葉錦濤，劉鳳麗，郝永平，劉雙杰，郭夢輝，馮卓航

（1.沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；2.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159；3.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司南京研發(fā)中心，江蘇南京211100；4.西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，陜西西安710049）

在自然界，撲翼飛行的鳥類和昆蟲具有優(yōu)越的飛行性能［1-3］。目前，人類研發(fā)的飛行器主要有固定翼、旋翼和撲翼三大類。相較于固定翼和旋翼飛行器，撲翼飛行器具有機動能力強、在低雷諾數(shù)下機械效率高、隱蔽性強等特點。在穿梭往返于狹窄地帶進行空中偵察時，撲翼飛行器的優(yōu)勢尤為突出［4-7］。

撲翼飛行器的研究受到廣泛關(guān)注。很多研究機構(gòu)通過多種方法改善了撲翼飛行器的驅(qū)動方式和飛行效率［8-13］。在撲翼飛行器的設(shè)計方面也有不少研究成果。美國Aero Vironment公司研制了仿蜂鳥機器人Nano Hummingbird［14］，其總質(zhì)量為19 g，翼展為16.5 cm，撲翼頻率為30 Hz；采用電機加繩傳動的驅(qū)動方式，翅膀的扭轉(zhuǎn)動作由繩傳動和限位裝置的控制實現(xiàn)，首次實現(xiàn)了仿生撲翼飛行器的懸飛和六自由度可控飛行；但其尺寸太小，空中載重飛行能力較弱。德國Festo 公司研制了一款仿生蝙蝠B(yǎng)ionic Flying Fox［15］，其總質(zhì)量達580 g，翼展為228 cm，體長為87 cm；翅膀由一種極薄而強韌的薄膜制成，該薄膜由1層彈性纖維和2層密封膜構(gòu)成；其特點是在飛行時能夠通過骨架的運動來控制翅膀變形，從而獲得較強的飛行能力；但該飛行器尺寸較大，在空中飛行時易被地面人員察覺，應(yīng)用范圍受限。美國特拉華大學(xué)于2004年研制了名為“Sparrow”的微型撲翼飛行器［16］，其早期為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量為50 g，翼展為50 cm，后改進為碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量為15 g，翼展為36 cm；之后又研制了“MPH”系列撲翼飛行器，采用微凸輪結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了飛行器的弦向扭轉(zhuǎn)。劉晶等設(shè)計了一款總質(zhì)量為23.8 g，翼展為18 cm，撲翼頻率為22 Hz，撲動幅值為180°的可垂直起飛的仿昆蟲微型撲翼飛行器［17］，但該飛行器產(chǎn)生的升力僅大于自身質(zhì)量2 g，且由外部電源供電，難以在實驗室外完成載重飛行任務(wù)。曹金秋等提出了一種采用6個轉(zhuǎn)動副、具有2個自由度的空間撲翼機構(gòu)［18］，但未進行飛行器整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計及樣機制作，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性沒有得到試驗驗證。

在空中偵察等需求背景下，需要既具備一定的負(fù)載能力，又具有高隱蔽性的飛行器。目前，小尺寸飛行器常常難以完成戶外載重飛行任務(wù)，而載重型飛行器的尺寸一般都比較大，在超低空飛行時易被地面人員察覺。因此，筆者在總結(jié)前人研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制作了一款基于平面?zhèn)鲃訖C構(gòu)的小型撲翼飛行器并進行了飛行試驗，以實現(xiàn)飛行器的超低空飛行，并具有空間隱蔽性。超低空一般指距地面的飛行高度在300 m以內(nèi)［19］。

1 撲翼飛行器的總體設(shè)計要求

所設(shè)計的撲翼飛行器將應(yīng)用于超低空偵察等。因此，飛行器須具有較強的仿生性，能夠模擬中小型鳥類的撲翼動作，具備加減速、轉(zhuǎn)向、抬升、俯沖等空中運動能力，以承擔(dān)跟蹤地面移動目標(biāo)的任務(wù)，并能完成在一定區(qū)域內(nèi)的偵察及搜尋工作。要求飛行器的飛行高度可控，飛行速度不宜過慢，在超低空執(zhí)行偵察等任務(wù)時不易被地面人員察覺。

以中小型鳥類為參照進行撲翼飛行器總體尺寸的設(shè)計。撲翼飛行器的模型如圖1所示。

圖1 撲翼飛行器模型Fig.1 Model of flapping wing aircraft

平面?zhèn)鲃邮綋湟盹w行器多采用單曲柄滑塊機構(gòu)。但是之前的許多構(gòu)型要么造成了機翼在撲動時的不對稱性，要么因添加齒輪而增加了傳動部分的重量。本設(shè)計基于曲柄滑塊機構(gòu)，對由聯(lián)動桿貫穿的翅根進行開槽設(shè)計，使得聯(lián)動桿可以在翅根的槽內(nèi)滑行，帶動翅膀撲動。此舉既保證了撲翼的對稱性，又降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

平面機構(gòu)自由度F的計算公式為：

式中：n為活動構(gòu)件的個數(shù)；Pl為低副數(shù)；Ph為高副數(shù)。

所設(shè)計的撲翼飛行器為四桿機構(gòu)，有3個活動構(gòu)件，3個旋轉(zhuǎn)副和1個移動副均為低副。根據(jù)式（1）可得其自由度為：

撲翼飛行器的轉(zhuǎn)向和俯仰姿態(tài)由尾翼調(diào)節(jié)，因此撲翼只有1個自由度，其動力源數(shù)也為1?？梢姄湟淼淖杂啥葦?shù)量與動力源數(shù)相等，機構(gòu)運動可以確定。

要求設(shè)計的撲翼飛行器與常見的中小型鳥類具有一定的相似性，在空中執(zhí)行偵察等任務(wù)時難以被地面人員察覺。飛行器以空心杯電機作為驅(qū)動源，采用二級減速齒輪增大轉(zhuǎn)矩，由傳動機構(gòu)帶動撲翼實現(xiàn)往復(fù)撲動功能。通過撲翼運動使飛行器產(chǎn)生升力，利用遙控發(fā)射與接收裝置對電機轉(zhuǎn)速等飛行參數(shù)進行控制。其外形如圖2所示。

圖2 撲翼飛行器外形Fig.2 Appearance of flapping wing aircraft

其設(shè)計要求如下：

1）飛行器總體尺寸與中小型鳥類相當(dāng)，翼展不超過50 cm；撲動穩(wěn)定，左右翅膀?qū)ΨQ分布。

2）撲翼頻率能夠變化，最大撲翼頻率為15 Hz，即最小撲翼周期約為0.067 s。

3）撲動幅度盡可能大，撲動幅值θ≥45°。

4）尾翼能夠被操控，以完成飛行器的空中轉(zhuǎn)向動作。

2 撲翼飛行器撲動機構(gòu)的設(shè)計

撲翼飛行器的傳動機構(gòu)為平面式結(jié)構(gòu)。依據(jù)上述設(shè)計要求，以曲柄滑塊機構(gòu)為機構(gòu)核心，設(shè)計了一種平面式撲動機構(gòu)。平面單自由度撲動機構(gòu)可以通過曲柄滑塊機構(gòu)將驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為翼的撲動，利用柔性翼梁和翼肋的氣動彈性形變實現(xiàn)翼的二維運動［20］。

撲翼飛行器的傳動機構(gòu)如圖3所示。其中：x方向為水平方向，y方向為垂直方向；O1為輸出齒輪與機架的鉸接點，O2為翅膀前緣與機架的鉸接點；曲柄O1A為原動件，當(dāng)O1A轉(zhuǎn)動時，滑塊B沿y方向作上下往復(fù)運動，帶動翅膀前緣BO2在xy平面沿O2來回轉(zhuǎn)動，從而帶動機翼上下?lián)鋭印?/p>

圖3 撲翼飛行器傳動機構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission mechanism of flap‐ping wing aircraft

滑塊運動如圖4所示。其中：B1、B2分別為滑塊質(zhì)心的上止點和下止點；L1、L2分別為左、右翅根與機架的鉸接點到滑塊質(zhì)心的距離；L為滑塊行程；d為左翅根與機架的鉸接點到右翅根與機架的鉸接點的距離，其值與機架形狀相關(guān)，結(jié)合飛行器的尺寸大小，取d=30 mm；通過對中小型鳥類飛行的研究，設(shè)定撲翼飛行器的撲動幅值為65°，其中向上撲動角α=40°，向下?lián)鋭咏铅?25°。

圖4 滑塊運動示意圖Fig.4 Schematic diagram of slide block motion

由圖4可知：

將d=30 mm，α=40°，β=25°代入式（3）和式（4），可得：

根據(jù)L的數(shù)值，可以進行飛行器機架正面滑槽長度的設(shè)計；根據(jù)L1、L2的數(shù)值，可以進行左翅根和右翅根的結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計的曲柄滑塊機構(gòu)如圖5所示。其中：S為滑塊在任意時刻水平方向的位移；S1為曲柄長度；S2為連桿長度。

圖5 曲柄滑塊機構(gòu)Fig.5 Crank slider mechanism

由曲柄滑塊機構(gòu)的幾何關(guān)系可知：

結(jié)合實際加工條件，設(shè)置撲翼飛行器的設(shè)計參數(shù)如下：翼展，41.2 cm；撲翼頻率，15 Hz；撲動幅值，65°；滑塊行程，19.6 mm；曲柄長度，9.8 mm；左、右翅根與機架鉸接點的間距，30 mm。

3 撲翼飛行器虛擬樣機的設(shè)計及仿真分析

選用三維設(shè)計軟件Creo進行撲翼飛行器整機結(jié)構(gòu)設(shè)計。撲翼飛行器由機架、驅(qū)動機構(gòu)、撲動機構(gòu)、左右機翼和尾翼構(gòu)成。驅(qū)動機構(gòu)由空心杯電機、小齒輪、雙聯(lián)齒輪和末級齒輪構(gòu)成；撲動機構(gòu)由曲柄、聯(lián)動桿和左右翅膀前緣構(gòu)成。在Creo軟件中對撲翼飛行器進行建模，定義電機、齒輪副等的類型，設(shè)定相應(yīng)的運動參數(shù)，進行撲翼運動仿真；對飛行器翼面末端的端點進行標(biāo)記，繪制撲翼飛行器翼面末端的運動軌跡；用測量模塊進行角度測量。

撲翼飛行器在不同時刻的運動姿態(tài)及翼尖軌跡如圖6所示。

圖6 撲翼飛行器在不同時刻的運動姿態(tài)及翼尖軌跡Fig.6 Motion attitude and wing tip trajectory of flap‐ping wing aircraft at different times

撲翼飛行器的撲動幅值為64.270 5°，如圖7所示，可見與設(shè)計值65°基本一致，表明構(gòu)建的三維模型符合設(shè)計要求。

圖7 撲翼飛行器撲動幅值Fig.7 Flapping amplitude of flapping wing aircraft

為了對撲翼飛行器在運動過程中的角度、角速度、力矩等參數(shù)進行分析，將Creo軟件所繪制的撲翼飛行器三維模型導(dǎo)入ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system，機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析）軟件。撲翼飛行器動力學(xué)分析模型如圖8所示。

圖8 撲翼飛行器動力學(xué)分析模型Fig.8 Dynamics analysis model of flapping wing aircraft

對撲翼飛行器各部件的材料進行定義，對各部件之間的連接方式進行設(shè)置。確定了各運動副類型及驅(qū)動方式后，進行動力學(xué)仿真分析。

撲翼飛行器撲動幅度和角速度的仿真結(jié)果如圖9（a）和圖9（b）所示。由圖9（a）可知，撲翼飛行器的撲動幅值約為65°，與模型設(shè)計值一致。由圖9（b）可知，當(dāng)撲翼飛行器的翼尖部位處于最高點或最低點時，其角速度為0 rad/s；當(dāng)翼面處于水平位置時，其角速度達到最大。

圖9 撲翼飛行器撲動幅度和角速度的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of flapping amplitude and an‐gular velocity of flapping wing aircraft

撲翼飛行器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處平衡力矩的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可知，在下?lián)潆A段，連桿與滑塊接觸處x方向的平衡力矩比y方向的大許多。比較2個連接處的平衡力矩可知，連桿與滑塊接觸處的平衡力矩大于翅根與機架鉸接點處的平衡力矩，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)關(guān)注連桿與

圖10 撲翼飛行器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處平衡力矩的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of balance torque at the rotat‐ing joint of flapping wing aircraft

滑塊接觸處材料的強度，選用強度較大的鋼材料作為滑塊材料。

4 撲翼飛行器的制作和飛行試驗

根據(jù)設(shè)計參數(shù)制作撲翼飛行器樣機，并進行室內(nèi)和戶外飛行試驗。撲翼飛行器的主要材料為碳纖維，機翼選用滌綸布，動力裝置采用空心杯電機。依照在Creo軟件中建立的三維模型進行制作。

為了使飛行器在空中完成指定方向的飛行，具備轉(zhuǎn)向能力，在飛行器尾翼設(shè)計中采用“⊥”形尾翼。尾翼與一級舵機連接，一級舵機控制尾翼的左右運動，同時一級舵機與二級舵機相連，二級舵機控制一級舵機和尾翼的上下運動，二級舵機則同時與機架相連。對撲翼飛行器各部件進行組裝并進一步固定。撲翼飛行器實物如圖11所示。

圖11 撲翼飛行器實物Fig.11 Material object of flapping wing aircraft

首先進行撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗。采用遙控裝置控制電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)子輸出的扭矩經(jīng)齒輪副作用在曲柄齒輪上帶動搖桿運動，搖桿拉動滑塊在機架內(nèi)作往復(fù)直線運動；滑塊分別穿過左、右翅根，翅根轉(zhuǎn)動，并帶動兩側(cè)機翼作往復(fù)撲翼運動；待飛行器飛到一定高度時，調(diào)整尾翼使飛行器的攻角保持恒定，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速以控制飛行器的飛行速度；當(dāng)飛行前方出現(xiàn)欄桿時，控制尾翼轉(zhuǎn)動，使飛行器接收到指令后向右方轉(zhuǎn)向，避開前方的障礙物。撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗如圖12所示。

圖12 撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗Fig.12 Indoor flight test of flapping wing aircraft

撲翼飛行器室內(nèi)飛行試驗完成后，進行戶外飛行試驗?？刂莆惨硐蜃笏綌[動，使飛行器向左轉(zhuǎn)向；控制尾翼向右水平擺動，使飛行器向右轉(zhuǎn)向；飛行器在空中飛行一段時間后，控制飛行器往教學(xué)樓飛行，最終抵達目標(biāo)地點——教學(xué)樓窗戶，此時飛行器的飛行高度為13～15 m。撲翼飛行器戶外飛行試驗如圖13所示。

圖13 撲翼飛行器戶外飛行試驗Fig.13 Outdoor flight test of flapping wing aircraft

飛行試驗表明，撲翼飛行器可以進行較長時間的室內(nèi)和戶外飛行，飛行時長達3～5 min，且具有加減速、轉(zhuǎn)向、抬升、俯沖、避障等能力，可以實現(xiàn)超低空飛行。所設(shè)計的撲翼飛行器仿生性能較好，飛行時聲音較?。黄渫庑魏惋w行動作較接近鳥類，當(dāng)飛抵一定高度時，隱蔽性大幅增強，難以被地面人員察覺。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種仿生撲翼飛行器。通過對鳥類飛行的研究，結(jié)合設(shè)計要求，確定了撲翼飛行器的設(shè)計參數(shù)；通過Creo軟件構(gòu)建了飛行器模型，并在此基礎(chǔ)上采用ADAMS軟件進行動力學(xué)分析；制作了撲翼飛行器樣機，并進行室內(nèi)和戶外飛行試驗，試驗結(jié)果驗證了該撲翼飛行器的實用性。

采用平面式曲柄滑塊機構(gòu)作為撲翼飛行器傳動機構(gòu)，有助于減小飛行器的體積，同時保證了撲動的對稱性和穩(wěn)定性；設(shè)計了一種采用雙級傳動的尾翼，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和俯仰多自由度飛行姿態(tài)的調(diào)節(jié)。撲翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，沒有冗余構(gòu)件，具有良好的仿生性能和飛行能力，可以進行超低空飛行，應(yīng)用前景較廣。