基于仿生学的扑翼机设计与仿真
苏扬、邵冠豪、史佳针、李根、李凯兴
（中国民航大学 航空工程学院，天津，300300）
摘要: 仿生扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类扑翼飞行的新型飞行器。由于具有重量轻、体积小、隐身性、
可操作性好和成本低等特点,在国防和民用领域均有十分广泛的应用前景。本文主要介绍了基于仿生学研制
的某小型扑翼无人飞行器，并对其设计思想和制作工艺进行详细阐述与说明。
关键词: 仿生学 扑翼机 无人侦察 制作工艺
0 前言
论文详细介绍了一款基于仿生学研制的小型扑翼无人飞行器。该扑翼飞行器可以作为无
人侦察机使用，整机重20g，采用四翅扑翼机构，翼展为280mm，整机全长仅190mm。
该机采用轻木为材料来制作机身，KT板来制作尾翼。不但价格低廉，加工方便，而且还能
很大程度上保持较轻的重量和足够的强度。扑翼传动机构采用3D打印技术进行制作，材料
为PLA塑料。整机外形尺寸是以家燕为仿生对象来进行设计的，整机的外形尺寸参数如表1
所示。
表 1 扑翼无人飞行器试验机结构参数（单位mm）
名称 机身长度 机身宽度 机身最高处 翼展 机翼弦长 机翼厚度 垂尾高度
参数 190 40 35 280 85 0.015 55
1 扑翼飞行器的设计与建模
扑翼机构采用四翅机构是由于四翅机构可以利用 Wei-Fogh效应而产生较高的升力[2]，这
会对之后添加工作负载产生很大的帮助。机身结构外形尺寸参数是根据尺度效应[3]来确定的，
在最大限度地减重和模仿家燕的同时，还留有一定的可调裕度以适应不同重量的负载。尾翼
结构采用应用较为成熟的常规式尾翼。控制方面采用电磁舵机+微型接收机来作为控制舵面
的方式。整机三维建模如图1所示。
图1 整机的三维建模 图2 重心位置示意图
2扑翼飞行器的分析与调整
我们对所设计的扑翼飞行器分别进行了重心、气动、振动、扑动稳定性四个方面的分析，
分析结果如下：
重心分析：在三维建模软件中完成整机的三维建模之后，再对各个部件按照实际情况进
行材料的定义，定义完材料之后进行质量统计，得出该扑翼飞行器的整机质量约为12g，重
心位置如图2所示，可见其重心在空气动力弦与对称面的交点附近，便于机身的稳定。
气动分析：由于机翼是对称结构，所以仅需对一侧机翼进行气动分析，我们利用CFD软件
Fluent来对一侧机翼进行分析。为了简化分析，本文仅对刚性扑翼进行分析，而不考虑机
翼柔性变形对流动产生的影响。分析可得:扑翼时产生升力的大小与其扑翼速度有着密切的
联系，瞬时扑翼速度越快，产生的升力越大，而且在下扑过程中产生的升力要比在上扑过程
中产生的升力要大（如图3和图4所示）。这与2006年6月23日美国科学家在《自然》
杂志上报告的“其他鸟类（除蜂鸟外）飞翔时所需的升力全部来自翅膀下扇”结论是一致的
[4]
。所以，我们在设计传动机构时，使其在下扑行程时具有急回特性，从而可以提供更大的
升力。
图3 翼面压力云图（下扑速度最大时） 图4 翼面压力云图（上扑速度最大时）
振动模态分析：扑翼机在空中飞行时，扑翼拍打产生振动。因此我们对扑翼机整体进行
动态分析，分析其固有频率是十分有必要的。我们研究的是扑翼机的空中振动特性，不需要
施加约束，所以使用自由状态固有频率分析。我们指定计算模态阶数为30，计算结果取前
15阶模态，各阶振型和固有频率如下表所示。
模态阶数 模态振型 固有频率（Hz）
1 左上翼1弯 45.7275
2 右上翼1弯 49.4701
3 右下翼1弯 89.063
4 左上翼2弯 112.092
5 左下翼1弯 113.343
6 平尾1弯 155.533
7 左上翼3弯 209.624
8 右上翼2弯 214.875
9 右下翼2弯 261.8
10 机身平尾2弯 292.069
11 左下翼2弯 334.82
12 右上翼3弯 384.889
13 右下翼3弯 447.736
14 平尾垂尾弯扭 451.461
15 左下翼3弯 482.746
由此可以看出，全机固有频率偏高，而该扑翼飞行器的最大扑动频率才30Hz左右，很
难引发共振。从图中我们发现，全机振动变形主要集中在机翼和尾翼上，而机翼是飞机产生
升力的主要结构，同时和尾翼一起为飞机提供操纵性。可见机翼和尾翼的结构刚度对飞机安
全性和操纵性影响很大。所以根据此结论，需要对尾翼和机翼进行加固以提高其结构刚度。
图5 两翼升力曲线
扑动稳定性分析：我们通过动力学分析软件Adams对扑翼机构的运动进行分析。首先，
先在Adams里建立虚拟样机模型，之后，运用Delaurier条带理论[5]对小型扑翼机的一维拍
动模型进行气动升力计算，再对Adams建立的虚拟样机施加气动力，计算并分析其升力曲
线。得到的两翼升力曲线如图5所示。而且从图中可以看出，此机构两侧机翼的升力曲线完
全重合，由此可以表明此扑翼机构的运动具有稳定性。
3 扑翼飞行器的制作
3D打印机打印出的扑翼传动机构零件是通过钢制轴钉来相互连接的，其不但具有一定
的强度且表面光滑不会影响传动。机身与尾翼各个组件是通过胶接的方式来进行连接的，具
有一定的连接强度。机翼的材料是聚酯薄膜，为保证机翼具有一定的刚度，在四片机翼上各
加固了一根直径为0.5mm的碳杆。尾翼采用0.6g的微型电磁舵机驱动，（驱动力矩）。为使
驱动升降舵的电磁舵机良好定中，我们想到利用磁性物体同性相斥的原理，在此电磁舵机下
部通过胶接的方式固定一小块具有磁性的物体，使电磁舵机在初始时就受到一个向上的斥力
从而舵面也可以保持在中立位。扑翼飞行器试验机的整机实物图，如图6和图7所示。
图6 整机实物图1 图7 整机实物图2
5 结论
试验机的组装完成后，进行试飞等一系列试验，以检验结构强度。气动特性等。经过试
飞表明，扑翼机的设计和制作工艺都能比较好地与预期效果吻合，达到了较为满意的结果。
当然，试飞之后也发现一些小问题。其一是扑翼传动机构的齿轮由于冲击等原因而产生的滑
齿现象，我们在加强了齿轮轴心处的连接后这种现象发生的几率明显下降。其二是增加图传
负载之后，平飞高度下降的问题，在适当改进设计更换较高转速电机之后有所改善。
参考文献：
[1] 张铮.仿生扑翼飞行器的动力特性分析及结构优化设计(应用型).哈尔滨：哈尔滨工业大学
硕士论文，2014.
[2]Wesi-Fogh T.Quick estimates of fiight fitness in hovering animals, including
novel mechanism for lift Produetion.J ExP Biol.,1973,59:169-230
[3] 刘岚，方宗德，侯宇等. 微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计[J]. 中国机械工程，
2005， 9(18):1613-1617.
[4]周凯. 微扑翼飞行器动力学仿真及驱动机构优化设计.西安：西北工业大学硕士论文，
2007.
[5]Delaurier J.D. An aerodynamic model for flapping-wing flight.Aeronautica
journal[C],1993,125-130