• 作者简介

吴朝封

2019年获得华中科技大学测控技术与仪器专业工学学士学位，于2022年获得上海交通大学电子与通信工程专业硕士学位。上海交通大学博士研究生，研究方向主要包括微型仿生扑翼飞行器、多模式仿生机器人。

崔峰

1999年和2002年分别获得长春理工大学机械工程工学学士和工学硕士学位，于2007年获得上海交通大学微电子学与固体电子学工学博士学位。上海交通大学副研究员，研究方向主要包括微型仿生机器人、MEMS器件与微系统。

• 文章简介

仿生扑翼微型飞行器 (FW-MAVs) 从鸟类和昆虫的飞行机制中获得灵感，展现出区别于固定翼和旋翼飞行器的独特优势，具有便携性、高安全性、仿生隐蔽性和环境干扰小的特点，非常适合搜救、环境监测等应用。目前，已开发出多种带尾翼的仿鸟扑翼飞行器，但其对空气动力尾翼面的依赖排除了悬停能力并限制了敏捷性，并不适合在狭窄环境中应用。相比之下，无尾翼FW-MAVs从飞行昆虫中获得灵感，在有限空间内实现了非凡的敏捷性和悬停能力。这种飞行能力虽然需要主动反馈控制，但带来了关键优势：卓越的抗干扰能力、增强的机动性，以及在森林、室内空间等复杂环境中飞行的能力。然而，其发展受到航时和有效载荷能力的严重制约，开发一种既能保持飞行敏捷与悬停，又能实现长航时和高有效载荷的无尾FW-MAV仍然是一个关键挑战。只有少量无尾FW-MAVs被报道了能实现不超过11分钟的自由飞行。

上海交通大学微米纳米加工技术全国重点实验室的团队在 Drones 期刊发表了文章，介绍了一款翼展36厘米的仿昆虫无尾扑翼微型飞行器X-fly的设计、开发与实验验证过程。X-fly实现了最长33.2分钟的飞行续航，可携带相当于其自身净重 (18.9克) 的有效载荷。该项研究为未来无尾FW-MAVs作为强大的微型飞行平台配备多种有效载荷以实现各种应用奠定了坚实基础。

• 研究过程与结果

研究团队设计了一款四翅构型的仿昆虫无尾扑翼微型飞行器X-fly (图1)。其轻量化高推重比扑翼机构采用曲柄-摇杆扑动机构，驱动电机采用空心杯电机，减速器由一个两级齿轮减速机构组成。翅膜为12.5 μm厚的PET薄膜。通过扑翼机构升力测试实验优化了拍打幅度、扑翼翼长等关键气动参数，得到了最佳配置为翼长16.5 cm、拍打幅度47°的高效率仿生扑翼驱动系统，两侧的扑翼机构可产生最大57.2 gf的升力。为实现稳定的姿态控制，X-fly依靠两侧扑翼机构产生的升力变化以及其冲程平面的方向调整来产生控制力矩，并测量了扑翼机构产生的三轴姿态控制力矩。研究团队设计了X-fly的飞行姿态控制系统，制作了重2.1克的飞控电路板。在由八台红外动作捕捉摄像头组成的Vicon系统中评估了X-fly的悬停和多自由度飞行性能。通过抛掷稳定测试，评估了X-fly从扰动中恢复稳定飞行的能力 (图2)：X-fly被手动抛向空中 (t=0秒)，初始为不受控制的滚动运动，在t=0.4秒时，飞行器成功从失控状态实现了稳定悬停。

图1. 无尾扑翼微型飞行器X-fly。

图2. X-fly抛飞稳定性测试过程的合成图片及其姿态角的变化过程。

研究人员对X-fly的飞行续航时间、最大载荷、最快飞行速度和机动性性能进行了测试，并通过机载FPV摄像头记录了其在森林环境中的模拟目标搜索能力。室内续航测试表明，X-fly配备一块21.6克、1100 mAh、4.18 Wh时的锂电池时，其总起飞重为40.5克，在3.8伏电压下的峰值升重比为1.42。三次悬停续航实验得出的平均续航时间为32.5分钟，最长达到了33.2分钟 (图3左图)，是之前报道的无尾FW-MAVs中最长续航时间 (Nano Hummingbird，11分钟) 的三倍 (图4)。最大载荷测试表明，X-fly配备了一块5.5克、250 mAh锂电池时，成功携带了另一架不带电池的X-fly (净重18.9克) 飞行，最大载荷超过100%自重 (图3右图)。

在室外无风条件下测试X-fly的最快前飞速度和侧飞速度分别为5.35 m/s和6 m/s。在室外复杂多变的密林中X-fly成功完成了“8”字轨迹机动飞行 (图5)，证明了其在受限空间中的精确机动性和稳定性。X-fly机载摄像头完成了模拟搜救场景的验证实验 (图6)：一个气球被放置在森林深处作为模拟的待搜救目标，X-fly搭载了重3.2克的商用FPV摄像头 (含2.4 GHz图传发射器)，实验中操作手通过图传视频信号远程操作飞行器并实时识别到目标，验证了X-fly具备在复杂环境中执行任务的能力。

图3. X-fly的续航测试过程合成图片 (左) 和最大载荷测试 (右)。

图4. X-fly与其它报道的无尾FWMAV的重量与续航时间对比。

图5. 室外丛林复杂环境中的“8”字轨迹机动飞行测试。

图6. X-fly机载摄像头的应用场景演示。

• 研究总结

本文介绍了一款名为X-fly的无尾扑翼微型飞行器 (FW-MAV)，该飞行器采用具有高推重比的轻量化曲柄摇杆扑翼机构，在续航时间和有效载荷能力两方面均实现了显著提升。通过两侧独立的扑翼模块，并利用舵机驱动调节其扑动平面，X-fly实现了完整的姿态控制，从而能够稳定悬停和六自由度自由飞行。在性能方面，X-fly使用市售1100 mAh电池，达到了33.2分钟的最大飞行续航时间，是此前报道的无尾FW-MAV最佳续航时间的三倍。当配备250 mAh电池时，它能承载相当于其自身净重 (18.9 克) 的载荷。飞行器分别实现了5.35米/秒的前飞速度和6米/秒的侧飞速度。在受限环境下的实地测试验证了实际可用性：X-fly成功在间距紧密的树木间执行了“8”字形机动飞行；当机载FPV摄像头时，在森林区域识别出目标，完成了模拟搜索任务演示。这些结果突显了其在搜索救援、环境监测和侦察等现实应用中的潜力。展望未来，X-fly可作为一个多功能平台，集成先进传感器和高性能计算单元以增强自主能力；与多模态运动模块进一步整合，则可扩展其作业范围。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2504-446X/10/1/26

• Drones 期刊介绍

主编：Diego González-Aguilera, University of Salamanca, Spain; Pablo Rodríguez-Gonzálvez, University of León, Spain

期刊主要涵盖无人机、无人机系统、远程驾驶航空器系统、水下无人机以及无人地面载具等相关的最新科学技术及应用。目前期刊已被 Scopus、SCIE (Web of Science)、Ei Compendex等权威数据库收录。

2024 Impact Factor：4.8

2024 CiteScore：7.4

Time to First Decision：20.8 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/drones