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 200240）

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250 Hz的扑翼频率要低很多［1］。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，蝴蝶有着自己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、鸟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。

图1 蝴蝶下拍时翅面附近流场的等涡量面俯视图[3]Fig.1 Top view of the isovortex surface of the flow field near the wing surface when the butterfly is shot down[3]

图2 蝴蝶上拍时翅面附近流场的等涡量面俯视图[3]Fig.2 Top view of the isovortex surface of the flow field near the wing surface when the butterfly is shot up[3]

北京航空航天大学的孙茂等就黑框蓝闪蝶前飞时的气动特性，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

式中，V，T，Cv分别代表升力、推力以及升力系数，ρ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，也不可避免地引入了一部分向下的力，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，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。

图3 陈前川等设计的仿蝴蝶样机[4]Fig.3 Imitation butterfly prototype designed by Chen Qianchuan et al[4]

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。

此外，蝴蝶翅膀柔性很大，在扑动过程中可以产生很大的柔性变形，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，还需要一定的机制去平衡运动，同时灵活地去调整飞行姿态，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。

北京航空航天大学的Zhang Y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。

图4 高速相机下蝴蝶一次扑翼动作的分解[5]Fig.4 Decomposition of a butterfly’s flapping wing action under a high-speed camera[5]

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60°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］。

除此之外，Tejaswi 等更是在2021 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——Festo。它于2016 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eMotionButterfly［8］。

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 3 Hz，具备集群活动与自主避障的能力，飞行速度为 1～2.5 m/s，飞行时间可持续 3～4 min。

图5 Festo仿生蝴蝶eMotionButterfly[8]Fig.5 Festo bionic butterfly eMotionButterfly[8]

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70°～110°，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37.9 cm，总质量32.2 g，扑翼频率在1 Hz 左右，最大拍打角和扭转角分别为136°和30°［9］。

图6 上海交通大学设计的仿生蝴蝶样机[9]Fig.6 Bionic butterfly prototype of Shanghai JiaoTong University[9]

3.1.2 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Chi X 等基于仿生原理，设计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64.8 cm，整机质量为38.6 g，扑翼频率为2 Hz，飞行速度1.5 m/s，可在一定条件下实现1 min的巡航飞行［10］。

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 University[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49.3 cm，质量控制在31.45 g，通过试飞测得最大扑翼频率可达6 Hz，相比Festo 的仿生蝴蝶有了很大的提升，飞行速度达1 m/s，续航时间3 min，飞行高度2 m［11］。

图8 南京航空航天大学设计的仿生蝴蝶构型[11]Fig.8 Bionic butterfly configuration designed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[11]

3.2 制造工艺

在仿蝴蝶扑翼飞行器的制造工艺方面，研究者们根据自身的探索获得了许多可行的制造方案。

首先是扑翼结构材料方面。大多数研究团队都是采用高强度轻质碳纤维棒作为翅脉主材料，然后在碳纤维棒上披覆轻质薄膜，至于机架和连接件也大多采用聚酯材料或碳纤维。但也有特例，例如，日本东京大学的研究团队就采用轻木木材、聚氨酯和聚合物薄膜加上橡皮筋制成了一种人造蝴蝶，其自重可以低至与普通凤蝶相近，可以维持几秒钟的飞行［12］。

其次是扑翼翅膀制造方法。仿蝴蝶扑翼飞行器主要性能好坏很大程度上取决于翅膀的制造，其主要的制造难点就在于如何将翅膜披覆至翅脉上。最直接的方法就是使用透明胶或者双面胶直接将翅膜固定在翅脉上，例如南京航空航天大学设计的仿生蝴蝶。但此类方法比较适合于翅膀结构较简单的构型，因为透明胶粘合的强度和持久度都不是很好［13］。第二种方法就是采用中间连接套管的方式，事先对翅脉交界处设计连接套管，然后将套管用高强度胶水（如401 胶水）粘在翅膜对应的位置，再将翅脉插到套管上相应的位置，此类方法适用于结构较为复杂的翅膀构型，缺点在于要适当选择翅膜和使用的胶水，因为不同胶水在不同材质膜上的粘黏效果差别很大［14］。最后一种是叫做真空袋工艺的制造方法［15］。它采用碳纤维预浸料为翅脉材料，利用碳纤维预浸料本身带有的胶，可以将其按预设的翅脉分布方案暂时粘在PET 膜上，然后将真空袋组合结构放入恒温箱中，利用抽气泵形成袋内真空环境，使组合结构在高温高压的环境下烘烤。烘烤过后的碳纤维预浸料具有较高的强度，且与PET 膜牢固地粘连，这样便可以得到一个完整的翅膀。成形后的翅膀依靠翅脉的支撑，具有一定的刚度与稳定的形态，不会轻易地发生翅膀平面内方向的折叠、变形。其优点是质量轻且更加可控，受手工精度影响更小，但同时需要实际去试验包括预浸料宽度、厚度以及翅脉排布等因素在内的参数，否则制造出来的翅膀刚度会很大，无法发生足够的柔性形变，并且还会很脆，容易受到撞击而断裂。

最后是关于机架和连接件的制造方法。机架的选取基本都是采用管径稍大的碳纤维杆。而连接件则是包括舵机与机架、舵机与翅膀以及前文所提及的翅膀上可能存在的一些翅脉套管，这些部分的制造主要有两种方案。其一是采用3D 打印直接成型，主要针对一些立体结构比较复杂的部件［16］；其二是使用碳纤维板材进行激光切割制造，主要针对一些结构不复杂但是强度要求很高的部件［17］。

4 扑翼驱动与控制方案

本部分介绍仿蝴蝶飞行器扑翼扑动的驱动方式、扑翼拍打传动机构、驱动动力源及其飞行姿态控制方法。

4.1 扑翼的驱动方式

现有的大多数仿昆虫以及仿鸟飞行器的扑翼驱动方案主要集中在直流电机驱动、压电驱动以及电磁驱动这三种。

直流电机通常被用作传统无人机和仿生扑翼飞行器的主要推进系统，因为它具有高效率、高鲁棒性、低成本和低电压运行时的高功率密度等优点，适用于机载电源，如锂聚合物电池。然而，与大多数微型无人机中电机直接驱动螺旋桨的方式不同，仿生扑翼飞行器通常需要齿轮箱来放大电机的输出扭矩，并需要传动机构将电机的旋转运动转换为机翼的相互运动，这会导致重量增加、功率损失和飞行器结构复杂性。在昆虫的小尺度下，低效的驱动性能和制造技术难度限制了直流电机在超微型扑翼飞行器中的使用［18-19］。而压电驱动方式由于响应速度快、驱动位移和驱动力较大、能量转换效率高、结构简单等优点，在小尺度的皮级及纳级飞行器中得以广泛应用［20-22］。但压电驱动器由于需要很高的工作电压（通常是上百伏），故而电磁驱动器成为又一昆虫级仿生微扑翼飞行器的替代驱动策略，因其工作电压低避免了使用复杂的电力电子设备。因此，许多电磁驱动的仿生扑翼飞行器被开发出来［23-25］。

这三种不同的驱动方式也对应着扑翼飞行器相应的翼展尺度和质量大小，如图9 所示。根据翼展和样机质量的不同，仿生扑翼飞行器一般可以分为微型级飞行器（翼展＜ 1 m，质量＜ 2 kg［26］）、纳级飞行器（翼展＜ 75 mm，质量＜ 10 g［27］）和皮级飞行器（翼展＜ 50 mm，质量＜ 500 mg［28］）。图中PAV、NAV、MAV 分别代表皮级［26］、纳级［27］以及微型级［28］仿生扑翼飞行器。

图9 采用不同驱动器的扑翼飞行器自身质量与翼展的关系[2]Fig.9 The relationship between the mass and wingspan of a flapping wing aircraft with different drives[2]

针对目前仿生蝴蝶飞行器的尺寸，其驱动方式应采用直流电机驱动的方式，由于仿生蝴蝶飞行器的扑翼频率低，同时翅膀面积大，在拍打过程中受到空气的阻力远比一般昆虫大，这就需要驱动器能够提供足够大的输出力矩。因此，包括Festo 在内，上海交通大学、北京航空航天大学以及南京航空航天大学等研究机构，其仿生蝴蝶的驱动方案都是采用含有伺服电机的微型舵机直驱的方式。相比电机驱动，舵机中的伺服电机具有速度慢、输出力矩大的特性，可以很好匹配蝴蝶扑翼频率低、扑翼阻力大的特点。此外，舵机直驱的方式节省了中间的传动装置，使结构更为简洁，如果换用电机驱动，为了提供足够大的输出力矩，需要在驱动器与翅膀之间添加一定的减速机构，这无疑增加了结构设计难度。

4.2 扑翼拍打传动机构

除了舵机直驱扑翼机构，下面介绍仿蝴蝶飞行器的其它多种扑翼拍打的动力传动机构。

上海交通大学的Zhou 等针对昆虫飞行时的“8-字形”扑翼拍打方式，设计了一款能够产生“8-字形”扑动轨迹的扑动机构，如图10所示。该机构由齿轮组、连杆机构、复合铰链与机架构成，整体扑动机构质量约6.8 g。随后，将该机构应用于其设计的仿蝴蝶扑翼飞行器上。测试结果表明，该扑翼飞行器可以产生完整的“8-字形”轨迹，且具有一定的强度，可以承受最大频率为 15 Hz的拍打，同时表明在拍击振幅为60°的情况下，“8-字形”的拍打机构有望产生比普通直线拍打机构更大的升力，说明“8-字形”的模拟拍打方法确实可以在一定程度上提高升力，也印证了为何自然界的部分昆虫会采取“8-字形”的扑翼方式［29］。

图10 “8字形”扑动机构[29]Fig.10 “8-shaped” flapping mechanism[29]

2013 年南昌航空航天大学的雷亚超提出过一种齿轮传动扑翼机构的驱动方案，如图11 所示。以平面四杆机构为基础，通过解析法设计了具有急回特性的扑翼机构，并以 solidworks 软件为平台，建立了扑翼机构的三维模型，进行了扑翼机构的运动仿真，其把仿真结果与解析法设计的扑翼机构的运动特性进行了比较，验证了解析法设计急回特性的扑翼机构的可行性和可靠性［30］。

图11 南昌航空航天大学设计的仿生蝴蝶扑翼机构[30]Fig.11 Bionic butterfly flapping wing mechanism designed by Nanchang University of Aeronautics and Astronautics[30]

河海大学研究团队基于曲柄摇杆连杆机构设计了一款由曲柄滑块和导杆组成的扑翼机构，使得仿生蝴蝶可以无程序控制速度和转矩变化，如图12 所示。曲柄连杆机构的输入由无刷直流电动机驱动的一级减速器提供，可实现机翼的周期性扑动，并可调节机翼的扑动频率。同时该飞行器设有转向尾和升降尾，其输入由舵机提供，实现了飞行高度和方向的可控性。将运动学和动力学建模的仿真结果与理论结果进行对比分析，证明了该飞行机构的可行性［31］。该飞行扑动结构简单，为仿生扑翼机构提供了一种新的可行方案。

图12 河海大学设计的扑翼机构[31]Fig.12 Flapping wing mechanism designed by Hehai University[31]

北京科技大学的贺威团队设计了一款基于线驱转向的仿蝴蝶扑翼飞行器USTButterfly-S，其驱动方式和控制方式较舵机直驱的仿生蝴蝶有了很大的改变。首先，其主体的驱动器由两个舵机换成了一个空心杯电机，通过其自制的减速传动机构，将电机的转动通过传动机构转化为翅膀的拍动动作，如图13所示。

图13 USTButterfly-S的驱动机构[1]Fig.13 USTButterfly-S’s driving mechanism[1]

此种驱动方式虽然省去了两个舵机，减小了一部分质量，但也使得两翼的运动一直都是同步，无法完成姿态变化，故而其团队提出了一种线驱的运动控制方式，即通过两根细线连在两翼上，然后将两线缠绕至一个极轻的微型舵机上，通过控制舵机的转向来向不同方向拉紧细线，从而达到控制两翼不同扑翼行为的目的，如图14 所示。最终制作的USTButterfly-S 仿生蝴蝶样机的翼展为50 cm，质量50 g，最大扑翼频率达5 Hz，可实现长达5 min的自由可控飞行［1］。

图14 USTButterfly-S转向机构[1]Fig.14 USTButterfly-S’s steering mechanism[1]

综上所述，虽然舵机直驱是目前仿蝴蝶扑翼飞行器的主流驱动结构，但没有传动机构，舵机本身还是难以完成一些精巧的动作，故而上述研究者对于仿蝴蝶扑翼飞行器扑翼拍打传动结构的研究，为进一步提高仿生蝴蝶的扑翼效率提供了重要帮助。

4.3 驱动动力源

仿蝴蝶扑翼飞行器的驱动动力源大多采用高密度锂电池，相比传统电池，在为飞行器的飞行提供足够电量满足长时间飞行的同时，可以很大程度上减小飞行器的负载。

除了搭载锂电池外，有些研究团队也基于一些巧妙的机械储能手段，为仿生蝴蝶提供动力源，比如日本东京大学的团队利用橡皮筋的储能特性完成了仿凤蝶扑翼机的短暂飞行［12］。虽然这一方法暂时不能维持仿蝴蝶扑翼飞行器的持久飞行，但为仿蝴蝶扑翼飞行器飞行时的能量节省提供了思路。事实上，柔性元件除了存储能量，另一方面可以提高传动效率。上海交通大学的邹才均等就曾研究过高效柔性传动铰链在仿昆虫扑翼飞行器中的应用，其设计的整个传动机构的串联刚度是其并联刚度的135 倍，满足了高效传递能量的要求；翅膀扑打角峰值达到99.6°，较好地符合了仿昆扑翼微飞行器的设计要求［32］。

4.4 飞行姿态控制方法

借鉴昆虫的飞行控制策略，目前针对扑翼飞行器的飞行姿态（指俯仰、滚转和偏航角度）已经提出了许多控制方法，并在无尾扑翼飞行器中成功地实现了受控飞行。

为了控制扑翼飞行器的俯仰运动，平均升力矢量可以在质心前后移动或倾斜，从而产生俯仰扭矩，这可以通过调节翅膀扭曲来实现［27］。而控制滚转运动的方法有两种，其一是通过左右翼的不对称升力来实现［27，33-34］，其二是通过改变冲程平面以产生侧向力，利用旋转扑翼机构使两翼的冲程平面向同一方向倾斜实现［35］，由于固定的翼根梁支持额外的滚转扭矩来控制滚转，因此倾斜会导致两翼产生不对称扭曲。偏航运动不影响无尾式扑翼飞行器的垂直稳定性，这意味着没有偏航控制，仍然可以停留在空中。然而，由于不对称机翼运动产生的初始偏航力矩并不能完全抵消，扑翼飞行器可能会围绕其机体轴旋转，从而导致航向控制困难。此外，与俯仰和滚转控制不同，偏航运动通常可以通过在左右翼产生相反的水平力来控制，例如纳米蜂鸟在扑动过程中，就通过不对称调节两翼的翼根梁来改变攻角从而产生偏航力矩［36-37］。

仿蝴蝶扑翼飞行器作为无尾式扑翼飞行器的代表，其俯仰翻滚及偏航的控制原理基本如上。至于具体到控制器的选用，目前几乎所有研究的仿蝴蝶飞行器样机都是采用意法半导体stm32芯片为核心微控制器，可以实现两个微型舵机对各自翅膀的独立控制。微控制器通过分别输出不同的PWM 波来驱动两侧舵机从而控制两翼的动作不一致，最终实现俯仰、翻滚及偏航操作。

除了基本的驱动与控制，上述的一些仿蝴蝶扑翼飞行器还在微型控制器内部集成了姿态传感器。例如Festo 的仿蝴蝶飞行器，在帮助飞行器校准姿态的同时还能根据室内定位系统提供的定位，实现仿生蝴蝶的室内自主飞行。除此之外，外部运动捕捉相机［36，38-39］、车载传感器、MEMS 陀螺仪等传感元件，目前都广泛用于仿蝴蝶扑翼飞行器的环境感知和姿态反馈。

5 总结分析

现有的仿蝴蝶扑翼飞行器的各项结构参数如表1 所示，表中研究者未命名的仿蝴蝶扑翼飞行器名称统一采用IBA（Imitation Butterfly Flapping Wing Aircraft）加编号的方式表示。此外，躯干质量是除翅膀质量和驱动器质量之外所有质量的总和。通过表中数据发现这些仿生蝴蝶扑翼机各项结构存在着一定的规律。

表1 现有仿生蝴蝶扑翼飞行器各项结构参数表Table 1 Structural parameters of existing bionic butterfly flapping wing aircraft

首先，所研制的仿蝴蝶扑翼飞行器质量基本都在30～50 g 的范围内；其翼展基本维持在半米左右，说明仿生蝴蝶的尺度与其质量是有着很大相关性的，要想产生足够大的升力，就需要一对足够大的翅膀来维持。其次，通过进一步的数据对比发现，当蝴蝶翅膀的翼面积减小时，需要通过提高扑翼的频率来获得足够的升力。目前相比自然界的蝴蝶，仿生蝴蝶的尺度基本是其五倍左右，根据这一特点，如果想要接近或者达到真实蝴蝶的尺度，必须在扑翼频率上做到进一步提升。最后，通过分析翅膀质量占比可知，在设计与制造仿生蝴蝶时，有相当一部分的质量都是留给了翅膀，这也与仿生事实相吻合。自然界蝴蝶很大一部分的质量都是集中在翅膀上，这一比例大约在30%左右。

对现有的仿蝴蝶扑翼飞行器的驱动参数情况进行数据整理，如表2 所示。其中，质量一栏表示的是两个舵机（针对舵机直驱方案）或者整套驱动系统（针对电机传动与舵机转向方案）的总质量，驱动部分质量占比也是这一质量占总飞行器质量的比例值。通过表2 也发现了许多仿生蝴蝶飞行器研制的关键问题。对比分析发现，仿生蝴蝶飞行器能否克服重力起飞，驱动器有着至关重要的作用。根据表2 可以得出，对于舵机直驱的方案而言，驱动器的输出力矩对仿蝴蝶扑翼飞行器的升力获得有决定性的作用。国内三款舵机直驱式仿生蝴蝶中有两款舵机输出力矩均可达到3 kg·cm 以上，而这两款都可以顺利克服重力起飞；相比之下，无法克服重力起飞的一款，其舵机输出力矩要小的多。之前分析过蝴蝶在扑翼过程中由于翅膀面积很大，受到的空气阻力也很大，所以对舵机的输出力矩有很高要求。虽然换用小型轻质舵机可以减小很大一部分质量，但通过数据可以很明显地看到，在质量减小一倍的同时，舵机的输出力矩只有原来的五分之一，很显然输出力矩下降远比质量下降更快，故而盲目更换轻质舵机是不可取的。

表2 现有仿生蝴蝶扑翼飞行器各项驱动参数表Table 2 Drive parameters of the existing bionic butterfly flapping wing aircraft

通过分析表中四款可以克服重力起飞的驱动机构质量占比也发现，在设计现有尺度的仿生蝴蝶时，驱动部分的质量占比预算基本在30%～40%。因此，结合之前翅膀的分析情况，可以总结得出在设计一款仿生蝴蝶飞行器时，确定其驱动器参数的步骤流程，如图15 所示。在确定整机总重的情况下，可以大致确定其翅膀质量以及驱动器质量。由于上述飞行器基本都是采用轻质薄膜以及碳纤维杆材作为翅膀原材料，故而在确定翅膀重量的前提下可以大致确定翅膀尺度。由于飞行器总重已事先确定，因此所需要的升力是一定的，在确定所需要的升力以及翅膀的大致面积之后，便可以以此为依据大致推断飞行器所需要达到的扑翼频率范围。翅膀的尺度和扑翼频率决定翅膀在扑翼过程中所受到的空气阻力大小，以此为依据便可估算驱动器所需要的输出力矩大小，再结合设计之初确定的驱动器质量范围，便可以进行驱动器驱动方案选择。

图15 确定仿蝴蝶扑翼飞行器驱动器的步骤流程图Fig.15 Flow chart of determining the drive of a butterfly inspired flapping wing aircraft

6 当前研究挑战

与固定翼和旋翼飞行器相比，仿生扑翼飞行器具有气动噪声小、机动灵活性强以及仿生隐蔽性好等优点［40］，因而在民用和军事领域均有广阔的应用前景［41］。但目前仿蝴蝶扑翼飞行器的研究面临的许多问题使得其无法很好地发挥这些优点。

首先是尺度问题。根据翼展和样机质量的不同，由前面介绍的微型级飞行器、纳级飞行器和皮级飞行器的定义可知，现有仿生蝴蝶飞行器的尺度才刚刚踏入微型级别的飞行器尺度领域，其半米甚至接近于1 m的翼展尺度，显然暂时很难胜任诸如侦察的军事任务。

第二是飞行灵活性问题。目前所制造出来的仿蝴蝶扑翼飞行器由于设计时自身结构的局限性，除了起飞之外，暂时只能完成一些简单的转向动作，无法主动完成真正意义上的俯仰及翻滚动作。相比普渡大学研究的蜂鸟机器人可以模拟蜂鸟完成快速回避动作［42］，代尔夫特大学的DelFly Nimble 可以完成悬停和避障，甚至可以模仿果蝇完成“极限逃生”任务［43］，仿生蝴蝶飞行器现阶段所能完成的动作极为有限，很难承担一些对动作精确性要求很高的任务，诸如救灾勘探［44］。

第三是续航时间问题。之前许多仿鸟以及仿昆虫的扑翼飞行器都在续航时间上取得了不错的成果。例如，西北工业大学在2020 年研制的“信鸽”仿鸟扑翼飞行器，其续航时间可到20 min［45］，两年后研制的“云鸮”仿生扑翼飞行器续航甚至可达123 min，当然鸟类由于其翅膀结构特性，相比昆虫可以通过滑翔来提升续航。相应的，在仿昆虫领域，代尔夫特大学研制的四翼飞行器质量为37.9 g，与仿蝴蝶扑翼飞行器的质量相当，在完成复杂任务的同时，其续航可达9 min 以上［46］，相比之下，目前仿蝴蝶扑翼飞行器的续航时间基本都在5 min以下，仍然有较大差距。

第四是飞行器控制鲁棒性问题。在自然界中，昆虫所面临的飞行环境复杂且时刻变化，再加上其固有的飞行不稳定性［47-48］，昆虫便需要依靠自身的主动反馈系统（包括鸟类也是类似）在空中保持稳定［49］。反映到仿生扑翼飞行器上，反馈系统就是指各种各样的传感器，包括摄像头、天线、姿态传感器等，对应于昆虫的单眼［50］、触须［51］、平衡棒等。这些感觉器官帮助昆虫感知姿态偏差，并通过控制机制来产生补偿控制力，否则昆虫就无法飞行［49］。但是目前的仿蝴蝶扑翼飞行器，虽然在其控制机制中融合了诸如MPU6050 这样的姿态感知元件，但在现实应用中，对于姿态感知以及主动反馈系统的研究还很缺乏，故而目前基本所有的仿生蝴蝶飞行器都是在室内或者微风的理想室外环境进行飞行测试。对于在其他复杂环境下如何保持飞行器的控制鲁棒性这一问题，还缺少研究。

最后是扑翼动作逼真性问题。相比目前仿蝴蝶扑翼飞行器舵机直驱或是电机驱动线驱转向的驱动方式，自然界的蝴蝶在实际扑翼过程中的动作要更加灵活精细。虽然之前的研究也有将昆虫“8字形”扑翼方式应用于仿生蝴蝶的尝试，但针对蝴蝶其他复杂扑翼机制的仿生工作还十分欠缺。相比之下，对于其它仿昆虫的扑翼飞行机器人，诸如四连杆［52-53］、曲柄滑块［54-55］、曲柄轴［56-57］、曲柄摇杆［52，58］和一些基于弦的机构［27，59］，都被应用于模拟昆虫的拍打运动机构中。因此，针对仿蝴蝶扑翼飞行器，完全用舵机直驱的方式来模拟蝴蝶的扑翼动作，从仿生学上来讲是很粗糙的。

7 结束语

综上所述，在未来很长一段时间内，仿蝴蝶扑翼飞行器的研究仍将是一个很有挑战性的课题，未来的发展方向主要有：

（1）进一步缩小现有仿生蝴蝶的尺寸，使之更接近真实的蝴蝶。通过之前的分析，要达成这一目标，必须去寻求体型更轻巧、能量密度更高的驱动器，才能使整体仿生蝴蝶的尺度降低。一方面可以专门针对蝴蝶驱动特性去研制更个性化的电机或微型舵机，另一方面寻求压电驱动、聚合物复合人工肌肉等其他驱动方式的解决方案，来满足驱动器重量轻、能量密度高的要求。

（2）努力提高仿生蝴蝶飞行器的飞行稳定性进而提升其灵活性。一方面可以针对蝴蝶扑翼特点，设计更合适的传动机构，同时针对电机驱动进行更精细化的控制；另一方面不断优化仿蝴蝶扑翼飞行器的自身主动反馈系统，进一步应用传感器技术，同时将之前理论研究部分关于蝴蝶腹部抖动控制姿态稳定的类似原理，实际应用在扑翼机上。

（3）制造更为仿生的仿蝴蝶扑翼飞行器。现有的仿生蝴蝶虽然从外形上看很接近真实蝴蝶，但从一些更为细致的角度去观察就会发现仍存在许多的不足。比如蝴蝶的翅膀分布着极其复杂的翅脉，并且蝴蝶的翅膀从根部到边缘，刚度也是越来越低，这一点也与翅脉的分布有很大关系；但是现有仿生蝴蝶都是采用均质碳纤维棒，并进行比较规律的排布。显然，未来在模拟翅脉排布、制造更为仿生的蝴蝶翅膀方面，还有许多研究的空间。

（4）推进仿蝴蝶扑翼飞行器的实际应用。扑翼飞行器在研究之初，便是希望其可以在旋翼和固定翼飞行器难以胜任的场合承担一些工作，比如军用侦察、救灾勘探等。如何将仿生蝴蝶与这些应用场景有机结合起来，是未来研究的最终目标。