馬東福，宋筆鋒，宣建林，年 鵬

(1. 西北工業(yè)大學航空學院，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學太倉長三角研究院，太倉 215400)

0 引 言

仿鳥撲翼飛行器(Bird-like flapping-wing aerial vehicle，BFAV)是一種新概念、新原理和新技術高度集成的飛行器，具有體積小、飛行效率高、隱蔽性好等諸多特點[1-2]，適合在城市樓群、密林等復雜環(huán)境中穿梭飛行甚至棲停，尤其適用于反恐、維穩(wěn)和特種作戰(zhàn)中[3-5]。裝有微型攝像系統(tǒng)的仿鳥撲翼飛行器加裝高能微型炸彈，可以作為一種隱蔽性很強的定點精確攻擊武器，同時，通過組網(wǎng)方式可組成微型戰(zhàn)斗群，大幅提高單體作戰(zhàn)效能[6]。自1996年美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Program Agency，DARPA)啟動“微型飛行器”研究計劃以來[7-8]，短短20多年的時間，仿鳥撲翼飛行器的研制已經(jīng)取得諸多顯著成果，其中具有代表性的有美國馬里蘭大學的Robo-Raven[9-10]，德國Festo公司的Smartbird[11]，中國西北工業(yè)大學的“信鴿”[12]等。

仿鳥撲翼飛行器在飛行時，所攜帶能源有限，要求它在執(zhí)行任務的過程中盡最大可能節(jié)省能源。同時在此過程中，其所處任務環(huán)境復雜多變(如在偵查敵情時，要求其隱蔽在某個角落進行定點監(jiān)控，完成監(jiān)控后再次起飛執(zhí)行下一個任務)，飛行器需在任意時間和地點完成降落或者起飛動作以應對隨機發(fā)生的狀況，而這一動作則是需要在沒有人為干預或間接干預的情況下完成，于是就要求仿鳥撲翼飛行器必須具備消耗少量能量的自主起降能力。目前仿鳥撲翼飛行器自主起降相關研究還較少，且僅有為數(shù)不多的仿鳥撲翼飛行器具備自主起降能力，如DARPA委托美國航空環(huán)境公司研制的Nano Hummingbird[13]、斯坦福大學研究中心和多倫多大學合作研制的Mentor[14]，但該兩種飛行器還均無法兼顧平飛，而對于Robo-Raven[9-10]、“信鴿”[12]等極大多數(shù)仿鳥撲翼飛行器來說，仍采用手拋起飛的方式。隨著仿鳥撲翼飛行器研究日益成熟，自主起降已經(jīng)成為其走向?qū)嵱没缆坟叫韫タ说年P鍵技術之一，并逐漸被重視起來，然而受限于結(jié)構(gòu)重量、能源動力等諸多問題，該技術仍面臨巨大的挑戰(zhàn)[3-4]。

1 鳥類起降動作研究

科學家們從飛鳥獲得靈感創(chuàng)造出了仿鳥撲翼飛行器，因此研究鳥類起降機理，對仿鳥撲翼飛行器自主起降研究具有指導意義。起飛、降落是鳥類在棲息地和空中飛行兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，需要翅膀、腿和尾巴等部位共同協(xié)作完成，是鳥類生存最重要的動作之一，尤其是在躲避天敵時，起飛動作直接決定了其被殺死的概率[15-17]。鳥類起飛要比在空中飛行困難且復雜得多，因為鳥類必須提供大于自身重力的升力才能離開所棲息的位置；降落時，則與起飛動作相反，需升力小于自身重力，同時降低飛行速度[15,18]。

鳥類從棲息地到空中轉(zhuǎn)變時，最重要的是達到起飛速度[19]。對于可實現(xiàn)懸停的蜂鳥，其升力產(chǎn)生的機制和昆蟲比較相似[20]，即通過翅膀的高頻翻轉(zhuǎn)撲動，使得其在上撲和下?lián)湫谐讨芯a(chǎn)生升力[21-22]，從而可以垂直起飛，而對其它大部分鳥類來說，則需要借助其它一些方式。跳躍作為一種短時間內(nèi)獲得高速的極為有效的方法[23]，被諸多鳥類采用。起飛時，腿部提供了主要初始加速度，當腳離開棲息地時，翅膀承接后續(xù)運動。斑馬雀和鉆鴿通過跳躍可獲得90%起飛加速度，而歐洲椋鳥則高達95%[24]。但當鳥類無法通過跳躍起飛時，則需要通過腿部奔跑和翅膀撲動協(xié)同加速，在紅喉潛鳥水面起飛過程中，這一起飛速度為10 m/s[25]。另外當鳥類處于樹枝、桿塔或者峭壁等較高的地方時，則選擇張開翅膀從高處下落，拍打翅膀滑翔起飛，這是一種相對省力的起飛方式。

圖1 鳥類起降Fig.1 Birds take-off and landing

鳥類從空中到棲息地轉(zhuǎn)變時，主要根據(jù)著陸點的特征做出相應決策，提前將速度降低以增大著陸的準確性和安全性[26]。著陸前，通過減小翅膀的撲動頻率、撲動幅度，調(diào)整翅膀、身體及尾巴的姿態(tài)增加飛行阻力；著陸時，翅膀和尾巴維持平衡，腿和腳則用來起支撐和緩沖的作用[18,27-28]。

由上述可知，鳥類具有原地垂直起飛(蜂鳥)、跳躍起飛、奔跑起飛、滑翔起飛四種起飛方式。原地垂直起飛時，翅膀以特殊的運動規(guī)律撲動，同時獲得升力和推力完成起飛；跳躍起飛時，通過腿部力量以一定角度起跳提供主要的起飛初始速度和加速度，腳離開棲息地的同時，翅膀快速撲動提供升力和推力完成起飛；奔跑起飛時，通過快速奔跑產(chǎn)生向前的初始速度和加速度，同時伴隨翅膀撲動進行加速，當達到起飛速度時完成起飛；滑翔起飛時，從高處躍下，同時撲動翅膀，利用重力加速從而完成起飛。而鳥類降落時，則是通過改變翅膀的形狀及身體姿態(tài)減速，完成降落。

綜上，通過對鳥類起降方式學習，可以將其原理應用到仿鳥撲翼飛行器垂直起降、彈跳起降、滑跑起降和滑翔起降的自主起降方案設計中。

2 自主起降技術研究進展

在實際使用時，仿鳥撲翼飛行器通過某種特定的方式自主起飛并快速進入飛行狀態(tài)，然后在任務需要時降落。結(jié)合鳥類起降方式和目前仿鳥撲翼飛行器自主起降研究成果，仿鳥撲翼飛行器自主起降技術可歸納為下述類型。

2.1 垂直起降技術

1)尾座式垂直起降技術

通過實驗、仿真計算等手段，蜂鳥翅膀的運動規(guī)律及相關氣動機理已逐漸被學者們所揭示[20-22]，模仿蜂鳥翅膀特殊運動使仿鳥撲翼飛行器垂直起降成為可能。如圖2(a)所示，由DARPA委托美國航空環(huán)境公司研制的Nano Hummingbird[13]，起飛總重19.0 g，撲動頻率30 Hz，具有自主起降、懸停的能力，可實現(xiàn)6.7 m/s的最大前飛速度，航時4 min，同時還可攜帶攝像頭等任務設備。如圖2(b)所示，比利時布魯塞爾自由大學研制的Colibri[29]，起飛總重22 g，撲動頻率22 Hz，可實現(xiàn)垂直起降、穩(wěn)定懸停及前飛。如圖2(c)所示，中國北京航空航天大學研制的仿蜂鳥撲翼飛行器[30]，起飛總重25 g，撲動頻率35 Hz，可實現(xiàn)垂直起降、穩(wěn)定懸停及簡單機動。

圖2 仿蜂鳥撲翼飛行器Fig.2 Hummingbird-like flapping-wing aerial vehicle

采用尾座式垂直起降技術，使仿鳥撲翼飛行器具有了良好的自主起降性能，但同時也帶來了載重小、航時短等其他問題。對一般仿鳥撲翼飛行器來說，在飛行過程中，其撲動平面幾乎時刻保持豎直狀態(tài)，撲動頻率和撲動幅度相對較低；而由于采用該技術，在起降期間，機翼的撲動平面幾乎水平，同時撲動頻率和撲動幅度均較大，飛行器功耗較高，若持續(xù)以該姿態(tài)前飛，那么將對飛行器的航時十分不利，因此起降、平飛之間的轉(zhuǎn)換尤為重要。

然而這一轉(zhuǎn)換過程，仍存在諸多問題。起降階段，機翼高頻、大幅撲動，同時為使飛行器擁有較為合理的穩(wěn)定性和操縱性能，需要將重心布置在機身后部適當遠離機翼焦點的位置；平飛階段，則是需要機翼以較小的幅度和頻率撲動，同時要將重心適當接近機翼的焦點。目前大多數(shù)仿鳥撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)只能實現(xiàn)特定運動規(guī)律[3-4]，這種撲動參數(shù)的變化和重心位置的變化對機構(gòu)設計提出新挑戰(zhàn)；與此同時，仿蜂鳥撲翼飛行器控制研究，也主要集中在懸停等單一飛行狀態(tài)下，因此不同飛行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換控制也需要進一步突破[31-33]。

2)混合布局垂直起降技術

旋翼飛行器最大的特點便是可實現(xiàn)垂直起降，這也為仿鳥撲翼飛行器垂直起降帶來另外一條解決思路。

圖3 微型撲旋翼飛行器Fig.3 Flapping-rotor wing micro aerial vehicle

目前旋翼+撲翼的布局形式主要有兩種，一種是撲旋翼，如圖3(a)所示，其通過一對繞中心軸旋轉(zhuǎn)的撲動翼上下?lián)鋭赢a(chǎn)生水平力矩驅(qū)動撲動翼被動旋轉(zhuǎn)，在撲動翼撲動和旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生升力，可實現(xiàn)垂直起降[34-35]。如圖3(b)所示，由英國克蘭菲爾德大學、中國北京航空航天大學以及北京理工大學的撲旋翼研究團隊合作制作的機械式撲旋翼，實現(xiàn)了該類布局飛行器的首次垂直起降飛行[36]。該種飛行器從布局到飛行方式都與本文所研究的仿鳥撲翼飛行器相去甚遠，其對仿鳥撲翼飛行器自主起降技術研究指導性意義不大，因此不再過多敘述。

另一種布局形式類似于旋翼固定翼復合式無人機[37-39]，在這里將它稱為混合布局。文獻[40]詳細介紹了一種三旋翼混合布局形式，如圖4(a)所示，在該設計中，仿鳥撲翼飛行器的尾翼被三旋翼的尾槳替代用來縱向配平和操縱，通過旋翼和撲翼的混合布局，使其兼具垂直起降、懸停和快速平飛的能力。文獻[41-42]則是設計了一種四旋翼混合布局的仿鳥撲翼飛行器，如圖4(b)所示，兩對螺旋槳體對稱安裝在仿鳥撲翼飛行器中，以滿足起降和懸停的任務要求，而平飛由撲翼模式完成，目前其原理樣機雖已制作出來，但還未進行相關飛行實驗。

圖4 混合布局垂直起降仿鳥撲翼飛行器Fig.4 Hybrid vertical take-off and landing BFAV

混合布局垂直起降技術，最大的特點是以旋翼垂直起降和懸停的優(yōu)勢彌補了仿鳥撲翼飛行器自主起降功能缺陷，另外當在任務過程中，撲翼功能失效時，還可利用旋翼模式使飛行器繼續(xù)飛行，從而提高了飛行器的生存力，雖然目前尚未出現(xiàn)利用該技術成功飛行的仿鳥撲翼飛行器，但其仍是一種較為可行的技術方案。引入旋翼后，其布局成為關鍵，不同的布局形式所對應的結(jié)構(gòu)重量、功耗、控制策略等均有所差異，這與旋翼固定翼復合式無人機有諸多相似地方，但在細節(jié)上又存在巨大差異。混合布局仿鳥撲翼飛行器主要運動為機翼上下?lián)鋭?，旋翼與撲翼之間相互氣動耦合影響仍不清晰，旋翼模式與撲翼模式狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制也需要進一步研究。

2.2 彈跳起降技術

將彈跳技術用于仿鳥撲翼飛行器上，使其起跳到一定高度并獲得初速度完成自主起飛，逐漸成為學者們研究的熱點。Hudson等[43-44](見圖5(a))、中國江西理工大學熊康太[45](見圖5(b))，從仿生學角度對鳥類起降過程進行細致分析，分別設計了不同結(jié)構(gòu)的彈跳機構(gòu)，通過建模、仿真初步校驗了仿鳥撲翼飛行器彈跳起飛技術的可行性；英國曼徹斯特大學Sivalingam[46]以仿鳥撲翼飛行器彈跳起飛為目標，設計、制作了一種直壓式彈簧彈跳機構(gòu)(見圖5(c))，通過測試其已具備一定彈跳性能，但仍需在體積、結(jié)構(gòu)重量等方面進行進一步優(yōu)化；中國東南大學Zhang等[47]基于多平行四邊形機構(gòu)，設計、制作了一種彈跳與撲翼多模式復合運動的仿鳥撲翼飛行器(見圖5(d))，但尚未成功起飛。

圖5 彈跳起降模型Fig.5 The model of jumping take-off and landing

由于諸多彈跳機器人所表現(xiàn)出的超強彈跳性能[48-50]，使得彈跳依舊為仿鳥撲翼飛行器自主起降問題的重要解決途徑。目前，彈跳機器人在設計、制作等方面已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗[51-52]，彈跳滑翔機器人[53-56]實現(xiàn)了空中姿態(tài)調(diào)整和減小落地沖擊，仿蝗蟲彈跳機器人[57-58]初步實現(xiàn)了彈跳-撲翼復合運動，這些部分成果均可直接應用于仿鳥撲翼飛行器彈跳起降技術。值得注意的是，應用于仿鳥撲翼飛行器后，彈跳僅是作為輔助飛行器自主起降的一個功能，而飛行才是飛行器的主要任務，因此這就要求彈跳機構(gòu)在滿足起降性能的基礎上，其重量仍不影響飛行器的正常飛行，然而就目前來看，這已成為制約該技術發(fā)展的最大障礙，亟需攻克。

2.3 滑跑起降技術

自然界中鳥類奔跑起飛比較常見，其通過快速奔跑并撲動翅膀來達到起飛條件。應用于仿鳥撲翼飛行器上，可在機腹安裝輪式起落架，將機身支撐起最優(yōu)的起飛角度，起飛時，撲動機翼推動機身在地面滑跑，當達到起飛速度時，完成起飛。起飛后也可收起起落架以減小阻力，降落時重新放下。

美國加利福尼亞大學Peterson等[59]利用起落架使仿鳥撲翼飛行器BOLT成功滑跑起飛，如圖6(a)所示，飛行器翼展28 cm，撲動頻率18 Hz，起飛重量11.4 g，當滑跑速度達到2.5 m/s時可在光滑的木板上起飛，滑跑距離為2 m。韓國國防發(fā)展局Jong-Heon等[60]對加裝了起落架的仿鳥撲翼飛行器進行了性能測試，如圖6(b)所示，該飛行器翼展50 cm，撲動頻率12.25 Hz，起飛重量210 g，當機翼撲動推動機身在光滑地面上滑跑速度達到7.23 m/s時，飛行器成功起飛，滑跑距離為11.22 m。

圖6 滑跑起降仿鳥撲翼飛行器Fig.6 Taxiing take-off and landing BFAV

仿鳥撲翼飛行器滑跑起飛時，通過機翼的撲動同時產(chǎn)生升力和推力，從靜止加速到起飛速度需要一定的滑跑距離，這對起飛場地平整程度提出了較高要求，因此這也限制了該技術的應用。而在撲動滑行過程中，機翼周期性上下?lián)鋭訒斐蓹C身振動，這對前進時機輪指向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[60]，需要克服。

2.4 滑翔起降技術

仿照鳥類滑翔起降，為仿鳥撲翼飛行器加裝棲停裝置，首次起飛時手拋起飛，當需要降落時，使其可以像鳥兒一樣棲停在屋頂、電線桿或者樹枝等較高的地方，當再次起飛時，只需從棲停地滑落，進入滑翔模式獲得起飛速度完成起飛。文獻[61]以此起降技術為基礎進行了相關設計，如圖7所示，該棲停裝置為一對仿生機械鳥爪，通過視覺導航單元和運協(xié)調(diào)處理器共同作用來完成仿鳥撲翼飛行器的起降動作。

圖7 撲翼仿生起落架系統(tǒng)Fig.7 Bionic undercarriage system of BFAV

滑翔起降技術更為仿生，然而其技術要求也更高，在該技術中，如何完成精準降落成為最重要的問題。為滿足精準降落，仿鳥撲翼飛行器首先必須擁有近乎懸停的能力[61]；其次，不但需要研究輕量化的棲停裝置，更需要研究智能環(huán)境感知和控制系統(tǒng)，如棲停過程中障礙物及棲停位置的精確識別、棲停裝置的收放、棲停過程抗擾動的穩(wěn)定控制、運動模式之間的轉(zhuǎn)換控制等。而就目前技術的發(fā)展來看，還遠遠達不到實際使用的要求，仍需要相關技術的突破才有可能實現(xiàn)真正意義的仿生棲停和滑翔起降[62-65]。

綜上所述，結(jié)合鳥類起降方式和目前仿鳥撲翼飛行器自主起降研究成果，仿鳥撲翼飛行器自主起降可分為四大類五個技術，如圖8所示。針對不同的技術，研究者們已經(jīng)開展了部分研究，但各技術在實際應用中仍存在諸多關鍵技術需要突破。

圖8 仿鳥撲翼飛行器自主起降技術總結(jié)Fig.8 Summary of autonomous take-off and landing technology of BFAV

針對上述總結(jié)的方案，在不同的技術背景之下，各技術方案的優(yōu)劣程度也不同，但就仿鳥撲翼飛行器自主起降這一問題來看，無論對于何種技術方案，關注的性能、指標卻是大致相同的。

就目前技術背景下，從方案的結(jié)構(gòu)重量、功耗、控制系統(tǒng)難易程度、可靠性、仿生程度等評判指標出發(fā)，混合布局垂直起降技術或是最優(yōu)方案，彈跳起降技術具有較大的發(fā)展?jié)摿?，滑跑起降技術較差，而尾座式垂直起降技術及滑翔起降技術仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

3 總結(jié)與展望

近年來，仿鳥撲翼飛行器已經(jīng)從概念設計逐步走向了實用化研究，自主起降功能缺失成為橫亙在其實用化道路上的障礙，這也是開始重視仿鳥撲翼飛行器自主起降技術研究的重要原因。就當前的研究來看，其才剛剛起步，仍有很長的路要走。

仿鳥撲翼飛行器是目前微型飛行器發(fā)展的一種顛覆性的技術和熱點方向，在未來的研究中，一個自主程度更高、載荷能力更強、適應范圍更廣、接近甚至超過自然飛行生物的智能飛行器是研究人員的目標。針對仿鳥撲翼飛行器自主起降發(fā)展問題，本文從下述四個方面提供了一些研究思路。

1)輕便高效是仿鳥撲翼飛行器自主起降設計的基本要求。仿鳥撲翼飛行器的根本目的在于執(zhí)行特定任務，引入自主起降功能模塊勢必會減小飛行器的有效載荷、增加飛行器的功耗。因此對自然界飛行生物起降方式研究仍是十分有必要的，如針對鳥類靈活且強有力的后肢進行深入研究，為仿鳥撲翼飛行器自主起降設計提供理論依據(jù)和設計思路。同時還需引入納米制造技術和人工肌肉等智能材料技術，為發(fā)展出微小、輕量、高效的起降裝置做支撐。將起降裝置進行模塊化設計，針對不同的任務可進行拆裝，從而使其應用更加靈活。

2)多模態(tài)運動為仿鳥撲翼飛行器自主起降設計的根本。發(fā)展仿鳥撲翼飛行器自主起降技術的根本目的就是為了增加仿鳥撲翼飛行器的環(huán)境適應性，因此可結(jié)合其他機器人領域內(nèi)的相關設計經(jīng)驗，探索仿鳥撲翼飛行器跑、跳、起飛、著陸和棲停等運動模式之間的過渡轉(zhuǎn)換及控制方法。

3)高度仿生仍是仿鳥撲翼飛行器自主起降設計的重點。仿鳥撲翼飛行器仿生的飛行方式及外觀使其在任務中更加隱蔽，從而發(fā)揮出更大的作用，因此設計的自主起降裝置無論是從動作還是外形都應仿生地與飛行器系統(tǒng)融合。

4)高度智能為仿鳥撲翼飛行器自主起降設計的終極目標。目前仿鳥撲翼飛行器只能進行一些簡單環(huán)境的應用，因此針對未來復雜任務環(huán)境，還需研究智能識別、自主避障、智能路徑規(guī)劃等人工智能技術在仿鳥撲翼飛行器中的應用，使其具備環(huán)境感知及應變能力，從而真正走向?qū)嵱谩?/p>

自主起降作為仿鳥撲翼飛行器的一個關鍵功能，無論采取何種方式，其都必須無縫地融合到整個飛行器系統(tǒng)中，使仿鳥撲翼飛行器無論從外形還是功能上都高度仿生化。未來擁有環(huán)境感知能力和多模態(tài)運動方式的高智能仿鳥撲翼飛行器將在國防軍事和民用領域大放異彩。