蝴蝶飞行机理及仿蝴蝶扑翼飞行器研究进展综述

• Published in: 工程科学学报 Vol. 46; no. 9; pp. 1582 - 1593
• Main Authors: 张益鑫, 李少石, 王兴坚, 王少萍, 朱生华, 杨梦琦
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 北京航空航天大学宁波研究院,宁波 315800 01.08.2024; 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京 100191; 天目山实验室,杭州310023%北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京 100191
• Subjects: 仿生机器人; bionic robot; 飞行控制; flapping-wing air vehicle; flight control; 蝴蝶飞行机理; 气动特性; wing-body motion coupling; butterfly flight mechanism; aerodynamic characteristics; 扑翼飞行器; 翼-身耦合
• ISSN: 2095-9389
• DOI: 10.13374/j.issn2095-9389.2023.10.11.002

TP242.6; 仿生扑翼飞行器具有高机动性、高隐蔽性以及高效率等突出优势,在军事侦查、探险搜救等领域具有较好的应用前景,而其应用的基础是对生物飞行机理的深入探究.随着先进运动观测和实验技术的引入,对昆虫飞行行为的记录和分析更为便捷和准确.研究表明常见的昆虫拍打频率较高,在25～400 Hz之间,而蝴蝶较为特殊,其扑打频率较低,大约为10 Hz,对于蝴蝶的许多独特的飞行技能尚缺少足够的认识.蝴蝶前翼和后翼的翼面积都较大,身体同侧的前后翼几乎为同步拍打,且扑打幅度较大,甚至接近180°.蝴蝶飞行中身体有较大幅度的上下和俯仰震荡,翼和身体运动高度耦合.即便如此,蝴蝶仍具有敏捷的飞行能力,可以达到点对点的飞行目标,甚至上千公里的长途迁徙,是优秀的仿生学研究对象.因此,蝴蝶启发的仿生扑翼飞行器也得到了全世界研究人员的关注.蝴蝶的飞行机制相对于其他昆虫更加特殊,飞行行为和气动特性更为复杂,这使得仿蝴蝶扑翼飞行器的研制更加困难.目前对于仿蝴蝶飞行器的研制大多数对蝴蝶翼-身耦合的机理进行了简化,很少能实现受控的稳定飞行.最后,本文梳理了真实蝴蝶的飞行行为特点和飞行机理,指出了仿蝴蝶扑翼飞行器研制的关键技术,总结了该类飞行器未来的发展方向和应用前景.