（绵阳空天科技有限公司，四川?绵阳?621000）
向往天空，渴望飞翔，这是我们很多人的愿望。虽然现代已经有了固定翼飞行器和旋翼飞行器这两类比较成熟的飞行器，但是纵观自然界，在运动灵活性和飞行效率等方面，上诉两类飞行器远远比不上自然界中的鸟类，人们的部分目光转移到古老而又新颖的仿生鸟类的扑翼飞行器上。早在春秋战国时期，我国就有墨子造木鸢的传说，19 世纪 60 年代，仿生学这个学科被明确提出，再加上近年的各种相关科技不断发展，随着飞控、新型材料、空气动力学、新能源等关键技术的不断进步，仿鸟类的扑翼飞行器有了更加适合发展的大环境。
本课题主要以军舰鸟为蓝本设计扑翼滑翔一体仿生鸟。作为自然界中飞行速度最快的鸟类，军舰鸟俯冲速度最快能达到418 公里/小时，同时，军舰鸟耐力惊人，在觅食时可在天空盘旋多日，最远可飞达 4000 公里，更令人吃惊的是即使在 12 级的狂风中军舰鸟也临危不惧，能够安全从空中飞行、降落，所以军舰鸟也有“飞行冠军”的美誉。
图 1-1 军舰鸟
1.仿生鸟总体设计
1.1 仿生参数设计
军舰鸟作为鹈形目军舰鸟科的 1 属，体长 750～1120 毫米；翅长而强，翅展 1760～2300 毫米。仿造军舰鸟的外形参数，此次设计的扑翼滑翔一体仿生鸟的参数如下：
图 1-2 扑翼飞行器外形参数
整个仿生鸟的翼展 2.1 米，体长 1.1 米，主要分为 3 个部分：机身、双翅、尾翼。
机身的外形参考军舰鸟外形从头部到尾部渐变，头部到机身中段的横截面积从小变大，再从大变小，尾部端部面积小，整体机身形状具有类似军舰鸟外形的流线型，这样可以很大程度上减少飞行时候的空气阻力。
该仿生飞行器需要具备扑翼和滑翔两种飞行模式，在设计尾翼布局布局时，我们采用了 T 字型活动尾翼布局。尾翼布局为平尾加垂尾，平尾和垂尾没有舵面，或者说平尾垂尾本身就是舵面，通过 T 型尾翼绕飞行器尾部的不同偏角来实现飞行器的转向和升降。这种尾翼布局其实是传统的 T 型固定尾翼的变形，但相对而言外形更接近于鸟类的尾翼。
双翅的设计是重点之一，双翅的形状外形直接影响仿生扑翼飞行器扑动时候产生的升力和推力大小。对于鸟类来说，其生物学上的翼型属于内凹翼型（上凸下凹型），并且在翼型下缘的后部几乎演化成完全的薄面。从某种程度上来说，这也是为什么鸟类的翅膀具有很优越的升力特性的原因。该仿生扑翼飞行器参考大型鸟类的翅膀，采用了双曲柄双摇杆布局机翼，飞行器运动过程中，内外翼的扑动幅度和频率不同，且设计翼型为上凸下凹型。
材料方面仿生鸟的主体骨架采用了重量轻、强度高的新型材料：碳纤维，传动机构的齿轮主要采用了高强度重量轻耐磨的 POM（聚甲醛），蒙皮前后分别采用了 EPP（发泡聚丙烯）泡沫和 TPU（热可塑性聚氨酯）薄膜两种材料。
图 1-4 部分模型零件
1.2 控制系统设计
1.2.1 控制原理
作为扑翼飞行器的难点和重点，也是现代扑翼飞行器和古代扑翼飞行器的最大的区别，飞行控制系统的选择显得尤为重要。该扑翼控制采用人通过遥控器远程操作扑翼飞行器飞行。
扑翼飞行器机身包含的主要电子元器件有：接收机、电调、动力电池、无刷电机、2 个霍尔传感器和 4 个数字舵机。如图 1-4所示，为该仿生扑翼机整体控制电路图。
图 1-5 控制电路图
1.2.2 电子元器件选型
1.2.2.1 电机选型
目前，在市面上所广泛使用的电机除了交流伺服电机、有刷直流电机、步进电机等以外，还有一种在质量、工艺以及功率上都有着相当出色性能的电机类型——直流无刷电机。由于直流无刷电机使用内部的电子换向器，所以相对于有刷直流电机来说，其往往能够达到很高的转速以及比较大的功率。在重量相同的条件下，直流无刷电机具有更大的优越性。因此，在扑翼样机的研制过程中，本项目所选用的主功率电机是航模级的无刷直流电机——朗宇 X2206kv1500 外转无刷电机，电机具体尺寸参数如图 1-6 所示，该款电机具体性能参数如表 1-1 所示。
图 1-6 无刷电机尺寸参数图
表 1-1 朗宇 X2206kv1500 外转无刷电机参数表
产品型号 X2206kv1500 重量 25.2g
定子外径 22mm 空载电流 0.3A 转子直径 27mm
定子厚度 6mm 电机电阻 147m 出轴直径 0mm
定子槽数 12
最大连续
电流
13A/30S 电机长度 22.5mm
转子极数 14
最大连续
功率
150W
电机含轴
总长度
23.3mm
电机 KV
值
1500
最大电池
节数
2~3S
建议使用
电调
12A
1.2.2.2 电调选型
航模级的无刷直流电机的驱动方式从原理上来说其实也是使用 PWM 波（脉宽调质）来进行控制的，为了减小专门为电机设计驱动器的工作量以及保证驱动电路的可靠性，在此处直接选用可以现成购买到的无刷电机调速器——无刷电调。选用电调时需要根据所驱动电机的功率以及最大工作电流来选择，本项目选用的电调为 12A，其持续输出电流能够达到 12A，瞬间最大输出电流能够达到 15A，如图 1-8 所示。该电调具备以下保护功能：
（1）欠压保护：由用户通过程序设定，当电池电压低于保护阈值时，电调自动降低输出功率；
（2）过压保护：输入电压超过输入允许范围不予启动，自动保护，同时发出急促的“哔哔”告警音；
（3）过热保护：内置温度检测电路，电调温度过高时自动降低输出功率；
（4）遥控信号丢失保护：遥控信号丢失 1 秒后降低功率，再有 2 秒无遥控信号则关闭输出。
1.2.2.3 接收器及遥控器选型
由于仿生扑翼飞行器设计只是用作验证结构设计以及方案设计的可行性，不需要通过应用复杂的控制理论与控制方法来对机体在飞行时的控制性能以及飞行参数进行非常精确的调节，所以在此处同样是选择了航模上的一种通用接收器模块作为接收控制信号并且驱动无刷直流电机与舵机转动的控制器。航模级的接收器一般是使用 2.4GHz 或者是 5.0GHz 的无线信号作为载波来传递数据的，通过配合航模上通用的遥控器可以实现对于无刷直流电机的多种模式调速（线性或非线性）以及对于舵机的比例转角控制。本项目中选用的接收器与遥控器是天地飞四通道和 07 遥控器，其实物图如图 1-8 所示。
图 1-8 接收器和遥控器
1.2.2.4 电池选型
驱动电池选用航模固定翼锂电池 2s。
图 1-9 锂电池
1.2.2.5 尾部舵机选型
平尾的转动需要两个舵机来完成，由于整体仿生扑翼飞行器质量轻，故可以选用较小舵机即可满足平尾的转动。选用舵机——银燕 EmaxES08MA8g 模拟舵机，其舵机的性能参数如表1-2 所示。
图 1-10 银燕 EmaxES08MA8g 模拟舵机
表 1-2 尾翼舵机性能参数表
产品
型号
ES08MA
产品
尺寸
32*11.5*24mmmm
产品
重量
12g
工作
扭矩
1.5KG·cm
反应
转速
0.12 秒/60 度
（4.8V）
使用
温度
0℃-55℃
死区
设定
1-2usec
插头
类型
JR、FUTABA 通用
转动
角度
最大 90 度
舵机
类型
模拟舵机
工作
电流
200mA/60°
使用
电压
4.8—6V
结构
材质
金属齿轮
1.2.2.6 外翼扭转舵机选型
外翼扭转舵机选用舵机——DEKO1295 高压大扭力双轴承金属舵机，其舵机性能参数如表 1-3 所示。
图 1-11DEKO1295 高压大扭力双轴承金属舵机
表 1-3 外翼扭转舵机性能参数表
产品
型号
DEKO1295
产品
尺寸
28.5*12*23mmmm
产品
重量
20g
工作
扭矩
5.8KG·cm
（7.4V）
反应
转速
0.067 秒/60 度
（7.4V）
使用
温度
0℃-55℃
死区
设定
3usec
插头
类型
JR、FUTABA 通用
转动
角度
最大 90 度
舵机
类型
模拟舵机
工作
电流
300mA/60°
使用
电压
6—8V
结构
材质
金属齿轮
1.2.2.7 传感器选型
在选择外翼传感器时，由于扑翼飞行器的整体重量要求低，优先选择了霍尔传感器，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。
在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。它的性能参数见表 1-4。
1.3 齿轮传动系统设计
扑翼飞行器的驱动与传动机构是扑翼飞行器的机械结构的的核心内容。
首先，确认驱动与传动机构的形式。
本项目的扑翼飞行器的飞行速度要求是可以在一定范围内调节的，所以驱动机构采用的是无刷电机的方案来实现电机的调速，从而调节曲柄齿轮的速度，最终影响扑翼的扑动频率。
作为传动机构的方案，本次项目通过对比多种设计方案选用了两级传动齿轮的减速机构，其拥有传动平稳、减速比较大、结构紧凑、整体结构重量轻等特点。
图 1-13 驱动与传动机构结构图
由图 1-13 可以看出：本机构采用两级齿轮传动，先由电机驱动电机齿轮，传递给中间的双联齿轮的大齿轮，完成一级减速；再通过双联小齿轮传递给右曲柄齿轮完成二级减速；最后由右曲柄齿轮与左曲柄齿轮外啮合，实现右曲柄齿轮和左曲柄齿轮的同步反向运动。
仔细分析设计的二级减速传动机构，可以清晰地获得如图1-14 的运动传递路线图。二级减速机构的设计可以避免大减速比造成的机构振动与大噪音，保证扑翼机飞行时的平稳性。另外，两个曲柄齿轮外啮合的设计在保证机构同步性设计要求的同时简化了传动机构，减少了动力源个数。
图 1-14 运动传递路线图
根据大型鸟类翅翼的扑动频率将扑翼飞行器的翅膀的扑动频率定为为 2.0Hz，结合前人制作仿生扑翼飞行器的经验，考虑负载的加入对扑动频率的影响和计算方便，把翅翼扑动频率定为 2Hz 此仿生扑翼飞行器选用 KV1500 无刷直流电机，它的额定工作电压为 7.4V，转速 n=11100r/min。
因为电机的转速很高，所以需要对其通过齿轮传动进行减速处理，根据电机转速对传动比进行计算:
i=n/60/2×40%=37
i=n/60/2×50%=46.25
式中 i 是传动比；n 是电机转速；2 为翅翼拍打频率；乘以 50%和 40%是因为电机在加上负载之后的转速大约会减少50%~60%。确定了系统的传动比之后，采用两级齿轮组对电机进行减速。
由于整体仿生扑翼飞行器机身尺寸小，故齿轮减速组体积也小，为了满足高减速比，必然齿轮模数选择较小数值。查阅相关齿轮设计资料，本项目采用的两级齿轮组进行减速：一级减速齿轮模数为 0.8 模，齿数分别为 Z 1 =8，Z 2 =87；二级减速齿轮模数为 0.8 模，齿数分别为 Z 3 =25，Z 4 =85。故该齿轮组真实减速比 i 真 ：
i 真=Z2×Z4/Z1/Z3≈37（满足设计范围）
2.仿生鸟总装配
此次项目的扑翼飞行器处于原理样机阶段，装配模式采用的是以手工装配为主，辅以部分工装的方式装配的。
2.1 预处理
加工回来的零部件会有毛刺，必须用磨砂纸把每个部件处理干净，否则在蒙蒙皮的时候出现蒙皮和肋条粘接不完全和刺坏蒙皮的现象。
2.2 机身骨架装配
机身隔框主要使用碳纤维管或者碳纤维板加工而成，我们在这里使用 406 等速干胶水方便快捷的连接扑翼飞行器的骨架。
组装主碳板时，为保证碳板之间的距离与设计图纸一致，特意加工一个限位工装，在此工装的配合下装配主碳板，见图2-3。
图 2-2 限位工装及使用方法
组装主碳板的同时碳管也需同时转配，每根碳管必须和碳板面垂直（需用直角器配合），最后用 406 胶水固定碳板和碳管连接处。
2.3 齿轮系统装配
齿轮主要采用 POM（聚甲醛）加工而成。根据图纸装配好每个齿轮，每个齿轮连接孔都需加轴承，最后曲柄安装完后，需加一个限位轴承以防止齿轮在转动过程中脱落（如图 2-4），限位轴承用 406 粘接在碳管上。
图 2-3 齿轮传动安装
2.4 双翅装配
为保证双翅的灵活性，我们在各个关节处使用轴承来减少运动时的摩擦力。
图 2-4 双翅关节安装
2.4.1 内翼装配
内翼组装所用的主碳管需钻孔，为保证钻孔的准确性，特意设计了钻孔工装（如图 2-5），主碳管两端因为是活动部分钻孔处容易损坏，所以特意在两端加一个铝套筒来减缓钻孔处的磨损，每根翼肋之间的距离必须和图纸一致。
图 2-5 碳管打孔工具
图 2-6 内翼安装
2.4.2 外翼装配
外翼主碳管连接孔处同样需加铝套筒减缓运动时的磨损（如图 2-7），每根勒连接孔都需加轴承来减少外翼扭转时的摩擦(如图 2-8）2.4.4 双翅蒙皮安装
前期扑翼飞行器的双翅蒙皮材料我们选择了易加工且保形的 EPP（发泡聚丙烯）泡沫，加工见图 2-11。
使用泡沫胶粘接翼肋和蒙皮。
图 2-11 双翅蒙皮粘接
为了降低双翅重量，以提高双翅扑动频率，我们改用双翅蒙皮的翼面的主体材料为 TPU（热可塑性聚氨酯）薄膜。
图 2-12TPU（热可塑性聚氨酯）薄膜双翅
2.5 尾部装配
尾部装配采用类似双翅的安装方式：装配骨架后粘接蒙皮。安装尾部舵机时必须提前把舵机通电回中位，舵机安装板用 AB 胶粘接在大鸟主碳管上，而且保证舵机安装板与鸟身平行，舵机连接杆必须同样长度以保证安装的整个尾部与鸟身平行，见图 2-13。
图 2-13 尾翼中位安装
图 2-14 尾翼安装
2.6 最终装配的整体图形
图 2-15EPP(泡聚丙烯)整机
图 2-16TPU（热可塑性聚氨酯）薄膜双翅整机
3.整机测试
本环节测试主要在室内进行，主要测试项目均在自行设计的扑翼测试平台上进行。3.1.1 测试目的
验证扑翼飞行器的装配零件是否有干涉，运动过程中是否卡顿。
3.1.2 测试方法
将机身骨架下方固定在扑翼测试平台上，固定尾翼，双翅频率 1.0、1.5、2.0、2.5Hz 分别启动扑翼飞行器，观察扑翼飞行器运动过程有无卡顿，如有卡顿则记录明显卡顿位置。
3.1.3 测试结果处理
如无明显卡顿则此项测试通过，反之此项测试不通过，需要查找故障点改善后重新测试，直到通过本项测试为止。
3.2 尾部转向测试
3.2.1 测试目的
验证尾部转向角度是否达标。
3.2.2 测试方法
将机身骨架下方固定在扑翼测试平台上（可与实验项目“3.1 双翅扑动测试”同时进行），调控遥控器，测试扑翼飞行器的尾部最大转角，并记录。
3.2.3 测试结果处理
将实验结果与设计要求对比，如满足设计要求，即实验通过，反之需要检查设计或装配过程中的问题并改善，并重新测试本项目，直到本项测试通过。
3.3 升力及推力测试
3.3.1 测试目的
测试在设计频率下的升力及推力大小。
3.3.2 测试方法
在完成 3.1 与 3.2 两项测试的基础上，将机身骨架下方固定在扑翼测试平台上，按双翅频率 1.0、1.5、2.0、2.5Hz 驱动扑翼飞行器，通过传感器测出升力和推力曲线。3.3.3 测试结果处理留档以便后续调试完善扑翼飞行器使用。
4 室外飞行测试
4.1 室外飞行前检查事项
室外飞行前的准备工作大致分为整机检查、整机调试。
4.1.1 整机检查
4.1.1.1 机身检查
A）我们得到飞行器以后先检查机身的完整性。检查机身及其零部件有无破损、缺失以及磨损。如发现问题应及时维修更换，不能将就。
B）机身骨架整体检查。检查主机身零件、机身之间的连接与间距。检查机身整体有无变形。在试飞中我们发现飞行器在飞行中可能存在弯折或者降落碰撞等因素导致机身变形，故试飞前检查也相当重要。
4.1.1.2 线路检查
A）动力传动电路。该线路由一个无刷电机（三根线与电调相连）、一个电调（三排针信号线与接收机相连、一头两根线与电源接头连接、一头三根线与电机相连）、一个 XT60 电源接头。
B）尾翼两个舵机各一根信号线与接收机相连。
C）主动扭转机构。该线路由一个霍尔传感器连接，分一个正负极电源线和四根三针信号线，信号线其中两根连接外翼的舵机，其余两根连接到主机身前板的传动齿轮下与齿轮上的磁铁相配合。电源线则与 XT60 电源接头相连。
4.1.1.3 运动测试
接上电源线后先检测传动机构，轻推遥控器油门杆使电机转动大约扑动几秒，观察无异后将油门杆退回最低。然后检查尾翼舵机，推拉遥控器升降摇杆，尾翼相应作出抬头低头动作。
最后检查外翼主动扭转，用磁铁相应磁极靠近传感器接收端，外翼舵机会带动机翼作出相应扭转，观察是否正确。
4.1.2 整机调试
调试内容为调试机身机翼水平，尾翼水平，垂尾垂直等。
主要措施为配重以及微调遥控器多面。
4.2 室外飞行
扑动机翼使飞行器在空中飞行，观察飞行器状态，及及时控制飞行器姿态。
4.2.1 场地要求
A)务必在草坪上或麦田等空旷、地面有柔软缓冲地带的场所飞行（严禁水泥、砂石路面、
树木、电线杆、立柱、建筑物旁，极易碰撞损坏机械鸟）B)务必在接近无风条件下飞行，机械鸟抗风能力弱，风力将直接影响操控，导致坠机。
C)务必不要轻易使用尾翼摇杆的升降功能（新手很难操控，极易操控不当导致坠机）
4.2.2 飞前准备
务必将油门拉到最下方，遥控器电量不足会报警，应及时充电或更换。
4.2.3 操作步骤
A)起飞前大致将扑动频率推至 2.hz，再由配手将扑翼水平送出，待飞行器脱手后相应作出姿态控制，平稳后可轻推油门，大概最佳 2.5hz。然后控制升降舵控制飞行器升降运动。切记不能未平稳就推油和拉推升降舵，操作升降时不能在一个状态停留，推拉杆后要立刻回中，有时可能还需要反方向打舵。
B)滑翔。滑翔前切勿将油门猛收最低，要逐步递减，一下将油门收入最低会导致飞行器猛低头或侧翻。滑翔后也勿将油门猛推，需逐步递加。
C)降落。降落依靠降低油门和推拉升降舵实现，降落 2 米以上的时候油门 1.8hz 最佳，2 米时可酌情收油，靠升降舵维持姿态，切记也不能在一个状态下维持，需立刻回中再来控制状态。
图 4-1 室外试飞图片
4.3 试飞总结
A）断电后检查机身主体有无损伤，骨架有无破损这坏，后接电检查线路是否完整。
B）总结此次飞行中存在的问题经验，飞行的状态等，方便后续飞行的改进。
5.总结
仿生飞行器具有优良的机动性、低噪音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务等功能。本论文开展了仿生飞行器系统总体设计，运动学分析以及样机研制和测试工作，所完成的工作总结如下：
（1）根据功能和性能指标要求，设计了仿生飞行器系统的总体方案，并进行了仿真分析。所设计的仿生飞行器，为了降低其在控制上的复杂程度而对其结构进行了精确分析与建模，建立了完整的三维模型，并运用虚拟样机技术 ADAMS 软件运动学分析验证了结构设计以及参数设计的合理性；（2）根据仿生飞行器的外形，设计蒙皮模具，采用先进的制造技术 3D 打印技术，快速精准的制作模具。利用 3D 打印的模具，制作复合材料的扑翼外壳蒙皮。
（3）根据所能购买到的电器元器件和标准的零部件，以及结合加工所得到的零部件装配得到了仿生扑翼飞行器的原理样机。
总体来说，目前所完成的工作只是一个阶段性的初步成果，仿生扑翼飞行器的潜力无穷，还需要以下几个方面进一步进行深入的研究和改善：
（1）机械设计与加工工艺方面，应该更多地考虑更轻质以及柔性的材料，以减轻整机的质量，改善扑动时的气动性能；（2）在扑动飞行的机构上添加更多的自由度使得飞行中可以调节与控制的参数更多、使得对于扑翼运动的调整可以更为精确与精细；
（3）加入飞行控制系统，可以实现仿生扑翼飞行器的自主飞行，使得飞行时具有完全的自主平衡与调节能力；（4）配置更多的传感器以实现对周围环境的立体式监测，从视觉图像、气压、温湿度、激光和超声波测距等方面入手以彻底达到对于仿生扑翼飞行器设计的初衷。
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