趙 民，張 祥，付 強?，張春華，賀 威

1) 北京科技大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)人工智能研究院，北京 100083 3) 中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，綿陽 621000

人類最初的飛行夢想源于對自然界中鳥類和昆蟲等飛行生物的模仿.根據(jù)氣動布局和飛行動力來源，可將常見的飛行器分為固定翼飛行器、旋翼飛行器和撲翼飛行器三大類.固定翼飛行器無法實現(xiàn)懸停功能，而且機翼微型化后很難提供足夠的升力；旋翼飛行器具備懸停能力，但是飛行效率會隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)直徑的減小而迅速下降[1]；撲翼飛行器采用仿生飛行方式，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2],因其潛在的高飛行效率備受研究人員的關(guān)注.

近年來，隨著微電子、智能材料、精密加工等高新技術(shù)的發(fā)展，仿生撲翼飛行器的研究取得了很大進展.國外代表性的研究成果主要有哈佛大學(xué)Wood 團隊的“RoboBee”系列樣機[3-6]，代爾夫特理工大學(xué)Karásek 團隊的“DelFly”系列樣機[7-9]，建國大學(xué)Park 團隊的“KUBettle”系列樣機[10-12]，麻省理工學(xué)院的“Phoenix”[13]，塞維利亞大學(xué)的“EFlap”[14]，F(xiàn)esto 公司的仿生雨燕“BionicSwift”、仿生銀鷗“SmartBird”[15]、仿生蝴蝶“eMotionButterflies”、仿生蜻蜓“BionicOpter”，以及Aero Vironment 公司的仿生蜂鳥“Nano Hummingbird”[16].國內(nèi)代表性研究成果主要有北京科技大學(xué)賀威團隊的“USTBird”[17-20]、仿生蝴蝶“USTButterfly-S”[21]，西北工業(yè)大學(xué)宋筆鋒團隊的仿生信鴿“Dove”[22]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）徐文福團隊的仿生鳳凰“HIT-Hawk”和“HIT-Phoenix”[23]，北京航空航天大學(xué)王少萍團隊的仿生蝴蝶“X-Butterfly”[24]，以及上海交通大學(xué)張衛(wèi)平團隊的仿昆蟲微型撲翼飛行器[25-26].雖然仿生撲翼飛行器在樣機研制方面有了很大突破，但是離樣機的實用化水平還有很大的差距，其中最大問題就是續(xù)航時間能力不足.仿生撲翼飛行器負載能力有限，對電池的重量和尺寸提出了嚴格要求.由于現(xiàn)階段研制符合要求的高能量密度電池還存在著較大難度，因此最好的方法是“師法自然”，通過仿生設(shè)計降低能耗以增加續(xù)航時間.本文總結(jié)分析了自然界中飛行生物高效飛行的特征，討論了仿生撲翼飛行器能耗的研究現(xiàn)狀，對撲翼飛行器高效仿生設(shè)計的發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望，希望能給仿生撲翼飛行器的設(shè)計提供指導(dǎo)性建議.

1 飛行生物能耗研究

仿生撲翼飛行器是以自然界飛行生物為靈感進行設(shè)計的一類飛行器[27]，因此在研究仿生撲翼飛行器能耗之前，對目前有關(guān)鳥類和昆蟲能耗的研究進行總結(jié)整理，將有助于對仿生撲翼飛行器進行能耗分析.自然界中的飛行生物，無一例外全部采用撲翼方式飛行，它們只需要進行較少的食物補給，即可飛行較遠的距離，其中它們自身的翅膀結(jié)構(gòu)及飛行策略起著非常關(guān)鍵的作用.

鳥類的翅膀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，整個翅膀由初級飛羽、次級飛羽、覆羽和絨羽覆蓋，且一般可分為兩段—內(nèi)翼和外翼，如圖1(a)所示.不同的鳥類其翅膀形狀一般不同，也導(dǎo)致其具有不同的飛行特性.如鴿形目和雀形目一般是橢圓形的翅翼，翅膀后翼寬闊，機動性能較強，能快速起飛，但在飛行時一般需要持續(xù)拍打翅膀，不利于遠距離飛行；鸮形目翅膀一般長而寬闊，其初級飛羽的間隙較大，容易打散氣流，使得它們能夠很好地利用氣流進行翱翔；雀形目翅膀則翼尖細長，能夠進行快速飛行；長而細的翅膀形狀多見于信天翁和銀鷗等一些大型鳥類，這些鳥類一般具有較強的機動性和耐力，能夠主動利用氣流進行遠距離滑翔[28].不同于由前肢演化而來的鳥類翅膀，昆蟲翅膀多是由體節(jié)的背板向兩側(cè)擴展而成的，且翅膀結(jié)構(gòu)相較于鳥類更加簡單，一般僅由縱橫交錯的細且具有一定剛度的翅脈和具有一定韌性的薄翼膜組成[29]，如圖1(b).除了少許神經(jīng)外，昆蟲的翅膀只在翅根處與身體用肌肉連接，不具備骨骼和肌肉系統(tǒng).

圖1 生物翅膀結(jié)構(gòu).(a) 鳥類[28];(b) 昆蟲[29]Fig.1 Structure of biological wings: (a) birds[28];(b) insects[29]

鳥類在一個飛行周期的不同階段，翅膀會采用不用的撲翼動作.如圖2 所示，以綠頭鴨為例，在翅膀下?lián)鋾r，內(nèi)翼與外翼處于完全展開狀態(tài)，增大了翅膀與空氣的接觸面積，提高了翅膀下?lián)鋾r產(chǎn)生的升力，且在下?lián)溥^程中，由于鳥類羽毛具有一定柔性，翅膀呈現(xiàn)一定程度的上彎，如圖2（a）～（f）所示；在上撲階段，翅膀外翼折疊，與內(nèi)翼成一定角度，減小上撲時的負升力，且隨著上撲的動作，所呈角度越來越大，直至完全展開，如圖2（g）～（l）所示.但鳥類在飛行時，往往不會一直撲動翅膀，一般采取“撲翼-滑翔-撲翼-滑翔”的飛行策略，在連續(xù)進行幾次撲動后，維持翅膀展開不動，通過滑翔來減少能耗[30].除此之外，部分鳥類在長距離遷徙時，還會采用集群飛行的方式來減小能量消耗.例如鶴類、鷺類、雁鴨類等，它們會根據(jù)飛行時周圍氣流、環(huán)境等因素，采取不同的隊形.鳥類集群飛行時，頭鳥的翼尖處會形成空氣漩渦，這個漩渦產(chǎn)生的翼尖力，會形成一種升力，當后面的從鳥與前面的鳥保持一定的位置關(guān)系和距離時，通過調(diào)整自身拍打翅膀的節(jié)奏，就能夠節(jié)省體力延長飛行距離[31].

圖2 鳥類撲翼飛行一個周期的分解圖[32].（a）～（f）為下?lián)潆A段;（g）～（l）為上撲階段Fig.2 Decomposition of flapping wing movements in birds[32]:（a）-（f）show the downstroke of flapping motion;（g）-（l）show the upstroke of flapping motion

昆蟲的翅膀是單段翼結(jié)構(gòu)，且由于翅膀中不具備骨骼和肌肉系統(tǒng)，導(dǎo)致其只能在翅根處控制翅膀的撲動，翅膀的變形只能在外界氣動力的作用下產(chǎn)生被動的形變，無法完成像鳥類翅膀一樣復(fù)雜的“打開-合攏”動作.但在飛行過程中，昆蟲翅膀的運動方式主要有以下特點：第一，昆蟲在整個撲翼過程中其翅翼會有較大的扭轉(zhuǎn)運動，昆蟲會利用翅根處的肌肉在一定范圍內(nèi)主動扭轉(zhuǎn)翅翼，這種方式會使得整個撲翼過程中其迎角不斷變化，同時氣動力和慣性力也會幫助進行這種扭轉(zhuǎn)動作[33]；第二，昆蟲翅膀雖然不具有“打開-合攏”機制，但是它們卻可以通過將串列翼相互疊合等操作來減小翅翼上撲時的受力面積[34]；第三，昆蟲的翅翼在撲動過程中會產(chǎn)生較大的彎度.這些運動方式使得昆蟲在飛行過程中能夠產(chǎn)生足夠的升力和推力.

由上述可知，鳥類和昆蟲都可以根據(jù)自身狀態(tài)不斷變換翅膀運動方式，根據(jù)翅膀所處撲翼階段，調(diào)節(jié)翅翼受力面積，使其能夠以較少的能耗產(chǎn)生較大的升力與推力，滿足自身飛行所需的動力.同時，在長時間飛行時，鳥類又會采取“撲翼-滑翔-撲翼-滑翔”的撲翼方式，通過連續(xù)拍打幾次翅膀后，維持翅膀不動，減小撲翼頻率，減少能耗，增加續(xù)航.在長距離飛行時，鳥類還會采取集群飛行的方式，合理利用頭鳥產(chǎn)生的翼尖渦，來減少從鳥飛行所需的能耗，延長飛行距離.通過對鳥類和昆蟲翅膀結(jié)構(gòu)及飛行特點的學(xué)習(xí)，可以將影響鳥類和昆蟲能耗的因素歸為三類，一是翼面幾何參數(shù)與迎角等靜態(tài)參數(shù)，二是撲翼過程中翅膀的撲動姿態(tài)及動態(tài)扭轉(zhuǎn)角，三是鳥類長時間或長距離飛行時的飛行策略，包括“撲翼-滑翔-撲翼-滑翔”和集群飛行策略.本文對于仿生撲翼飛行器能耗的研究進展將從翼面材料與靜態(tài)參數(shù)、撲翼動態(tài)參數(shù)與儲能結(jié)構(gòu)、控制策略三個方面進行介紹.

2 仿生撲翼飛行器能耗研究

2.1 仿生撲翼飛行器能耗組成

仿生撲翼飛行器通過電機與齒輪組等組成的驅(qū)動機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為翅膀的上下?lián)鋭?，實現(xiàn)仿生撲翼飛行器的飛行.在整個飛行過程中，仿生撲翼飛行器的能耗總體上可分為兩部分，一部分為機體所消耗的能量，包括飛行控制器電路的熱損耗、驅(qū)動結(jié)構(gòu)的傳動損耗；另一部分為機翼撲動所產(chǎn)生的與空氣動力學(xué)相關(guān)的能耗，該部分又可分為三部分[35]，包括用來產(chǎn)生升力和克服空氣阻力所需的氣動能耗，用來加速機翼及周圍氣體所需的慣性能耗和被動存儲在機翼彈性結(jié)構(gòu)中的彈性能耗.機翼撲動所產(chǎn)生的與空氣動力學(xué)相關(guān)的三部分能耗之間不是恒定不變的，而是隨著一個撲翼周期內(nèi)機翼的上下?lián)鋭樱糠帜芎闹g存在相互轉(zhuǎn)化[36].當機翼處于撲翼加速階段時，機翼的慣性能耗會被主要用于加速機翼及其周圍的流體，使撲翼動能增加，慣性能耗減??；當機翼處于撲翼減速階段時，機翼的動能則會被主要用于克服空氣阻力做功，或者存儲于機翼的彈性結(jié)構(gòu)中，使撲翼動能減小，氣動能耗和彈性能耗增加.

現(xiàn)在有關(guān)于仿生撲翼飛行器能耗的研究大致可分為以下兩種思路：一種思路是研究單一參數(shù)對仿生撲翼飛行器能耗的影響，得到該參數(shù)與仿生撲翼飛行器能耗的具體關(guān)系.這種研究比較簡單，可以利用風(fēng)洞試驗得到測試數(shù)據(jù)，通過分析測試數(shù)據(jù)來指導(dǎo)仿生撲翼飛行器的設(shè)計.但是，該研究思路往往只能得到能耗隨參數(shù)變化的定性結(jié)論，在具體的飛行器設(shè)計時，需要結(jié)合實際樣機情況具體設(shè)置參數(shù).另一種研究思路是同時研究多個參數(shù)對仿生撲翼飛行器能耗的影響，通過調(diào)節(jié)各參數(shù)的不同組合，得到一種能耗最低的最優(yōu)組合.這種方法變量較多，如果采用風(fēng)洞實驗，實驗次數(shù)將隨著變量的增加呈指數(shù)型增長，使得研究難度大大增加，所以這種研究多采用數(shù)值計算的方式.相較于自然界中的飛行生物，仿生撲翼飛行器的動力主要依靠自身攜帶的電池來提供.仿生撲翼飛行器受負載能力的限制，攜帶的電池主要以輕型、小容量的鋰電池為主，續(xù)航時間有限，提升續(xù)航時間最直接的辦法是采用新型輕質(zhì)高能量密度電池.目前，關(guān)于新型高能量密度電池的研究已經(jīng)取得了一定進展[37-39]，但是適用于仿生撲翼飛行器的新型輕質(zhì)高能量密度電池有待進一步開發(fā)，因此對于新型輕質(zhì)高能量密度電池的研究不再做過多討論.

2.2 翼面材料與靜態(tài)參數(shù)

針對仿生撲翼飛行器的研究還未形成完整的理論體系，對于仿生撲翼飛行器的樣機研制也是處于探索時期.與仿生撲翼飛行器能耗相關(guān)的靜態(tài)參數(shù)有很多，但目前的研究主要集中在翅膀形狀、剛?cè)狁詈弦约安煌囊砟げ牧系葘湟盹w行器能耗的影響，旨在通過機翼展弦比、新的翼膜材料、翼展大小等對仿生撲翼飛行器的能耗影響，在整機的設(shè)計上面得到優(yōu)化，從而設(shè)計出低能耗、長續(xù)航的仿生撲翼飛行器.

在翼面幾何參數(shù)對撲翼飛行器能耗影響方面，劉懿和張艷來[40]通過模型實驗測量和CFD(Computational fluid dynamics)數(shù)值仿真，對撲翼飛行器各部分能耗進行了研究.通過實驗測量研究了總輸入功率和電機的功率損耗隨著機翼面積、翼根攻角和撲翼頻率的變化規(guī)律，通過CFD數(shù)值仿真分析了不同參數(shù)對氣動能耗和慣性能耗的影響規(guī)律.吳應(yīng)東[41]通過實驗對可能影響撲翼飛行器能耗的幾何參數(shù)進行了研究，并根據(jù)結(jié)果對仿生撲翼飛行器進行了優(yōu)化.Nguyen 等[42]通過實驗研究了機翼展弦比、機翼偏置量以及撲動頻率三個參數(shù)對撲翼氣動能耗的影響.實驗結(jié)果顯示，展弦比的增大對氣動能耗的影響不明顯，但大的展弦比會使翼尖處撲翼速度增大，使慣性能耗增加，而慣性能耗是包含在機械結(jié)構(gòu)能耗中的，故展弦比的增大會使機械能耗增加，但展弦比對慣性能耗的影響弱于撲動頻率；氣動能耗和機械能耗與撲動頻率呈正相關(guān)，但與平均弦長呈負相關(guān).

在機翼柔性度對能耗的影響方面，Mountcastle等[43]通過對大黃蜂翅膀進行加固處理，進行了一項研究以檢驗翅膀的靈活性對氣動力產(chǎn)生的影響.研究結(jié)果顯示，柔性機翼能夠在撲動過程中產(chǎn)生有利于飛行的柔性形變，從而起到增大升力和提升載荷的作用.Nakata 等[44]的研究指出，在懸停過程中，柔性機翼能比剛性機翼產(chǎn)生更大的垂直氣動力，并且具有更高的效率.Thiria 等[45]通過改變翼膜厚度研究了柔性機翼對撲翼飛行器系統(tǒng)推進效率的影響，研究結(jié)果表明，機翼的柔性不僅可以使消耗功率大幅減少，還增大了推力.如圖3(a)所示，Pi表示不同柔性翼的功耗，通過設(shè)計不同的翼膜厚度h來改變機翼的柔性，結(jié)果表明在25～30 Hz 的頻率范圍內(nèi)，柔性最大的機翼可以比柔性最小的機翼節(jié)省高達60%的功耗.研究中還發(fā)現(xiàn)，不同厚度翅膀的最優(yōu)能耗頻率不同，如圖3(b)所示，定義了效率因數(shù)η=PT/Pi，其中PT表示推進功率，0.4 mm 厚度的最優(yōu)頻率大概在25 Hz 左右，0.25 mm 厚度的最優(yōu)頻率則在29 Hz 左右，這也意味著在翅膀薄膜厚度選擇上面，要根據(jù)撲翼飛行器的撲動頻率選擇合適的翅膀薄膜厚度.

圖3 能耗/效率隨頻率的變化圖[45].(a) 電機消耗的電能隨頻率變化;(b) 效率因數(shù)η 隨頻率變化Fig.3 Energy consumption and efficiency curve with the frequency of a flapping wing[45]: (a) electrical power consumed by the motor and (b) efficiency factor η as a function of frequency

除了對翼面幾何設(shè)計參數(shù)和翼膜柔性進行研究外，還有團隊正在嘗試采用新的材料為撲翼飛行器進行供電或者輔助供電.其中美國哈佛大學(xué)研制的“Microfly”微型撲翼飛行器(圖4(a))就采用了壓電驅(qū)動方式[46]，該撲翼飛行器整機重60 mg，撲動頻率為110 Hz，可在6 m·s-1的速度下飛行，是目前已知的最小的仿生撲翼飛行器，與真實蒼蠅極為相似.該團隊的另一款撲翼飛行器Robobee X-Wing 同樣沒有采用傳統(tǒng)鋰電池作為電源[6]，而是在飛行器頂端安裝了塊邊長約5 mm 的太陽能電池板，如圖4(b)所示，只要持續(xù)有光源照射，這些電池板就能夠為這款撲翼飛行器提供飛行所需的能源.

圖4 壓電驅(qū)動和太陽能驅(qū)動飛行器.(a) Microfly[46];(b) Robobee XWing[6]Fig.4 Wing drive by piezoelectric materials or solar energy: (a)Microfly[46] ;(b) Robobee X-Wing[6]

使用單一的太陽能或壓電材料為撲翼飛行器不間斷地提供能源，這一方法一般只適用于質(zhì)量較小的撲翼飛行器，當撲翼飛行器質(zhì)量較大時，這兩種方式能夠提供的電能有限，但可作為機載輔助供電系統(tǒng)來增加飛行器的續(xù)航能力.吉林大學(xué)的房志飛采用PVDF 壓電薄膜(圖5(a))設(shè)計了一款能量回收翅翼[47]，這一設(shè)計的好處在于能夠在不增加負載的情況下，以較低的翅翼振動頻率提取振動能量，并以輔助供能的方式為系統(tǒng)供電.該壓電薄膜翅翼在設(shè)計的仿生撲翼飛行器上，最高可產(chǎn)生93.6 μW 的輸出功率為系統(tǒng)供電.馬里蘭大學(xué)Perez-Rosado 于2015 年設(shè)計了一款太陽能回收翅翼[48]，如圖5(b)所示，首先通過將太陽能電池從封裝結(jié)構(gòu)中剝離來降低材料剛度，然后將其集成在撲翼上，使之成為多功能結(jié)構(gòu)，在實驗機翼60.58 cm 的翼展下，陽光充足時每個模塊可以獲得50 mA、6 V 的輸出.西北工業(yè)大學(xué)的楊文青設(shè)計并測試了一種單向孔撲翼[49]，孔之間通過鉸鏈連接，上沖程過程中鉸鏈打開，下沖程過程中鉸鏈關(guān)閉,如圖6(a)所示.然而，鉸鏈連接不能保證單向孔開閉的連續(xù)性.在此基礎(chǔ)上，利用鳥類羽毛的單向開閉特性對該方法進行了改進，采用羽毛作為撲翼的覆蓋皮（圖6(b)），可以實現(xiàn)連續(xù)的開閉間隙，使撲翼過程更加平穩(wěn)，獲得平滑的氣動特性.結(jié)果表明，單孔/間隙撲翼可以有效提高升力，降低能耗.

圖5 采用輔助供電系統(tǒng)延長續(xù)航.(a) 壓電薄膜翅膀[47];(b) 太陽能回收機翼[48]Fig.5 Auxiliary power supply system to improve endurance: (a) piezoelectric thin film material wings[47];(b) solar recovery wing[48]

圖6 仿生開閉機制[49].(a) 單向孔機翼模型;(b) 羽毛機翼和薄膜機翼Fig.6 Bionic opening and closing mechanism[49]: (a) model of the wing with one-way holes;(b) feather-covered flapping-wing and membrane wing

2.3 撲翼動態(tài)參數(shù)與儲能結(jié)構(gòu)

撲翼飛行器的動態(tài)參數(shù)主要指撲翼過程中機翼的被動扭轉(zhuǎn)、彎折、機體的俯仰等參數(shù)，以及撲翼頻率、撲動幅值、機翼的展開與合攏等動作.本節(jié)也將從這幾個方面進行研究總結(jié).

關(guān)于撲翼幅值和撲翼頻率等單一因素對撲翼飛行器能耗的影響研究較多，國內(nèi)外都進行了大量實驗，付鵬等[50]在2016 年通過風(fēng)洞實驗，研究了不同單一參數(shù)對撲翼飛行器能耗的影響，研究參數(shù)涵蓋了撲翼頻率、撲翼幅值以及斯特勞哈爾數(shù)，但該研究僅涉及單一參數(shù)的定性研究，并未涉及到多參數(shù)耦合或者參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等問題.Ke等[51]以線性展弦比約束和非線性雷諾數(shù)約束為懲罰項，研究了基于功率密度模型的機翼幾何參數(shù)和機翼運動參數(shù)的懸停飛行能耗最小化問題.在動態(tài)俯仰軸對飛行器能耗影響方面，Wang 等[52]通過設(shè)計四種不同翅膀，研究了在懸停狀態(tài)下，被動俯仰撲翼飛行器的俯仰軸位置對飛行器能耗及氣動力的影響.研究結(jié)果顯示，最優(yōu)俯仰軸位置位于前緣和中弦線之間，而大多數(shù)撲翼飛行器使用的傳統(tǒng)機翼只是簡單地在翅膀前緣上下擺動.從功率消耗的結(jié)果顯示，運動學(xué)優(yōu)化的情況下，最優(yōu)俯仰軸機翼可以節(jié)省多達33%的能耗，同時最優(yōu)俯仰軸的位置也影響系統(tǒng)動能回收能力.在最優(yōu)俯仰軸的情況下，通過恢復(fù)機翼動能，可以節(jié)省超過13%的動力消耗，而傳統(tǒng)機翼節(jié)能的能耗基本可以忽略不計.

在研究自然界飛行生物時發(fā)現(xiàn)，它們在飛行時都會產(chǎn)生沿翅膀展向的扭轉(zhuǎn)或弦向的彎曲，這種變形會產(chǎn)生相當大的應(yīng)變能量，這種能量可以被回收用來在一個撲翼周期中加速或減速翅膀，這種機制被認為可以減少飛行時的慣性能耗需求,影響飛行生物的飛行效率[53-57].Young 等[58]通過流體力學(xué)對蚱蜢翅膀的研究發(fā)現(xiàn)，翅翼的形變顯著提高了蚱蜢前飛時平均力與功率之比.Zheng等[59]利用三維非定常Navier-Stokes 方程，比較了扭轉(zhuǎn)翼與平直翼，驗證了扭轉(zhuǎn)和拱度對自由飛行蝴蝶氣動性能的影響.他們的研究成果都表明，可變性機翼（包括展向扭轉(zhuǎn)和弦向彎曲）產(chǎn)生的力和力/功率比可分別比平直機翼高出29%和46%.同時在前飛過程中，機翼扭轉(zhuǎn)的影響在升力產(chǎn)生和升力/功率比方面的影響顯著.Le 等[60]研究發(fā)現(xiàn)，機翼的扭轉(zhuǎn)和拱度顯著提高了平均升力和推力，而所需的能耗比剛性機翼更小.Du 和Sun[61]的進一步研究指出，弦向的彎曲增加了升力，而展向的扭轉(zhuǎn)則在降低能耗方面起到一定的作用.Phan 等[62]則采用非定常葉片單元理論，研究了懸停狀態(tài)下沿翼展方向的機翼扭轉(zhuǎn)對垂直氣動力的影響，并與平直機翼在垂直氣動力和能耗方面進行了比較.Jankauski[63]針對機翼的柔性變形對撲翼飛行器能耗的影響做了研究，研究發(fā)現(xiàn)適當?shù)娜嵝孕巫儠档头逯邓矔r功率，但當機翼的柔性形變過大時，大的形變會招致額外的能量消耗.同時該研究指出，通過調(diào)整機翼前緣梁的直徑或材料可以有效調(diào)整機翼的固有頻率，從而影響飛行器氣動性能.Lehmann[64]通過對機翼變形功率的估計，證明了在飛行中機翼展向彎曲是造成機械能損失的來源.

鳥類或者昆蟲的翅膀都由肌肉驅(qū)動，但由于技術(shù)限制，目前還無法將人造肌肉應(yīng)用于仿生撲翼飛行器中，這導(dǎo)致人造撲翼飛行器與自然界中的飛行生物依然存在巨大差距.飛行生物的肌肉可以在它們每一次撲翼行程的末端，將翅膀的動能存儲在肌肉系統(tǒng)中，并在下一行程中釋放[65].而使用剛性連接桿與齒輪的組合進行驅(qū)動的人造撲翼飛行器，無法將這一動能轉(zhuǎn)換成彈性勢能，造成了能量損失.為了能夠?qū)崿F(xiàn)彈性勢能的存儲與釋放，一種帶彈性阻尼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)被提了出來，張威等[66]通過在美國拉華大學(xué)“Sparrow”撲翼結(jié)構(gòu)的頂端及兩側(cè)分別加裝彈簧（圖7），發(fā)現(xiàn)帶有彈性阻尼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)不僅可以減小能耗，還可以降低運動副的沖擊力，達到減震、降噪的目的，同時延長機構(gòu)的使用壽命.但由于彈簧的存在，這種帶彈性阻尼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)重量會過大，科研人員逐步將目光轉(zhuǎn)向了使用柔性彈性結(jié)構(gòu)替換彈簧結(jié)構(gòu)進行能量存儲上.例如哈佛大學(xué)的Sahai 等[67]采用了基于橡膠材料的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)（圖8(a)～(b)）.該結(jié)構(gòu)經(jīng)過試驗驗證，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能節(jié)約20%能量消耗和1%的重量，同時該機構(gòu)提供的推力更大.南洋理工大學(xué)的Lau 等[68]采用輕質(zhì)聚酰亞胺薄膜鉸鏈作為彈性勢能存儲元件，同時采用碳纖維板增加了聚酰亞胺鉸鏈的剛度，如圖8(c)、8(d)所示.該機構(gòu)具有非線性增加的剛度，可以使機翼在結(jié)束行程時迅速減速，并隨后幫助機翼扭轉(zhuǎn).實驗結(jié)果表明，與剛體機構(gòu)相比，該機構(gòu)可以在撲翼頻率為25 Hz 時，節(jié)約近21%的能耗.Hines 等設(shè)計了一種新型雙電機驅(qū)動的微型撲翼飛行器，機翼和電機連接處通過利用彈性元件進行能量回收，系統(tǒng)可以產(chǎn)生共振，減少電機轉(zhuǎn)子和機翼運動所需的功耗[69].

圖7 帶彈性阻尼結(jié)構(gòu)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)[66]Fig.7 Drive structure with elastic element[66]

圖8 帶柔性儲能元件的驅(qū)動機構(gòu)[67-68].(a) 哈佛大學(xué)微型撲翼飛行器;(b) 四連桿傳動機構(gòu);(c) 南洋理工大學(xué)的微型撲翼飛行器;(d) 聚酰亞胺薄膜鉸鏈彈性勢能存儲元件Fig.8 Drive mechanism with flexible energy storage element[67-68]: (a) flapping-wing micro air vehicle of Harvard University;(b) transmission forming a four-bar;(c) flapping-wing micro air vehicle of Nanyang Technological University;(d) polyimide film hinges for elastic energy storage

自然界中的鳥類通過肌肉驅(qū)動且翅膀一般分為內(nèi)翼和外翼兩部分，它們在飛行的上撲或下?lián)溥^程中，會根據(jù)所處階段的不同選擇打開或合攏動作，即使是單段翼的昆蟲，也會進行翅膀的扭轉(zhuǎn)與折疊等動作.撲翼飛行器則多采用單段翼的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會使得翅膀上撲的時候，產(chǎn)生較大的負升力，造成能量浪費的同時也不利于仿生撲翼飛行器的飛行.德國Festo 公司的Smartbird 飛行器就采用了多段翼被動彎折設(shè)計，其外翼與內(nèi)翼之間采用了如圖9 所示的機構(gòu)，這種設(shè)計使得Smartbird 在下?lián)潆A段翅膀處于完全張開的狀態(tài)，并在上撲階段被動彎折，減少受力面積，這一設(shè)計使得Smartbird 具備了出色的飛行性能.王超紅設(shè)計了一款驅(qū)動機構(gòu)[70]，該機構(gòu)同時具有彈性儲能結(jié)構(gòu)和多段翼結(jié)構(gòu)，可對兩側(cè)機翼進行獨立控制.在翅膀上撲時可將翅膀折疊，同時在每個撲翼行程的末端將能量存儲在彈性結(jié)構(gòu)中，使得該設(shè)計平均升力更高，能耗更小.

圖9 Smartbird 機翼被動彎折結(jié)構(gòu)Fig.9 Wing structure of Smartbird

2.4 控制策略

近年來，仿生撲翼飛行器樣機研制取得了很大進展，樣機的性能指標得到了很大提升，但對于撲翼飛行器控制策略的研究仍處于起步階段.針對撲翼飛行器飛行控制的研究主要包括姿態(tài)控制[71]、振動控制、路徑規(guī)劃[72]和編隊控制等，由于撲翼飛行器動力學(xué)建模困難且大部分研究集中在理論分析，諸如基于能量優(yōu)化的撲翼飛機姿態(tài)控制[73]和高能效飛行軌跡控制[74]等方法尚未在撲翼飛行器樣機得到實驗驗證.

鳥類在長時間飛行時，會間歇性采取滑翔的動作，可以有效節(jié)省能量，國內(nèi)外機構(gòu)和學(xué)者都對這一飛行方式產(chǎn)生了興趣.Hosoi 等[75]設(shè)計了一款小型蝶形撲翼飛行器，這款撲翼飛行器可以在撲翼和滑翔之間切換，結(jié)果顯示，即使是撲翼飛行的小型昆蟲，采用滑翔飛行方式也能夠節(jié)省能量.蔣國江[76]將仿生撲翼飛行器分解為六體的多剛體模型，其中機身和尾翼各為一個剛體，每只機翼看成兩個剛體，之后采用擬坐標拉格朗日方程建立了仿生撲翼飛行器的多體動力學(xué)模型.Johnson等[77-78]建立了單段翼的“撲翼-滑翔”模型，該模型結(jié)合了滑翔飛行的非線性動力學(xué)和機載電池的等效電路放電模型，通過電池續(xù)航時間和飛行距離來判斷仿生撲翼飛行器的“撲翼-滑翔”模型勢能.結(jié)果顯示這一模式只有在撲翼時才會消耗電池能量，采用這一模型的仿生撲翼飛行器可以大大增加續(xù)航時間.Chen 等[79]借鑒鳥類翅膀收合運動特點，設(shè)計了一款新穎的仿生機構(gòu)，在下沖程階段展開機翼以產(chǎn)生升力和推力，并在上沖程階段收縮機翼；機翼撲動運動與變形運動耦合在一起，通過對機翼變形與撲動的簡單解耦，實現(xiàn)下沖程時的機翼變形運動，室外飛行測試結(jié)果如圖10 所示,其中Δt表示相鄰飛行動作的時間間隔.Ma 等[80]基于層次分析法(AHP)的綜合評價方法，建立了撲翼飛行器自主起降方案的模糊綜合評價模型，確定混合布局垂直起降方案是最佳方案；在此基礎(chǔ)上，對一種四旋翼混合動力布局的撲翼飛行器樣機進行了詳細設(shè)計和研制（圖11），結(jié)果表明通過四旋翼混合布局設(shè)計的撲翼飛行器具備良好的自主起降能力，能耗分析表明具有更長的任務(wù)續(xù)航時間.

圖10 戶外飛行能力測試[79].(a) 傾斜轉(zhuǎn)彎;(b) 爬升;(c) 快速滾轉(zhuǎn)機動飛行Fig.10 The ability test for outdoor flight [79]: (a) banking turn;(b) climb;(c) rapid rolling maneuver

圖11 四旋翼混合布局的撲翼飛行器研制[80].(a) 風(fēng)洞實驗裝置;(b) 四旋翼混合布局的撲翼飛行器原型機Fig.11 Design of the hybrid layout flapping-wing air vehicle[80]: (a) experimental setup for the wind tunnel experiment;(b) prototype of the four-rotor hybrid layout flapping-wing air vehicle

自然界中的飛行生物，在遠距離遷徙時，往往采用集群飛行的策略，Weimerskirch 等[81]通過對雁群的研究發(fā)現(xiàn)，在集群飛行時，頭雁拍動翅膀會產(chǎn)生渦流，使在此渦流中飛行的從雁的升力大大提升，從而節(jié)省大約11%～14%的體能，但這一飛行方式也會使頭雁的體能消耗增大.Voelkl 等[82]進一步研究發(fā)現(xiàn)，在雁群的多種陣型中，V 字型陣型對于雁群的能量節(jié)省效應(yīng)最明顯.而Andersson等[83]研究指出，在雁群的V 字型陣型中，銳角V字型陣能使從鳥節(jié)省能耗，而對于頭鳥的能耗節(jié)省效果不明顯，更適合低雷諾數(shù)下的大型鳥類使用；而鈍角V 字型陣對各個位置的飛鳥都有節(jié)約能耗的效果，更適用于小型鳥類.國內(nèi)段海濱教授團隊通過觀察鴿群的飛行方式，提出了一種基于鴿群的編隊控制方法，該方法通過引入虛擬長機的方式避免了長機與僚機之間的通信干擾，提高了控制精度[84].尹曌等[85]基于大雁遷徙過程中的編隊飛行機制，研究了撲翼飛行器高效集群飛行控制方法，實現(xiàn)了仿生隊形的維持和隊形的變換，進一步驗證了理論方法的可行性.

3 研究方向展望

雖然有關(guān)仿生撲翼飛行器能耗方面的研究已取得一定成果，但與自然界飛行生物對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有仿生撲翼飛行器的飛行效率與自然界真實鳥類之間還存在較大差距[86].當前，仿生撲翼飛行器正處于快速發(fā)展的階段，但續(xù)航能力的不足將大大限制仿生撲翼飛行器的實際應(yīng)用價值，通過對仿生撲翼飛行器能耗進行更全面的研究來提升仿生撲翼飛行器的續(xù)航能力具有重要意義.本文結(jié)合仿生撲翼飛行器能耗研究現(xiàn)狀，提出以下研究方向：

（1）翼面設(shè)計參數(shù)-機翼表面結(jié)構(gòu)研究

清華大學(xué)團隊通過對鳥類羽毛表面微觀結(jié)構(gòu)的分析，揭示了鳥類羽毛表面摩擦減阻的生物學(xué)特性[87].西北工業(yè)大學(xué)團隊采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同小羽翼幾何參數(shù)對翼型氣動性能的影響[88].北京航空航天大學(xué)團隊通過數(shù)值仿真的方法，分析了翅翼的褶皺結(jié)構(gòu)對氣動力的影響[89].自然界種鳥類和昆蟲翅膀形態(tài)結(jié)構(gòu)對于樣機性能的提升具有重要的借鑒意義，但是目前對于仿生結(jié)構(gòu)的分析主要集中在理論研究，并未在樣機上開展相關(guān)的試驗測試.因此，開展樣機機翼結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計以及試驗測試，對于提高仿生撲翼飛行器的外觀和性能具有重要的意義.

（2）撲翼動態(tài)參數(shù)-彈性儲能結(jié)構(gòu)研究

自然界中的鳥類具有非常復(fù)雜的肌肉系統(tǒng)[90]，這些肌肉除了用于驅(qū)動翅膀飛行外，還會在翅膀上撲或下?lián)涞臅r候，將部分動能轉(zhuǎn)換成彈性勢能儲存起來，在翅膀下一個下?lián)浠蛏蠐鋾r釋放，節(jié)約了能量.仿生撲翼飛行器的驅(qū)動機構(gòu)一般采用曲柄搖桿或齒輪搖桿的形式，由剛性連接件直接連接，在機翼處于上撲或下?lián)涞哪┪搽A段時無法回收部分動能.雖然引入彈性元件已被證實可以有效降低撲翼飛行器功耗，同時延長驅(qū)動機構(gòu)壽命[91-92]，但目前尚未有較好的設(shè)計應(yīng)用在仿生撲翼飛行器上，因此設(shè)計一款可實際應(yīng)用于仿生撲翼飛行器上帶彈性元件的驅(qū)動機構(gòu)十分重要.

（3）控制策略-多段翼控制策略研究

自然界中的鳥類翅膀一般分為多段，在不同的撲動狀態(tài)下，一般采用展開與合攏動作的不同組合.有關(guān)鳥類翅膀撲動狀態(tài)的研究指出，鳥類在下?lián)鋾r，翅膀一般完全展開，而在上撲階段時，則會收攏外翼，這一動作會增大翅膀下?lián)鋾r的升力，同時減小翅膀上撲時產(chǎn)生的負升力，增大了一個撲翼周期的平均升力.但仿生撲翼飛行器往往采用單段翼結(jié)構(gòu)，翅膀在上撲時大量能量用于產(chǎn)生不利于飛行的負升力，增加了能耗.這種可折疊的仿生撲翼飛行器設(shè)計已被證明在一個撲翼周期內(nèi)可以產(chǎn)生更高的平均升力[93]，因此對這一結(jié)構(gòu)進行深入研究具有實際意義.

（4）新型輕質(zhì)高能量密度電池研究

目前，大容量電池應(yīng)用主要面向固定翼和旋翼飛行器，仿生撲翼飛行器受負載能力的限制，所能攜帶的電池容量有限，導(dǎo)致續(xù)航能力不足，限制了撲翼飛行器的應(yīng)用推廣.通過研制新型輕質(zhì)高能量密度電池，可以有效提升撲翼飛行器的續(xù)航時間.以小質(zhì)量和高能量密度為優(yōu)化目標，開展仿生撲翼飛行器電池的研究，對于推動仿生撲翼飛行器在民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義.

4 結(jié)束語

本文從自然界中飛行生物出發(fā)，總結(jié)了自然界飛行生物擁有高效飛行能力的一些特點，以及這些特點對撲翼飛行器續(xù)航能力影響的研究進展，為提高撲翼飛行器續(xù)航能力提供了一些參考.對于傳統(tǒng)旋翼與固定翼飛行器，其技術(shù)都已相對成熟，可以通過優(yōu)化設(shè)計和能量回收延長續(xù)航，但目前對仿生撲翼飛行器的研究還處于對自然界中飛行生物的簡單模仿，一些理論與模型還不準確，在電池材料技術(shù)與載重能力短時間內(nèi)無法取得重大突破的情況下，通過仿生設(shè)計研究各個參數(shù)對撲翼飛行器能耗的影響，進而優(yōu)化各設(shè)計參數(shù)，以及尋找合適的能量回收與輔助供電系統(tǒng)是未來提高仿生撲翼飛行器續(xù)航能力的重要方向.