摘 要：為提高撲翼飛行器的氣動效率，分析自然界鳥類翅膀運動機理，設計拍打-折疊運動的仿鳥飛行器機構，實現了仿鳥翅膀“8”字型運動軌跡。區別于傳統撲翼飛行器的膜狀翼結構，模仿鳥類翅膀羽毛分層結構，研制出羽毛機翼。利用計算流體力學仿真軟件 XFlow，研究機翼初始迎角，展弦比和撲動頻率對折疊翼撲翼飛行器的氣動特性影響。實驗結果表明，機翼初始迎角在 5°時取得最大升阻比系數，有利于飛行器快速升空及平飛飛行;撲動頻率在 4Hz~5Hz 范圍內獲得最佳氣動效率;機翼展弦比為 3，撲翼飛行器獲得較優氣動性能。羽翼動力折疊翼飛行器成功飛行，為研制機翼多自由度變形仿生機器鳥提供理論可行性和有效飛行平臺。

　　關鍵詞：仿生;撲翼飛行器;折疊機翼;羽翼動力;氣動仿真

　　1 引言

　　機翼撲動飛行的仿生飛行器具有高度仿生性和良好隱蔽性能[1]。近年來，許多受飛行生物啟發的仿生撲翼機器人平臺被研制出來[2]，昆蟲級微型撲翼機有蒼蠅[3,4]，delfly[2,5]等。鳥類作為常見的飛行動物也受到人們關注[6,7]。機翼可變形的機器鳥是仿生撲翼飛行器研究的一個活躍領域[8]。

　　同時為提高撲翼機適應復雜場景穩定飛行的能力，對仿生撲翼飛行器的氣動性能研究也顯得尤為重要。對于仿鳥撲翼飛行器研究，德國 Festo 公司仿照海鷗飛行姿態研制出的 Smartbird[9-11]成功飛行，區別于以往的撲翼飛行器的機翼骨架結構，Smartbird 將機翼分離成內段翼和外段翼[11]，使得機翼運動過程中可做兩段翅膀的運動形態不同變化。

　　提出了內段翼提供主要飛行升力，外段翼提供主要飛行推力理論。Lentink 團隊研發出一種帶有真實鳥類羽毛并成功飛行的飛行器 PigeonBot[8], 通過風洞實驗和外場空中飛行，發現翅膀不對稱變形以及羽毛位置不同可以控制飛行方向，實現仿生飛行器在復雜環境中靈活飛行。昂海松團隊[12,13]研究與設計多段柔性變體撲翼飛行器，探討了撲翼流場渦結構，總結升推力產生機理。

　　楊永剛等[14]采用近似柔段翼思想建立撲翼機模型，并對此模型進行氣動仿真實驗，為柔性翼多自由度撲翼機研制提供理論基礎。陳亮等[15]通過優化的葉素理論，對小型仿鳥飛行器在非常定流場條件下的氣動特性進行研究。本文分析鳥類基本參數以及飛行姿態特征，設計具有“拍打-折疊”撲翼機構，建立三維折疊翼撲翼機模型，研制可折疊“鉸鏈式機翼”，實現機翼翼尖“8”字形運動軌跡[16]，接近真實鳥類翅膀撲打狀態。利用 CFD 軟件對折疊翼撲翼機進行了低雷諾數非常定流場情況下氣動仿真模擬，分析折疊翼飛行器初始迎角，機翼展弦比和撲動頻率等對氣動特性作用。最終研制“羽毛版”可折疊機翼，此飛行器以撲動羽毛機翼產生動力，并成功起飛并持續飛行 90 多秒后安全著陸。

　　2 撲翼機機構建模仿真

　　2.1 鳥類撲翼運動機理

　　文獻[13]中通過對綠頭鴨飛行動作進行研究，將鳥類飛行姿態分為以下階段：下撲階段：翅膀外翼翼尖從最高點運動到最低點的過程，全過程翅膀處于全展開狀態。折彎階段：鳥類翅膀下降至最低處，外段翼相對內段翼向下彎折。上撲階段：鳥類翅膀外翼翼尖從最低點向上運動過程，整個過程鳥類整體成“M”字型，此時翅膀處于收縮狀態。展平階段：鳥類翅膀外翼相對內翼做舒展動作，外翼翼尖運動至最高點，整個翅膀全展開，準備進入接下來的下撲階段。

　　2.2 撲翼機建模折疊

　　翼撲翼機運動模型參考海鷗外形，并在其翅膀復雜運動的基礎上進行簡化，在Solidworks平臺上進行建模。該骨架模型包括主機身，尾翼，內段翼和外段翼等。鳥身(包括尾翼)長 1045mm，單邊翼展長約 900mm，其中內段翼長 320mm，外段翼長約580mm，機翼平均幾何弦長 280mm。

　　2.3 撲翼機傳動機構設計

　　撲翼機兩翼間撲打頻率，幅度，變化相位在保持飛行器飛行穩定方面起到至關重要作用。在兩翼對稱拍打過程中，忽略環境因素的影響，受到的空氣對機翼產生的力矩是相當等的。反之，兩翼間不對稱撲動，同時刻空氣對兩翼做功不同，產生滾轉力矩，導致撲翼機無法平穩飛行。采用雙曲柄雙搖桿機構，平面對稱傳動模式。優勢在于確保左右機翼運動保持一致，實現機翼對稱撲打。單邊曲柄使用 4 個 M2 沉頭螺釘將其固定在主齒輪，機翼通過曲桿與曲柄相連。電機轉動，通過減速比i=1:48 的減速齒輪組，實現兩個主齒輪相對圓周運動，帶動兩邊機翼的同時上下撲打運動。

　　2.4 機翼運動方程分解

　　鳥類翅膀復雜的運動形態，建立機翼模型，可實現鳥類飛行過程中撲打-折疊動作。針對機翼運動模式，點 G 為齒輪圓心，GA 表示曲柄，AC 為曲桿，長度已知;四邊形 BCEF 為機翼的內段翼，其中點 D 為固定支撐點;EH 表示外段翼，通過鉸鏈結構與內段翼相連。機翼內段翼與外段翼運動軌跡方程，主要體現為 E,H 兩點。本文模型中所有桿子長度單位均為毫米。

　　2.5 撲翼機運動仿真

　　根據 2.4 節推導出的撲翼機內段翼與外段翼運動軌跡方程，對設計的機構進行運動學求解。根據給定折疊翼機構設計參數：翼展長度，內、外段翼長度，弦長參數。在機械運動約束條件下：曲柄長度：25mm≤lGA≤30mm;曲桿長度：45mm≤lAC≤50mm;搖桿長度：lCD≤lCE;固定支撐點D 與曲桿 C 點距離：40mm≤lCD≤50mm。實際飛行實驗期望機翼撲動幅度 50°≤θ2≤70°;撲翼機撲打頻率 f ≥ 3Hz。在Solidworks 平臺上對設計的撲翼機模型進行基本運動仿真及 motion 分析。最終導出機翼運動軌跡。

　　3 撲翼機氣動特性研究

　　3.1 三維氣動仿真平臺

　　搭建為了達到在運動狀態下，研究撲翼機機翼初始迎角，展弦比及機翼拍打頻率對氣動特性的影響，本文對 23 組不同機翼初始迎角，7 組不同展弦比及 5 組不同拍打頻率對折疊翼飛行器進行三維氣動仿真實驗和數據分析。選取機翼初始迎角變化范圍在-10°~12°之間;模擬撲翼機展弦比為：1、1.5、2、2.5、3、3.2、4;模擬撲翼機機翼撲動頻率：2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz。在軟件平臺 XFlow 中選用虛擬風洞模式對折疊翼飛行進行氣動仿真。

　　3.2 撲翼機機翼初始迎角對氣動特性影響

　　本文以 NACA7412 翼型為計算模型，探討機翼初始迎角對氣動特性影響。以地面坐標系為基準，將機翼未開始運動，處于平放狀態下具有的迎角設定為初始迎角。通常情況采用無量綱數升力系數 Cl，阻力系數 Cd 衡量飛行器運動中受到的升力及阻力。在 XFlow 平臺下模擬不同機翼初始迎角下的 Cl，Cd 數據，并進行數據處理。選取初始迎角變化范圍在-10°~12°之間，變化步長Δ=1°，約束條件：來流風速為 5m/s，雷諾數 Re 設定為 1.6×105。

　　隨著撲動頻率增大，機翼上下表面壓強差值增大，撲翼機升力系數和阻力系數的波峰正向增大，波谷負向增加。在機翼撲動頻率 4~6Hz 時，阻力系數負向峰值出現負數，即正向推力系數。

　　左側為機翼下撲至最低點，右側為機翼上撲，上撲過程中，外段翼相對內段翼做折疊運動。隨著頻率的增加，機翼附近的空氣流速增大;下撲時，機翼上表面空氣流速明顯大于下表面，產生壓差，使得飛行器獲得升力，機翼折疊上撲時，由速度云圖變化來看，機翼下表面空氣流速大于上表面;折疊翼不對稱運動，一個撲打周期內，空氣對其做功不均等，使其飛行過程中獲得更大的凈升力。

　　4 羽翼動力飛行器飛行實驗

　　鳥類翅膀不僅實現拍打-折疊兩個自由度運動，還可實現翅膀合攏-展開，非對稱伸展等多自由度運動。文獻[8]指出，鳥類控制翅膀羽毛不對稱變形從而快速轉向，實現復雜環境高效飛行。傳統撲翼機采用膜狀翼結構，機翼覆膜區域連為一體，無法實現飛行器機翼變形。

　　本文仿照真實鳥類翅膀分層結構，研制出羽毛機翼，實現拍打-折疊兩個自由度運動。羽毛機翼優勢在于羽毛分層結構及羽毛獨立性。在撲翼機未來研制中，控制每根羽毛的獨立運動，實現機翼多自由度變形，使得人造機器鳥具有更強仿生性能，提高復雜環境飛行適應性。本文研制羽毛機翼實現拍打-折疊兩個自由度運動。首次使用羽毛撲打產生動力實現人造機器鳥飛行[18]。撲翼飛行器撲打頻率約4Hz，展弦比為 3.2，飛行時長 90s，證明仿真結果準確性，同時為研制機翼多自由度變形仿生機器鳥提供理論可行性和有效飛行平臺。

　　5 結論

　　本文仿照真實鳥類飛行機翼運動機理，建立“鉸鏈式”折疊翼撲翼機模型，在傳統撲翼飛行器機翼基礎上，通過鉸鏈鍵將機翼分為內段翼和外段翼，并通過兩段機翼間運動相位差，實現模仿鳥類撲打-折疊動作。通過模型運動仿真以及氣動仿真實驗，得出以下結論：

　　1) 建立折疊翼飛行器模型，實現內段翼往復運動，外段翼翼尖“8”字運動模式，成功模擬真實鳥類翅膀運動軌跡。與以往研究單自由度撲翼飛行器設計成果相符[16]，證明了模型的可行性。2) 仿真實驗表明，撲翼機機翼初始迎角在 5°時獲得最大升阻比系數;撲翼飛行器機翼展弦比為 3 左右氣動性能較優;提高機翼撲動頻率可提升撲翼機的氣動效率，并在 4Hz~5Hz 范圍內取得最佳氣動效率。3) 羽翼動力撲翼飛行器外場成功飛行，驗證了飛行器模型和仿真實驗結果合理性、準確性，為后續仿生機器鳥復雜運動提供有效的實驗平臺。

　　參考文獻:

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　　作者：蔡毓 1，張振鴻 2，劉斌 1