国防科技大学吴学忠、肖定邦团队提出一种可无控自稳定悬飞的昆虫级扑翼微飞行器

 研究背景

扑翼微飞行器的稳定控制问题自其概念提出以来一直备受关注。实现可控的稳定飞行是其走向实际应用的关键。然而，扑翼微飞行器在自主稳控飞行过程中面临巨大的挑战。与其他悬停飞行器类似，扑翼飞行器在飞行中存在动态不稳定性，未添加闭环反馈控制时，飞行器会因失去平衡而迅速翻滚，无法维持悬停。通过加入闭环反馈控制回路可实现稳定悬飞，但这会增加飞行器的感知控制元件和控制电路，导致负载增加，飞控算法也变得更加复杂。昆虫尺度的扑翼微飞行器载荷能力有限，难以搭载足够的感控元器件，若要实现稳定悬飞，增加的反馈控制元器件会使飞行器的自重大幅增加，进而加大起飞难度，阻碍其迈向实际应用。

研究进展

国防科技大学吴学忠、肖定邦团队受不倒翁结构的启发，提出了一款圆柱对称结构的筒状气动阻尼器，在垂直方向可以形成各向同性阻尼效应，将其布置于飞行器上方形成一款不倒翁微飞行器，可大大提升扑翼微飞行器垂直方向的自稳定性能。基于X型直驱式扑翼架构进行结构优化，研制出质量204 mg、翼展68 mm的微型飞行器。通过改进升力生成机制，在保持驱动条件不变的情况下在最大升力可达7.6mN，实现升力性能41.5%的提升，并将结构不对称导致的运动误差降低5%。这一进展为后续集成被动稳定系统奠定了重要基础。

基于圆筒阻尼器的气动力学特性结果，开发了一个240mg的不倒翁型扑翼微飞行器，展示了大幅改善的高度方向的自稳定性能。添加了阻尼器的机器人在相同工作条件下的垂直方向稳定时间提高了20倍以上，与十字型阻尼器相比，稳定能力提升了5倍以上。开环驱动测试时，飞行器在起飞升到最高点后，高度方向基本保持稳定，上下偏移误差低于38mm，高度方向稳定持续时间超过15s，表明圆筒阻尼器可以显著提高飞行器的稳定性能。在水平方向发生偏移运动与姿态角变化，偏移距离小于±100mm，俯仰与滚转角度浮动低于15°。

圆筒阻尼器在水平移动以及偏转时会受到垂直于圆筒面的抵抗力，所以添加了圆筒阻尼器的飞行器不仅可以在高度方向保持稳定，还具有一定的抗干扰能力，可在外界干扰中恢复飞行。在开环无控的恒定驱动条件下，采用PVC水管对悬飞中的飞行器进行连续击打-恢复实验，在碰撞后飞行器高度方向发生70mm以上的波动，姿态角发生±40°以上波动，机器人在击打失稳后1.5s内均会恢复悬飞状态，表明不倒翁飞行器具有较好的碰撞后自稳定恢复能力。

抗风扰动能力是飞行器研制的重要性能要求，也是微飞行器应用的难点，提出的不倒翁微飞行器具有一定的抗风扰能力，可在微小阵风干扰后恢复稳定飞行状态。给机器人恒定的驱动信号，在其稳定悬飞数秒后模拟阵风（风速分别为2.08 km/h和2.59km/h）吹过，机器人的高度方向波动大于160mm，姿态角发生-60°-75°以上波动，机器人在波动后后均能在1s内恢复稳定状态。验证了研制的不倒翁飞行器的在无控条件下就具备较好的抗扰动自稳定恢复能力，为昆虫尺度飞行器的应用奠定了技术基础。

未来展望

本研究建立的"结构优化-气动增强-被动稳控"协同设计框架，为突破微飞行器载荷限制与动态稳定性间的技术瓶颈提供了新途径，所实现的不倒翁型微飞行器为昆虫尺度扑翼微飞行器的实际应用奠定了关键技术基础。未来，随着技术的进一步发展和优化，该设计有望应用于微型无人侦察、搜索救援等高精度任务中，解决传统无人机在狭小区域的作业瓶颈，推动微飞行器在更复杂环境中的应用。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0787