仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展.pdf
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1、第6 卷第3期2023年6 月引用格式】肖扬宏,崔峰,张逸晨,等.仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展J.无人系统技术,2 0 2 3,6(3):45-58.无人系统技术Unmanned Systems TechnologyVol.6No.3June 2023仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展肖扬宏,崔峰,张逸晨,赵佳欣,吴朝封,肖一鸣(上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系微米纳米加工技术全国重点实验室,上海 2 0 0 2 40)摘要:以昆虫为灵感设计的仿生扑翼飞行器在近三十余年来的时间里发展迅速,而蝴蝶作为众多昆虫中极富特色的一种也得到了许多研究者的关注。国内外以蝴
2、蝶为研究对象进行了许多的仿生学研究和仿生飞行器研制,尤其是近十年来仿蝴蝶扑翼飞行器的设计与制造取得了较大的进展。对这一热点领域的研究进行了综述。首先从仿蝴蝶扑翼飞行器(BIFAV)的升力机制研究、结构设计与制造以及驱动与控制方面,综述近年来所取得的研究成果;其次指出仿蝴蝶扑翼飞行器目前在大小尺度、飞行灵活性、续航时间、控制鲁棒性以及仿生的逼真性方面仍然存在研究挑战;最终表明其未来的研究将朝着更小的尺寸、更灵活的飞行与更可靠的控制、更高的仿生程度等方向进一步完善。关键词:仿生扑翼飞行器;仿昆虫;仿蝴蝶;升力机制;驱动与控制;扑动机构中图分类号:V27D0I:10.19942/j.issn.209
3、6-5915.2023.03.25Butterfly Inspired Flapping Wing Air Vehicles:Research Progress,文献标识码:AChallenges and Future Developments文章编号:2 0 9 6-59 15(2 0 2 3)0 3-0 45-14XIAO Yanghong,CUI Feng,ZHANG Yichen,ZHAO Jiaxin,WU Chaofeng,XIAO Yiming(National Key Laboratory of Advanced Micro and Nano Manufacture Techn
4、ology,School of ElectronicInformation and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract:Insect-inspired bionic flapping-wing air vehicles have developed rapidly in the past threedecades,and butterflies have attracted the attention of many researchers as a distin
5、ctive member of manyinsects.At home and abroad,a lot of biomimicry research and bionic aircraft development have been carriedout with butterflies as the research object,especially in the past ten years,the design and manufacture ofButterfly Inspired Flapping-wing Air Vehicle(BIFAV)have made great pr
6、ogress.Research on this hotspotfield is reviewed.Firstly,this paper reviews the results made in recent years from the aspects of lift mechanism,structural design and manufacturing,and drive and control of the BIFAV.Then,it is pointed out that there arestill research challenges in the size scale,flig
7、ht flexibility,endurance time,control robustness and bionicrealism of the BIFAV.Finally,this paper indicates the future research of the BIFAV will be further improvedin the direction of smaller size,more flexible flight and more reliable control,and higher degree of bionics.收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 3;修回日期
8、:2 0 2 3-0 5-0 6基金项目:上海市专业技术服务平台资助(19DZ2291103)46Drive and Control;Flapping Mechanism无人系统技术Key words:Bionic Flapping Wing Air Vehicle;Insect Inspired;Butterfly Inspired;Lift Mechanism;第6 卷1 引 言无论是从飞行外观还是从飞行机制上来讲,蝴蝶都与自然界的大多数昆虫存在很大差异。首先从翅膀来看,相比蜻蜓、蚊子等常见的昆虫,蝴蝶的翅膀具有极大的展弦比,基本接近于1:1,这一特性导致蝴蝶在挥动翅膀进行扑翼飞行的过程中
9、需要克服极大的空气阻力,这要求蝴蝶自身提供很大的输出力矩,所以可以很直观观察到蝴蝶的扑翼频率很慢,最高在10 Hz左右,相比果蝇可以达到2 50 Hz的扑翼频率要低很多。大多数具有狭长翅形的昆虫在翅膀上下拍动时,会形成一个接近水平的划水平面,因而翅膀无论是向上运动还是向下运动,都可以产生一个向上的升力,同时还可以通过调节扑翼方式,抵消向周围位移的力,实现精准的悬停飞行2 ,而蝴蝶则不同,无法悬停,其上下扑翼的过程其实更类似于鸟类扑翼(蜂鸟除外,蜂鸟的扑翼方式与狭长翼昆虫类似)。但相比鸟类飞行,蝴蝶在结构和飞行机制上也存在着许多的不同。首先,鸟类有比较宽大的尾巴,虽然同样不能悬停,但通过尾巴控制
10、面,鸟类可以进行姿态和飞行控制【2 。其次,鸟类的翅膀附着有大量的羽毛,可以通过羽毛的收缩和舒展控制上下扑翼过程与空气的接触面积大小来形成升力阻力差。此外,鸟类的翅膀可以很灵活地伸展收回,这一特点应用于扑翼飞行可以进一步提升飞行时的升力,同时在上拍过程中通过收翼减小阻力。所以,不同于传统昆虫和鸟类,蝴蝶有着自已独特的扑翼飞行方式,同时由于其低频扑翼特性,所以具有低噪声、低功耗的优点,近年来吸引了许多研究者对其扑翼机制进行了深入研究,并且越来越多研究者开展了仿蝴蝶扑翼飞行器(Butterfly Inspired Flapping Wing Air Vehicle,BIFAV)的设计与实现研究。本
11、文着手于近年来研究者们在仿蝴蝶扑翼飞行器领域所取得的成果,主要从飞行机理、结构设计与制造、扑翼驱动与控制方案方面进行阐述分析,同时结合目前的研究指出了BIFAV在尺寸大小、飞行灵活性、续航时间、控制鲁棒性、仿生的逼真性方面存在的一些挑战,最后在结束语中对BIFAV未来的研究发展趋势进行了展望。2飞行机理近二十年来,随着人们对昆虫、类等生物飞行机理研究的不断深入,想要成功设计并制造出一款可以飞行的仿生扑翼飞行器,至少需要满足两个条件,其一是产生足够的升力和推力来克服重力飞行,其二是能够保证稳定可控飞行。关于仿蝴蝶扑翼飞行器飞行机理的研究,也主要是基于上述两点开展的。2.1升力和推力机制蝴蝶主要是
12、通过“阻力原理”进行拍动飞行,平衡身体重量的升力和克服身体阻力的推力均由翅膀的阻力提供,蝴蝶在下拍过程中会产生很大的瞬态阻力,每次下拍中会产生一个由前缘涡、翅端涡及启动涡构成的强“涡环”,其包含一个沿拍动方向的射流,产生此射流的反作用力即翅膀的阻力3,如图1所示。平衡身体重量的升力主要由翅膀下拍中产生的阻力提供。上拍时,由于身体上仰,上拍实际是向后和向上拍动,提供了蝴蝶前进过程中克服阻力的推力,如图2 所示。前一次下拍产生的涡前一次上拍此次下拍产生的涡产生的涡图1蝴蝶下拍时翅面附近流场的等涡量面俯视图3Fig.1Top view of the isovortex surface of the
13、flow field nearthe wing surface when the butterfly is shot down!3第3期肖扬宏等:仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展4712341前一次上拍1前翅;2 一橡皮筋;3一后翅;4滑槽;5一斜三角槽此次上拍的翅端涡产生的涡图2 蝴蝶上拍时翅面附近流场的等涡量面俯视图3Fig.2 Top view of the isovortex surface of the flow field nearthe wing surface when the butterfly is shot uplal北京航空航天大学的孙茂等就黑框蓝闪蝶前飞时的
14、气动特性,通过在运动重叠网格上数值求解Naivie-Stokes方程进行了验证,同时获得了蝴蝶前飞过程中的升力、推力公式以及对应的升力系数V=dcos+lsinT=-dsin+lcosVC,=0.5pU?S式中,V,T,C,分别代表升力、推力以及升力系数,为流体密度,U为蝴蝶对应流体的参考速度,S为翅膀面积3。蝴蝶在上拍的过程中产生运动所需要的推力的同时,也不可避免地引人了一部分向下的力,这部分力会阻碍蝴蝶上升,值得注意的是这部分力虽然会抵消一部分下拍过程中产生的升力,但相较而言,这部分阻力要小得多。俄亥俄州立大学的陈前川等设计了一款基于蝴蝶飞行原理的仿生蝴蝶样机,如图3所示4。通过研究表明,
15、仿生蝴蝶在下拍过程中,其前后翼会充分舒展,获得最大的总迎风面积,以得到更大的平均升力,而在上扑过程中,其前后翼会进行一定的收拢,从而减小向下的空气阻力,如此往复便可以得到一个向上的净升力。自然界的昆虫在扑翼过程中可以很灵活地去改变翅翼的迎风面积,尤其是像蝴蝶这样翼面积很大的个例,其翼面积可改变的空间很大,通过改变前后翅相互叠合的程度,可以很好地提升下拍过程中产生的升力和减小上拍过程中的负升力。5图3陈前川等设计的仿蝴蝶样机4Fig.3Imitation butterfly prototype designed by ChenQianchuan et l此外,蝴蝶翅膀柔性很大,在扑动过程中可以产
16、生很大的柔性变形,可以向后推动更多的空气,从而进一步产生更大的推进力。2.2稳定机制事实上,为了保证飞行的稳定性,蝴蝶除了需要扑动翅膀来获得足够的升力,还需要一定的(1)机制去平衡运动,同时灵活地去调整飞行姿态,(2)与鸟类利用尾翼平衡调整姿态以及果蝇等昆虫高速前后拍打翅膀实现复杂的翻滚操作不同,蝴蝶(3)主要通过在拍打翅膀的同时灵活移动身体来完成各种飞行动作。X(a)下拍开始+X(e)下拍开始时()下拍过程中(g)上拍开始时(h)上拍过程中简化图简化图图4高速相机下蝴蝶一次扑翼动作的分解5Fig.4 Decomposition of a butterflys flapping wing ac
17、tionunder a high-speed cameral5l北京航空航天大学的ZhangY等通过高速相机记录了蝴蝶在自由飞行过程中腹部的摆动、翅膀的运动以及身体的俯仰角,证明蝴蝶的翅膀和身体在不同的飞行状态下是存在耦合的,如图4所示5。基于这一研究发现,建立了真实蝴蝶尺寸的三维刚体模型,并对其气动特性进行了仿真分3(b)下拍中(c)上拍开始简化图4(d)上拍中简化图48析,得到了蝴蝶前飞的最优运动学模型,此外还介绍了前飞过程中三维涡结构的形成和变化,表明腹部摆动对蝴蝶扑翼过程中的重新定向和方向纠正起着关键作用。针对这一特点,阿拉巴马大学亨兹维尔分校的Sridhar等也进行了相应的研究,将所
18、建立的模型与捕捉到的帝王蝶的运动进行了比较,证明了蝴蝶腹部的抖动在增加帝王蝶爬升率和前进速度的同时,还使其运动产生了一个稳定的周期轨道。并且其通过仿真实验得出俯仰运动的平衡位为34时,在测试速度范围内,飞行速度对气动力的影响是相对线性的。扑翼产生的平均升力和阻力随飞行速度同步增大,瞬时气动力峰值随之增大。随着升力不断增大,阻力则先减小后增大。在选择适当的运动学参数情况下,可以确保升力和推力足以实现飞行。此外扑翼角的幅值尽量不大,研究表明,蝴蝶在6 0 扑翼角时具有较大的平均升力,并产生一定的推力。蝴蝶根据不同的升力要求,通过胸腹调整身体俯仰运动从而实时调整相关参数,以达到最佳的运动性能6 。除
19、此之外,Tejaswi 等更是在2 0 2 1年利用这一原理建立了扑翼无人机的动力学模型和控制系统。以帝王蝶为灵感,其模型为由头部、胸部、腹部和两个翅膀组成的铰链体。利用流体上的准定常空气动力学假设和拉格朗日学研究了其动力学原理,其次针对所提出的铰链刚体模型设计了非线性的控制系统,通过这一控制系统产生胸部和腹部的最佳运动。其研究结果表面蝴蝶腹部的抖动提高了飞行的能量效率,减少了总能量和扑翼期间功率的变化,并通过提高收敛速度和扩大吸引力区域进一步改善了飞行稳定性,再一次印证了腹部抖动对于蝴蝶周期运动和飞行稳定性的影响7 。3结构设计与制造近年来,除了对蝴蝶扑翼飞行机制的研究逐渐清晰之外,也有越来
20、越多的研究者尝试去设计和制作一些真正意义上的可自主扑翼的仿蝴蝶飞行器。近十年来,研究者们在仿蝴蝶扑翼飞行器无人系统技术的结构设计与制造这一领域取得了不错的研究成果。下面分别阐述仿蝴蝶扑翼飞行器的结构设计与制造工艺情况。3.1结构设计关于仿蝴蝶扑翼飞行器的结构设计,分别就四翅型结构和两翅型结构进行阐述。3.1.1四翅型结构首先需要提及的是总部位于德国Esslingen的一家涉足于仿生机器人领域的公司一一Festo。它于2 0 16 年申请通过了一项关于仿生蝴蝶的专利并将该仿蝴蝶扑翼飞行器命名为eMotionButterly(。Festo通过材料、工艺与制造整合,研制出一款真正可以飞行的机械仿生蝴
21、蝶,如图5所示。其机身以及翅脉完全采用轻质高强度高韧性的碳纤维材料,同时在翅脉上披覆有弹性电镀膜翼面,整体翅膀具有很好的柔性。通过测量与测试,Festo设计制造的仿生蝴蝶翼展为50 cm,质量仅有32 g,扑翼频率不到3Hz,具备集群活动与自主避障的能力,飞行速度为1 2.5m/s,飞行时间可持续3 4min。图5Festo仿生蝴蝶eMotionButterflyl8Fig.5 Festo bionic butterfly eMotionButterflyl8相比国外,国内对于仿蝴蝶扑翼飞行器的研究虽然较晚,但在设计与制造方面也做了许多的尝试。上海交通大学的冷烨等针对Festo的仿生蝴蝶进行了
22、研究,并自主设计出一套仿蝴蝶扑翼飞行器的结构制造方案,其翼内边缘和翼梁角度在70110,翼内边缘可以平行于躯干纵向轴线,相对于身体纵向轴线占据锐角。此外,其飞行器副翼设计成柔性铰链结构,主翼在副翼之上,在下拍过程中主翼通过与副翼重叠部分带动整个翅膀向下拍动,迎风面积最大,而在翅膀上扑时,由于副翼在主动翼下方,且连接处为柔性铰链,所以主翼和副翼在上扑这一阶段会产生一个相位第6 卷第3期差,从而使迎风面逐渐减小,最终获得一个向上的净升力。根据此套方案加工组装后的样机如图6 所示,其翼展为49.8 cm,机身长37.9cm,总质量32.2 g,扑翼频率在1Hz左右,最大拍打角和扭转角分别为136 和
23、30 9。肖扬宏等:仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展4930.4 cmFront35.3 cmRear图7 北京航空航天大学设计的仿生蝴蝶翅膀构型10 Fig.7 Bionic butterfly wing configuration designed by Beihang图6 上海交通大学设计的仿生蝴蝶样机9Fig.6Bionic butterfly prototype of Shanghai JiaoTongUniversityol3.1.2两翅型结构除了类Festo构型的仿蝴蝶扑翼飞行器,一些研究者对于其他一些构型的蝴蝶也做了尝试。北京航空航天大学的ChiX等基于仿生原理,设计
24、并制造了一种无尾蝶式仿生扑翼飞行器,与Festo不同,北京航空航天大学的仿生蝴蝶并未采用四翅的方案,而是在翅膀设计之初将其简化为两翅模型。不过翅膀仍是采用薄膜与超高模量碳纤维棒来制作,如图7 所示。在机身部分,该研究团队选用塑料材料,并且自主设计了每个零件的内部构造,按照需求使得机翼可以通过机身上的固定接头保持在适当位置,方便翅膀沿着平行于跨度方向的轴旋转。最终样机的翼展为6 4.8 cm,整机质量为38.6 g,扑翼频率为2 Hz,飞行速度1.5m/s,可在一定条件下实现1 min的巡航飞行10 。南京航空航天大学的程宏宝同样采用了其他构型,以黑框蓝闪蝶为基础原型,对仿蝴蝶扑翼飞行器进行了设
25、计。与北京航空航天大学类似,南航也是采取两翼式的简化方式,如图8 所示。但与之前的研究者不同的是,其在设计翅膀时并未采用碳纤维包络翅膀外缘的方式,而是进一步进行了结构简化。并且对该构型的翅脉排布方式进行了建模仿真,在结构简化的基础上得出了最Universityl图8 南京航空航天大学设计的仿生蝴蝶构型IFig.8 Bionic butterfly configuration designed by NanjingUniversity of Aeronautics and Astronauticg u!优的翅脉排布方式。根据此套方案设计出来的仿生蝴蝶翼展为49.3cm,质量控制在31.45g,通
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