两段式三自由度仿鸟扑翼飞行器机构设计与仿真分析

朱名康，朱建阳

(武汉科技大学机器人与智能系统研究院，湖北 武汉，430081)

扑翼飞行器是基于仿生学原理，模仿鸟类或昆虫等飞行生物的飞行方式而设计的一种飞行器。相对于传统的固定翼和旋翼飞行器，扑翼飞行器具有机动性灵活、飞行效率高、能耗低、隐蔽性好等优点。研究显示，扑翼飞行器有着特殊的高升力产生机制，在小尺度、非定常流场和低雷诺数下有出色的飞行能力[1-2]，与固定翼和旋翼飞行器相比更具优势，而且扑翼飞行器在民用和军用领域均有着极大的发展潜力和应用空间[3]。目前，针对扑翼飞行器的研究主要是从扑翼机构设计分析和翼形空气动力学分析两方面进行的，其中扑翼机构的设计尤为关键，这是飞行器能够模仿飞行生物飞行方式的前提。

早期的仿鸟扑翼飞行器大多是把扑翼简化为单自由度上下扑动的刚体模型，如国外有加州理工学院设计的“Microbat”微型扑翼飞行器[4-5]、Mishra等[6]采用曲柄摇杆机构设计的仿鸟扑翼飞行器“Falcon”；国内有南京航空航天大学设计的“翠雀”仿鸟扑翼飞行器[7]、西北工业大学设计的ASN-211仿鸟扑翼飞行器[8]。单段式仿鸟扑翼飞行器的优点是结构简单、稳定可靠，缺点是未考虑鸟类翅膀的折弯变形和扭转动作，气动性能差、飞行效率低等。

近年来，随着研究的深入，人们发现多段式及多自由度的柔性扑翼有着更好的气动性能，更能模仿鸟类的飞行特征[9-10]。于是国内外研究者设计了大量的多段式仿鸟扑翼飞行器，如Festo公司的仿海鸥扑翼飞行器“SmartBird”[11]采用两段折叠翼设计，外翼可主动扭转，飞行能力极强，但其采用的是混合动力和多驱动，结构复杂；……