向动物学习，蜻蜓仿生翼设计，为何优势这么大？

　　随着航空航天技术的愈加成熟，最近几十年间越来越多的科研人员开始将对飞行机器人的研究方向转向小型化和轻量化。1992年，在由美国国防先进研究计划署召开的关于未来军事技术研讨会上，兰德公司首次提出“微型飞行器（Micro Aerial Vehicle，简称MAV）”这一概念。

　　随后的几年间，相关单位陆续组织召开多场研讨会就MAV可行性进行了探讨，最终认为MAV在众多领域中都具有广阔的发展空间和良好的应用前景，此后便引起了许多国家的广泛关注。并着重对其相关技术展开了大量的研究，掀起一场研究热潮。

　　

　　根据翼型运动方式及产生升力的气动机理，目前大致可以将MAV分为三种类型：固定翼MAV、旋翼MAV和扑翼MAV。MAV涉及到的空气动力学问题与大型飞机有很大的不同，相比于大型飞机，MAV飞行雷诺数要小得多，所以其受到的气动粘性力和飞行阻力更加明显。经过实验研究验证，在这种环境下，固定翼飞行器气动性能会受到严重影响，导致飞行效率低下甚至无法飞行，而旋翼和扑翼飞行方式比较适合用于MAV，但是对于旋翼飞行器，推进效率也会大大降低，影响飞行效果。

　　

　　通过观察发现，自然界中翼展、体型较小的飞行生物几乎都采用扑翼的飞行方式，并且飞行雷诺数范围与MAV基本相同，因此相关研究人员将MAV的设计制作与扑翼飞行方式进行了结合，展开了对仿生微型扑翼飞行器（简称FWMAV）的研究，并且被认为是目前微型飞行器中最为灵活有效的一种飞行方式。

　　相比于传统常规的飞行器，从整体特征来讲，微型飞行器体积更小，重量更轻，因此在使用过程中会具有更好的隐蔽性和机动性；从功能上讲，可以集成不同的光电信号模块执行不同要求的任务，方便携带，使用方式简单。

　　

　　除此之外，使用环境和使用条件决定了其制作成本不能过高，这些特征使得FWMAV在军事领域和民用领域都会具有较好的发展前景。在军事应用中，其可以被用来进行低空地形侦察与探测，对战争危险程度做出评估，对敌方信号做出干扰等。

　　在民用领域，其可以用来对环境进行监测，对道路交通状况进行监控，灾后用来做险情勘测以帮助救援等。扑翼飞行机理和微型扑翼飞行器的设计成为了各个国家的研究热点之一。

　　在自然界众多鸟类和飞行昆虫中，蜻蜓当属最稳定、机动性最强的飞行生物之一，也是极少数能够在空中捕获猎物的物种之一。有研究表明，它们翅膀运动产生的最大推力可达自身体重的13倍，可以实现多种复杂的飞行动作。

　　

　　通过有效模仿其飞行动力学和运动学的飞行器相对于现有的设计能够取得更好的飞行性能。因此本文通过对蜻蜓翅膀进行深入研究与分析，设计一种用于微型扑翼飞行器且具有良好气动性能的仿生机翼，从而达到提高飞行器飞行性能的目的。

　　目前对微型扑翼飞行器的研究虽然取得了一定的进展，但仍然属于初级发展阶段，还有很多关键性的技术问题有待解决，尤其是对于厘米级FWMAV的设计制作，还具有非常大的发展空间，并且其应用价值和代表的现实意义决定了它具有广阔的应用前景。

　　

　　自然界中的各类昆虫经过成百上千年的不断成长，都已经进化出最适合自己的成熟的飞行方式。翅膀作为昆虫在飞行中产生升推力的主要身体结构之一，能够通过改变自身形态和运动角度对飞行姿态进行调整来适应各种环境，这种条件使得它们能够具有极高的飞行效率和飞行能力。

　　在对微型扑翼飞行器研究之初，人们尝试了大量的方法和实验对昆虫高升力机理进行探索，发现大型飞鸟和飞机所涉及的定常空气动力学并不适用于体型较小的昆虫，后来有人提出利用非定常空气动力学来对昆虫高升力的产生机理进行解释。

　　

　　昆虫在飞行过程中翅膀一个周期内的运动形态变化是比较复杂的，以蜻蜓为例，其具有前后两对翅膀，飞行时交叉上下扑动，但所作动作基本相同，主要包含“平动合拢”、“绕轴转动”、“平动打开”、“绕轴转动”四个阶段。

　　在日益进步的科学技术支持下，相关研究人员对昆虫高升力机理进行了更加深入的研究，并从多方面给出了“拍合机制”、“延迟失速机制”、“尾迹捕获机制”等多种合理的解释。综合上述分析，在机翼面积和展弦比相同的条件下，机翼平面形状决定了面积分布情况，面积分布对机翼气动性能会产生较大程度的影响。

　　以当前给定的运动方式扑动时，在一定程度上增加机翼右下方面积，可以较大程度地提高机翼产生的气动力。其中，翼尖面积分布大一点有助于提高飞行升力，更大的后缘面积有助于提高飞行推力。

　　

　　微型扑翼飞行器能够发挥良好的飞行特性，所以具有非常乐观的应用前景，目前展开了大量对其结构设计和气动分析的研究。本文针对目前该领域存在的飞行耗能高、续航时间短的问题，以设计一种具有良好气动性能的微型扑翼飞行器仿生机翼为主要目的展开研究。

　　基于仿生学原理，以蜻蜓翅膀为研究对象，从飞行机理、运动学、形态学的角度对其基本特征进行了分析，通过计算流体力学的方法研究了多种特征对翅翼气动性能的影响，设计出了一种在特定运动轨迹下具有较好气动力的仿生机翼。

　　从对比曲线可以看出，在给定的飞行环境下，机翼多自由度的运动比单自由度运动能够产生更高的气动力，具有更好的气动效率。当机翼单纯地上下扑动时，在水平方向几乎不产生力，在垂直方向能够产生最大的气动力。

　　

　　当加入俯仰运动和前后划动时，在垂直方向产生的力有所下降，但在水平方向产生的力有较大幅度的增加。为了进一步验证测试结果的正确性，给两种机翼施加三自由度的动作，通过调节扑动频率，对产生的气动力进行测量。对测得的数据进行处理，计算得出一个周期内两个方向上产生的平均气动力。

　　可以看出，在不同的扑动频率下，平均气动力数值变化趋势基本保持一致，验证了上述实验结果的准确性。此外，从曲线中表现出随着扑动频率的加快，在两个方向上所产生的气动力都有一定程度的增加，并且频率越快，增加的幅度越大。

　　

　　（1）通过查阅文献资料，对昆虫的高升力机理进行了总结；使用高速摄像机对蜻蜓在固定空间内的飞行过程进行了捕获，对其翅膀在运动过程中的形态变化和动作转换进行了分析，与昆虫高升力机理相结合对蜻蜓飞行机理进行了一定的分析，同时基于惯性直角坐标系建立了蜻蜓翅膀的运动学模型，使对其运动描述变得更加简单。

　　（2）通过多种数学方法分别对蜻蜓翅膀的尺寸、面积、重量等几何参数进行了测量，进而分析了其展弦比、面积分布情况和重心位置等基本特征。

　　通过直观地观测和在显微镜下的观察，发现蜻蜓翅膀翅脉形成了由多种多边形组成的网格状分布结构，弦向截面呈一定规则的褶皱结构，并且主脉比次脉粗，对蜻蜓的力学性能和空气动力学性能都具有一定的影响。对蜻蜓翅膀形态特征的观察为仿生机翼的设计提供了一定的理论基础。

　　

　　（3）介绍了利用计算流体力学方法对仿生机翼三维模型进行数值模拟计算的流程，以平面刚性翼为参照对象，分析了平面形状、网格分布和褶皱结构对仿生机翼气动性能的影响。

　　结果表明：平面形状对机翼气动性能有较大的影响，其中，在一定程度上增大翼尖面积可以提高飞行升力，增加靠近后缘处的面积可以提升飞行推力；而网格分布情况对机翼气动性能几乎不产生作用；翼型褶皱角度对机翼气动性能也会产生比较明显的影响。

　　（4）根据不同特征对机翼气动性能影响的仿真分析结果，设计了一种具有良好气动性能的仿生翼模型，通过数值模拟对其气动性能进行了验证，结合目前制作机翼常用材料的特性，分别对翅脉和翅膜进行了加工和制作。

　　

　　（5）设计了一种具有三自由度的扑翼装置并进行加工，搭建了机翼气动力测试试验平台，分别搭载两组不同的仿生机翼模型，探究了运动自由度和扑动频率对机翼气动性能的影响，测试结果与仿真分析结果具有较好的一致性，能够证明本文结果的正确性。

　　由于自身能力和在相关领域的认知还有一定的不足和欠缺，仍然存在部分内容需要进一步展开研究，主要在以下几个方面：

　　

　　扩大机翼适用范围。本文所设计的仿生机翼模型搭载在当前试验台上以给定的运动轨迹运动时会具有较好的气动性能，对其普适性缺乏相应的验证，后续可以通过调整机翼各个运动角度和自由度数改变运动轨迹，进而分析这些因素对其气动性能的影响，从而提高其适用范围。

　　提高机翼的柔性变形能力。从现有的研究来看，在扑翼飞行器中搭载柔性机翼比刚性机翼要具有更好的飞行性能，现在的机翼模型柔性变形能力较差，后续可以在此基础上添加更多的柔性变形因素，以提高机翼飞行气动性能。

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