翅膀与流体之间便会出现较大的速度差,从而使得翅膀在推动气流的过程中会受到气流的反作用压力。

作为唯一的哺乳飞行生物,蝙蝠在很长一段时间里被认为和鸟类的飞行方式是相同的。然而,近些年对蝙蝠飞行机理的研究表明,蝙蝠和鸟类的飞行方式是截然不同的。文献[34]研究发现当蝙蝠以低速飞行时,翅膀会迅速向上移动,并在整个拍打过程中产生升力;鸟类两翼尾迹区的尾涡将合并成单个涡环,但蝙蝠两翼尾迹区的尾涡相对独立。前缘涡是在慢速飞行时产生的,但在悬停时不会产生。当机翼向上拍动时,前缘涡在机翼内外快速旋转,并与机翼一起移动[35]。这种飞行模式对蝙蝠来说非常高效节能,这表明蝙蝠可以主动控制前缘涡流的产生,以获得更好的飞行能力[36]。到目前为止,扑翼飞行机理研究主要通过3种方式:

1) 风(水)洞模拟实验。通过风(水)洞模拟飞行器的运动和风(水)向风(水)速等环境条件,测量出飞行器的流场。

2) CFD(计算流体动力学)技术。利用CFD技术进行模拟计算。

3) PIV(图像测速)技术。通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。

但是,扑翼飞行器在低雷诺数下的空气动力学及其稳定性问题的许多结论没有具体的理论,而是建立在仿真模拟的基础上,需要进一步开展系统性研究。一方面可以帮助深入了解生物本身的运动特性,另一方面提高了后续动力学建模等工作的准确性。

文献[37]提出了让扑翼飞行器模型通过磁悬浮和平衡系统(MSBS)固定在风洞测试部分的中心,因为机械支撑,所以测量作用在模型上的气动力和力矩数据消除了支持干扰。在研究气动力的问题上目前最常用的是CFD算法的数值仿真[38]。CFD方法最大的优点就是准确性高,但是效率不高。追求准确高效的非定常气动力建模和分析方法,是计算流体领域的重要研究课题。

文献[39]使用了基于相位平均粒子图像测速技术,利用流场速度测量来估计小展弦比机翼的升阻特性。文献[40]采用了ADAMS-XFlow联合仿真的方法进行扑翼飞行器翅翼扑动频率与来流速度对其气动特性的影响。文献[41]开发了一个新的气动力测量平台,用于测试鸟类自由飞行推进性能,为未来校准自然动物飞行推进性能的非定常气动效应提供了一种有前景的测量技术。此外,随着三维时间分辨PIV测试技术的出现,基于旋涡动力学的压力估算方法也开始应用于仿生流动机理的研究[42]

3.2 扑翼机构运动学

扑翼飞行器的扑翼机构主要分为2个大类,纯机械扑翼机构与智能材料扑翼机构。

纯机械扑翼机构主要可以分为基于电机的扑翼驱动机构、基于电磁铁的扑翼驱动机构和静电扑翼驱动机构。基于电机的扑翼驱动机构主要有单曲柄双摇杆机构、双曲柄双摇杆机构、曲柄滑块机构、空间连杆机构等。单曲柄双摇杆机构通过一个做回转运动的曲柄,在连杆的作用下使两个摇杆摆动。该机构的优点是结构简单,具有较高的传动效率,缺点是两侧扑翼运动相位不对称使得飞行器两侧受力不均降低了飞行器的稳定性[43]。双曲柄双摇杆机构通过齿轮带动两侧曲柄旋转,再带动摇杆做扑动运动,与单曲柄双摇杆相比,虽然增加了整体的质量和摩擦损耗,但解决了两侧扑翼的不完全对称问题,大大提升了整体的稳定性和气动性能。曲柄滑块机构则是曲柄通过连杆带动中间滑块运动,滑块再通过连杆带动两侧摇杆进行往复扑动。这种机构的对称性较好,整体稳定性强,但增加了传动件数量导致在能效性方面略有欠缺。空间连杆机构形式多样,在结构方面的灵活性很大,在性能上优于平面机构,但其设计与分析较为复杂,在控制方面难度较大。

文献[44]模仿蜂鸟,设计了手掌大小的微型扑翼飞行器,质量约9 g,通过二级齿轮、曲柄摇杆机构和线机构,实现了双翼的拍合机制,在同样的电压和拍打角幅值下,与无拍打机的扑翼机构进行对比,升力提升了17.5%。文献[45]在研究着陆飞行中鸟类扑翼特性的基础上,开发了一种能够产生三自由度运动(扑翼、扭转和摆动)的扑翼机构,可以将动力源的旋转运动转化为三自由度输出的协调运动,但为了实际应用,通过更改关节连接特征减少了摆动的自由度,但仍然对今后扑翼飞行器翅膀的设计有一定参考意义。

为了实现扑翼飞行器的轻量化设计并增加续航时间,研究人员对基于电磁铁的扑翼驱动机构和静电驱动扑翼机构也开展了很多研究。基于电磁铁的扑翼驱动机构主要原理是利用通电导体或磁性物体在磁场中受到驱动力使得扑翼进行运动,静电驱动多用于微扑翼飞行器中,在交流电压的作用下,基于受迫振动原理来驱动双翼。

文献[46]研制了一款基于电磁铁的扑翼驱动机构,该机构利用磁性体在磁场中受吸合力作用的原理实现了翅翼的扑动、扭转运动。文献[47]提出了一种电磁驱动人工扑翼昆虫柔性铰链的设计方法,实现了50°的最大机翼旋转角度和±50°的扑动幅度,通过这种方法提升了双翼提供的升力。文献[48]设计了一种结构简单、操作简单的自激静电扑翼机构,该机构无需复杂的交流驱动电路,即可在直流电源下激发谐振,驱动两个昆虫翅膀进行往复旋转运动,从而产生足够高的有效升力。

在驱动端,对于较大尺寸的扑翼飞行器而言,大多采用电机来进行驱动。但是电机作为驱动器不利于微型化设计,且会对整机的质量产生很大的负担,因此,研究人员一直在寻找更好的替代方案。随着材料科学的发展与研究,研究人员开始将扑翼机构的目光投向新的方向,利用智能材料设计扑翼飞行器的扑翼机构,能够进一步完成扑翼飞行器的轻量化设计,成为在微型扑翼飞行器上替代电机的合理选择[49]。在寻找智能材料的过程中,形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)和电化学-机械传导聚合物(EMCP)都曾被考虑[50],这些智能材料具有较大的自由应变度以及高电阻,但是响应速度慢,无法满足扑翼飞行器高速运动的需求。因此,压电致动器和介电弹性体(DEA)由于具有响应速度快、功耗低、输出力大和定位精度高等优点[51],成为毫米级扑翼飞行器上代替电机的优秀选择。哈佛大学的Wood教授在研制的RoboBee微型扑翼飞行器上采用了压电致动器,取得了良好的效果。介电弹性体具有大应变、高输出能量密度、响应速度快和噪声低等优点,北俄亥俄大学团队使用了人造肌肉这一介电弹性体,成功驱动了质量约15 g的飞行器[52]。但是在目前技术条件下,压电驱动单元有效驱动电压较高,升压电源模块很难微型化。基于功能材料致动器的微型扑翼飞行器,目前还难以实现机载能源方式的自治飞行。

3.3 扑翼机构动力学

与目前的仿生飞行器相比,鸟类、昆虫和蝙蝠的飞行效率高、飞行噪音低以及较强的机动性和稳定性,这些优秀的特征与其翅膀结构有密切的关系。因此,对扑翼机构动力学进行分析,根据分析结果不断改善扑翼机构的动态性能,是仿生飞行器不断进步的一大途径。

微型扑翼飞行器是一种非线性时变系统,在进行稳定性分析时,主要采用2种方法:

1) 平均法[53]。使用平均振荡周期内的系统动力学来获得非线性时不变(NLTI)系统模型。为了确定固定点的指数稳定性,可以简单地线性化NLTI系统以获得线性时不变(LTI)模型并检查LTI系统的状态矩阵的特征值[54]。但是,平均法对周期值有严格要求,其适用于机翼频率要远大于系统模型自身的飞行运动频率的一类生物。目前,一阶平均法在微型扑翼飞行机器人的动力学分析中已经得到广泛的使用[55]

2) Floquet理论[56]。Floquet理论可以应用于自治系统和非自治系统,可以用来分析线性时变周期(LTP)系统的稳定性。其对周期值没有要求,适用范围更广,可用于一些翅膀拍打频率接近机身频率的大型鸟类。但是,到目前为止,还没有完全非线性时变周期分析应用于到扑翼飞行机器人的动力学分析上,这是今后需要进一步研究的方向。

文献[57]基于Delaurier条带理论设计了一种曲柄连杆扑翼驱动机构,并验证了在非对称扑动规律下,该机构能够产生更强的飞行升力。文献[58]使用理想流体理论研究了翼面的升力特性,引入了弹性装置,减小了翅翼扑动时构件之间的冲击力,增强了整机的稳定性和使用寿命。文献[59]利用准稳态气动模型对电磁驱动机构进行了优化设计,证明了在固有频率驱动机翼的情况下能够最大限度地提高翅翼机构的气动升力和能量利用率。文献[60]通过建立2个自由度的尾翼动力学简化模型,引入柔性变形度并给出气动特性的计算方法,分析了形状、材料和角度对尾翼动力学性能的影响规律,并通过XFlow软件仿真验证了理论模型的准确性。文献[61]建立了“拍动+内折叠+外折叠+扭转”的三段式扑翼模型,分别研究扑翼的各个参数对飞行器气动力学性能的影响。

3.4 扑翼飞行器的结构与材料

轻而坚固的材料以及合理的结构设计能够在很大程度上减小飞行器的续航压力,也能够使飞行器拥有更高的气动效率以及能量利用率。扑翼飞行器对材料要求很高,必须在低质量的前提下,能够承受高频振动。

对于目前的扑翼飞行器,碳纤维复合材料以其高强度低密度的优良特性广泛应用于飞行器的主体以及翅翼骨架的制造上,通过在单一材料表面覆盖碳纤维材料以此提高其强度也是可行的办法之一[62]。除此之外,如何设计出像昆虫一样灵活的双翼,并且在飞行的过程中,可以控制其形状,也是未来扑翼飞行器轻量化设计制造的研究方向[63]

为了实现扑翼飞行器的轻量化设计,需要对制造工艺进行进一步的研究。近年来,MEMS制造技术、激光切割技术[64]、真空膜技术[65]、热轧加压技术[66-67]等先进制造技术的发展为扑翼飞行器的轻量化设计提供了基础。

克兰菲尔德大学在机翼的选择上采用了可拉伸的聚酯薄膜,在增加推力的同时,减少了因为翅膀拍打产生的噪音,提高了飞行器的隐蔽性[68]。浙江大学的廖伟以海鸥为蓝本,设计了一种可折叠机翼,机翼结构分为内翼和外翼,可以模拟鸟类的飞行[69]。向上拍打时,机翼可以折叠以减小阻力,向下拍打时,机翼可以展开以增加升力,通过这种飞行方式提高了飞行效率。文献[70]使用分布式翼片对柔性翼进行优化,减小了诱导阻力,提升了机翼的性能。文献[71]提出了利用硅作为双翼的材料,在纳米结构的作用下,将机翼的弯曲强度提高了6倍,反射率降低到2%。由于硅的弯曲强度提高,机翼的厚度可以小于100 μm。这可以有效地减轻飞机的质量,有助于改进扑翼飞行器设计标准。

3.5 扑翼飞行器的建模与控制算法

对于扑翼飞行器的控制系统设计而言,主要难点在于模型的建立与控制算法上。不同于旋翼飞行器,扑翼飞行器的模型构建较为复杂,特别是为了提高飞行器整体的气动效率,往往会使用可变形翅膀或机体,进一步增加了建模难度。另一方面,扑翼飞行器的控制算法设计也相当复杂,扑翼飞行器的高机动性要求控制系统要有很快的响应速度,除此之外,扑翼飞行器的质量相对较小,对环境不稳定气流干扰非常敏感,要求控制系统要具有很强的抗风性能,也是制约目前扑翼飞行器工程化的主要因素之一。

在建模方面,目前常用的动力学建模方法是刚体的牛顿-欧拉法[72],其主要思想是利用运动螺旋和力螺旋建立动力学方程[73]。然而,由于扑翼飞行器的运动方式过于复杂,在建模过程中需要进行一定的简化,按照简化程度,大致可以分为三类近似模型:忽略机翼动力学特征,仅包括机体动力学;包括在刚性机翼运动时的机翼惯性项;考虑弹性变形机翼和刚性机身的系统动力学。

3种模型简化程度依次递减,但都是在考虑刚性或小变形假设前提下简化得到的,并且忽略了结构变形运动与非定常气动力之间的交互耦合作用。事实上,目前大多数扑翼飞行器都是采用的大变形柔性翼。机翼的刚度与扑翼飞行器主翼拍动频率是否匹配,直接影响飞行器的飞行气动能效性。这是影响多数扑翼飞行气动效率和连续飞行时长的主要因素之一。

拉格朗日法同样可以用于扑翼飞行器的建模中,通过计算飞行器系统的动能和势能,可以建立刚柔耦合多体系统的运动方程[74]。但是,使用拉格朗日法对扑翼飞行器进行建模需要建立连接刚体的质量分布模型,同时,需要进行大量的微分运算,计算量较大。凯恩法兼顾了牛顿欧拉法和拉格朗日方法的优点。但凯恩法需要引入已知物理量进行表示,增加了建模过程的复杂性,且凯恩法建模的准确性在实际机电系统应用中很少得到验证。文献[75]采用拟坐标拉格朗日方程进行了多体动力学建模,减少自由度,降低了建模过程中的计算量。除了以上传统的动力学建模方法,还有一种结合飞行数据进行动力学建模的方法,其基本思想是从扑翼飞行的飞行数据中识别局部线性模型,然后确定一组插值函数将这些模型组合成一个全局线性参数变化(LPV)模型[76]。文献[77]运用了此方法进行建模,避免了高阶模型结构和全局识别实验。文献[78]采用几何形态建模方法,基于微分几何方法,通过将每个横截面近似为椭圆,重新构建了机翼的几何形状,然后进行动力学建模。

基于系统辨识方法建立的模型是使用观测输入输出数据的数学建模技术[79],因此,此模型能够准确反映系统的输入输出关系,具有很高的精度。目前,飞行器气动参数常用的辨识方法有最小二乘法、极大似然法、卡尔曼滤波法。最小二乘法采用递推方式不断对待辨识参数进行修正,最终获得准确的辨识结果[80],其对象通常为线性模型,在非线性模型中无法直接通过最小二乘法求解,需要通过其他方式将模型转化为近似线性,一定程度上增加了过程的复杂度。极大似然法是将气动参数辨识问题转换为似然函数的泛函极值问题,通过优化算法求取函数优化问题的解。该方法通常需预知过程噪声和观测噪声的统计特性,且误差协方差阵的计算较复杂,计算量大,在非线性情况下滤波容易发散[81]。卡尔曼滤波法其基本思想是将待辨识参数作为状态参数,并将其增广到状态矢量,采用卡尔曼滤波算法对增广后的状态进行估计,当待辨识参数达到稳定时即得到参数的最优估计[82]

扑翼飞行器一般体积较小,质量较轻,对外界干扰非常敏感,而扑翼飞行器应用场景的飞行条件一般较为复杂,要求扑翼飞行器要有很好的自适应能力。因此,在设计扑翼飞行器的控制器时,通常着重考虑飞行器整体的抗干扰性,在旋翼飞行器上普遍使用的PID控制算法无法满足扑翼飞行器的控制需求,将智能控制策略引入到扑翼飞行器的控制系统中具有重要意义。

对飞行器的控制,可以分为位置控制和姿态控制。文献[83]使用螺纹连接,通过伺服电动机将机翼拉到预设点,来完成对扑翼飞行器的姿态控制。文献[84]设计了一种扩展状态观测器,并在此基础上,提出了一种基于动态逆方法的输出反馈控制器,以解决由于转动惯量的不确定性而导致的控制特性的非仿射性。文献[85]提出了一种自抗扰控制(ADRC)结构,以优化微型扑翼飞行器在自动着陆过程中的姿态控制。文献[86]采用自适应控制器消除参数不确定性,采用鲁棒控制器来衰减未知动态,提出一类基于Lyapunov稳定性理论的不确定非线性系统自适应鲁棒控制方法。文献[87]提出了一种自适应模糊控制方法,用于抑制或跟踪机翼的动态行为。把模糊逻辑系统(FLS)方法用于辨识近似未知的非线性动力学,利用变论域技术修改FLS参数以提高差值精度,实现了实时控制。

扑翼飞行器的严苛轻量化设计需求,使得其控制器系统硬件通常只能采用嵌入式系统设计控制器、采用少量简单模拟器件设计功率放大器。由于计算速度、存储资源、输出功率饱和等实际限制,较为复杂的系统闭环控制律很难在这些简单硬件平台上充分实现。基于离线或在线技术,通过辨识、学习、自适应、自修正扑翼飞行器的结构和惯性参数,获得精准的系统动态模型,并进一步优化控制器控制参数,提高闭环系统的稳定域和抑制干扰的鲁棒性,是有效改善扑翼飞行器运动能效性、灵活性、带载能力的一条现实途径。

4 扑翼飞行器发展的机遇与挑战

扑翼飞行器是当前仿生机器人的热门发展方向。人们对扑翼飞行器性能改善的不断追求,必将为扑翼飞行器的发展注入新的活力,带来新的机遇与挑战。

为了探索改进扑翼飞行器气动能效性的有效方法,需要继续深入研究非定常非线性空气动力系统的力学建模和分析方法。由于扑翼飞行是在低雷诺数下进行的,传统的固定翼和旋翼飞行器设计理论不能适用。目前,多采用风(水)洞实验以及CFD模拟计算的方法进行飞行机理的探究。因此深入开展大变形薄膜结构与空气涡流之间的交互耦合动力学分析和实验研究,是摆在计算流体力学研究领域科研人员面前的一项重要研究课题。揭示扑翼飞行生物驾驭非定常非线性流体运动,提高自身运动能效性、灵活性、稳定性的内在力学机制,是实现仿生扑翼飞行器样机技术水平有效提高的重要学科基础问题。目前,针对鸟类、蝙蝠等脊椎动物的高升力产生机制研究不足,难以建立精确的稳态或准稳态力学模型。

在结构与材料方面,需要探究新的材料、制造工艺和能源策略,如探索低密度、高强度、高刚性/高弹性结构材料设计制备方法;高转化效率功能材料与器件的制备技术;高效高功率密度比的微型原动件设计制造技术;3D结构材料的高效拓扑优化设计方法;复杂结构复合材料的3D打印技术;生物材料与生物神经调控技术的深入研究和实践等,都是现阶段值得深入研究的重要课题。值得一提的是,随着扑翼飞行器的尺度减小,粘性效应愈加显着,微型扑翼飞行机器人实现低雷诺数空气动力学范围内的机动效率大幅降低,而这类扑翼飞行器面临的升力优化的问题更加迫切。以提升扑动机构能效性为核心,采用柔顺机构取代传统运动副,降低机构损耗,是当前微型扑翼飞行器样机设计中通常采用的系统方案。但是多层复合材料的高精度微细加工制造技术,对加工设备性能水平依赖性很强,是发展微型扑翼飞行器样机制造技术的一个难题。

在系统建模方面,扑翼飞行器是一类多输入多输出、非定常、非线性动态系统。目前,高性能扑翼飞行器实验样机,均采用大变形柔性机翼、可变形机翼、镂空轻量化机体,难以进行精准动力学建模和分析。同时,扑翼飞行器作为一种移动载体,需要搭载各种的功能单元。在机载系统还难以高度集成化、微型化设计制造的条件下,为了获得较为精准的系统动力学模型,通常采用基于系统辨识的建模方法。基于离线或者在线系统辨识的建模方法,无需过多考虑飞行器本体硬件的具体细节,对实现扑翼飞行器的稳定控制具有一定的技术优势。

在控制器设计方面,面对实际应用,不仅需要考虑扑翼飞行器的复杂系统动力学性质特征,还要考虑工程实现的可行性。传统的单一、集总系统控制算法,很难满足扑翼飞行器这类大变形柔性结构、变体飞行、交互耦合动态系统、驱动能源功率非常有限的多自由度机电系统控制需求。针对不同的飞行模式、环境情况以及飞行任务,在一个扑翼飞行器上设计可重构控制器,基于切换策略、调度策略、自适应策略辅助下,选择不同的控制器或多控制器并行使用来对机体进行控制,是一个值得深入探索研究的方向。另外,借助基因工程技术,有效利用生物体自身的结构材料、神经肌电系统,实现生物的可控飞行,是一个值得高度关注的研究方向。

在应用方面。目前的扑翼飞行器样机大多处于实验室阶段,多数样机几乎没有除了飞行以外的功能。在未来的应用中,如何提高机体的负载能力,将其他功能模块合理的搭载在机体上,同时提高机体的隐蔽性,都是值得思考与研究的问题。

5 结论

扑翼飞行器是多学科深度交叉融合的研究对象,开展相关技术研究可以深入促进先进材料、先进控制、非定常空气动力学等领域的研究、发展和应用,无论是在学术研究方面,还是在应用方面,都具有深刻的实际意义。本文综合近20余年国内外主要扑翼飞行器样机的研究发展,讨论了国内外关于扑翼飞行器的种类、主要指标现状、关键技术等方面的研究内容与成果。在综合分析这一领域研究现状的基础上,对于未来扑翼飞行器发展方向和重要研究课题进行了讨论,以期为同行提供参考。

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Research status and development of flapping wing aircraft

ZHOU Lin1, ZHANG Zhonghai1, WANG Jianhui2,3, ZHAO Quanliang2, HE Guangping2

(1.Beijing Aerospace Measurement and Control Technology Co., Ltd., Beijing 100041, China; 2.North China University of Technology, Beijing 100144, China; 3.Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: In light of the research status of different types of bionic flapping wing aircraft, we expounded the advantages and disadvantages of existing technologies of flapping wing aircraft. According to the different bionic objects, we introduced and analyzed the key technologies of flapping wing aircraft, including dynamics, structure, materials, modeling and control. On the basis of comprehensive analysis of the research status of this field, the development direction of flapping wing aircraft in the future was prospected, and the possible technical problems were predicted, so as to provide reference for the research of flapping wing aircraft.

Key words: flapping wing aircraft; dynamics; aircraft modeling; bionic robot; control system

本文引用格式:周林,张忠海,王建辉,等.扑翼飞行器的研究现状与发展[J].兵器装备工程学报,2022,43(08):44-54.

Citation format:ZHOU Lin, ZHANG Zhonghai, WANG Jianhui, et al.Research status and development of flapping wing aircraft[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2022,43(08):44-54.

中图分类号:T19

文献标识码:A

文章编号:2096-2304(2022)08-0044-11

收稿日期:2021-10-10;

修回日期:2021-11-24

作者简介:周林(1993—),男,硕士,工程师,E-mail:1048338243@qq.com。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2022.08.007

科学编辑 轩海彬 博士(天津直升机研发中心)

责任编辑 周江川