以假乱真的机器鸟

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Smart Bird机器鸟是Festo公司的一款根据仿生学原理设计的航空模型，其设计灵感来自美丽的银鸥（图1）。Smart bird总重400g，翼展2m，所需功率仅25W。它以鸟的扑翼方式实现飞行，能在无人操控的情况下自主起飞、飞行和降落。Smart Bird不仅质量非常轻，而且动力强劲，具有很好的空气动力学性能，机动性也比较优越。

相信曾在海边见过海鸥大胆而敏捷飞翔的人都会留下深刻印象。海鸥总能轻而易举地掌控气流，它们经常成群结队地飞行、滑翔，有时会突然俯冲向海面，然后娴熟地拔回空中。海鸥这些神奇的飞行技巧，从生物学的角度来看只有一个目的——生存繁衍。

鸟类飞翔依靠的是翅膀，用肌肉的力量产生升力并克服阻力，用感觉器官感知并控制飞行动作。展开的翅膀向下扑动的同时将空气向后推，既产生升力，又产生推力。翅膀上的羽毛紧密排列，形成一个密闭的平面。由下向上扑动时，翅膀微微弯曲并扭转，使气流低阻力流过羽毛。

Smart Bird以海鸥的飞行方式为仿生学基础，实现了自主起飞、飞行和降落（图2）。Smart Bird的“鸟翼”不仅能上下扑动，而且可以在一定角度范围内进行扭转。这种扑翼方式是通过铰链式主动扭力驱动和综合控制系统实现的，将升力和推力功能合为一体，提高了操纵效率，更加接近真实的鸟类飞行（图3～图5）。

人类最古老的梦想之一就是能像鸟类一样飞翔——随心所欲地上下翻飞，从天空中俯瞰大地。

1490年，达·芬奇建立了扑翼机基础模型，期待着人类未来能实现扑翼飞行。1889年，奥托·李林塔尔发表了巨著《鸟类飞行——航空的基础》。在“鸟类与模型”一章中，他详细描述了海鸥的飞行方式。

近年来，扑翼机的研究进展比较快。2006年，多伦多大学的James De Laurier博士带领的团队实现了从跑道上的扑翼起飞。2010年8月，一架仅依靠飞行员肌肉力量驱动的扑翼机在被牵引至合适飞行高度后飞越了150m的距离。

2011年，Smart Bird诞生。它的技术关键在于超轻的机身结构、能量的高效率利用、推力和升力的功能整合以及机身和尾部的飞行控制。

铰链式主动扭转驱动

Smart Bird的扑翼动作主要包含两种运动——上下扑动和机翼扭转。上下扑动通过杠杆机构实现。机翼扭转则需在机翼上扑时使前缘向上转，以产生正迎角，从而产生升力（图6）。如果不控制机翼扭转，任由其随着扑动进行弹性变化，则会产生负升力。

Smart Bird翅膀的结构

Smart Bird翅膀的结构（图7、图8）包括通过轴承连接在机身上的内翼翼梁、类似于工业挖掘机的梯形关节和一段外翼翼梁。梯形关节的增幅比为1∶3。内翼主要提供升力，外翼主要提供推力。内翼和外翼都具有抗扭能力。机翼的主动扭转则是通过舵机实现的。

当Smart Bird双翼上举时，舵机使外翼前缘向上扭转获得正迎角；而在Smart Bird双翼下扑的一个阶段，外翼迎角会转为负值并保持不变。通过这一系列动作，流过外翼的气流会以较高的效率产生向前的推力（图9）。

Smart Bird的躯干

电池、发动机、变速器、曲柄机构和电子设备都安装在Smart Bird的机身中。机身的梁用碳纤维管制作，头部、机身零部件和机翼都与之相连（图10、图11）。通过两阶段变速，电机带动机翼以1∶45的减速比上下扑动。电机装有3个霍氏传感器，可随时准确记录机翼的位置。动力通过柔性连接传递给外翼。因其曲柄机构没有死点，所以高峰负荷很小，运行平稳，飞行动作比较柔和。

头部和机身的运动由两个电机分别进行驱动，机身可随着空气动力改变而弯曲变化，以确保Smart Bird的敏捷机动。

Smart Bird的尾段：

辅助增升和控制

Smart Bird的尾部也能产生升力，并兼具升降舵和方向舵的功能。当Smart Bird直线飞行时，其扑翼组成的“V”形能起到常规飞机垂尾的稳定作用；当其向左或向右转弯时，则需转动尾翼；而当尾翼绕机身轴线转动时，Smart Bird会绕着机身轴转动，实现航向变化。

智能控制

通过机载电子设备准确高效的控制，可使Smart Bird机翼的扭转角度和机翼位置形成函数关系。其中，一台微型控制器计算两个控制机翼扭转舵机的最佳数值，3台霍尔传感器测定扑翼电机的位置，进而实现机翼的同步扑动和扭转。因为要实现机翼的主动扭转，必须进行连续全方位的智能监控。

Smart Bird机翼的位置和扭转角度由Zig Bee协议的双向无线电通讯监控，电池电量、能量消耗和操纵手输入也通过它传递。另外，扭转控制参数也可进行实时调整以达到最优。在电子控制系统的辅助下，智能监控使Smart Bird能在不到一秒的时间内适应变化的情况。

效率分析

从理论上说，扑翼只有通过主动扭转才能达到较高的空气动力学效率，而且只有伴随着主动扭转，扑翼的能量才能有效地转化为推力。

基于法国物理学家Etienne-Jules Marey（1830～1904）对鸟类圆周飞行的研究成果，设计人员为Smart Bird进行了测量研究实验——圆周飞行测试（图12）。为测定其机电效率，引入了一个新参数——制动因素。

Smart Bird及以往产品的机电效率只能达到45%，而通过圆周飞行测试所得到的空气动力学效率高达80%。

Smart Bird整体效率由机电效率和空气动力学效率共同决定。因为空气动力学效率不易直接测量，所以通常先测出整体效率和机电效率，然后通过计算得到。为了测定机电效率，用吸收式测功机连续测量其扭矩和角速度，以确定飞行消耗的可用功率。为达到这一目的，将机翼的扑动能量传递到转轴的制动片上，制动片的杠杆则装在力传感器上，另用一个角度传感器测量轴的转动。如此通过扭矩和角速度即可算出机械功率。而机械功率与电机功率的比值即为所求机电效率。

总结

Smart Bird堪称功能整合、超轻型设计和气流高效利用的典范。在数毫秒内，机翼和机身扭转弯曲的控制动作即可完成，并能使机翼扰流达到最优。因为使用了轮廓优化和轻型碳纤维结构，Smart Bird的能源利用效率和环保性能也很好。

Smart Bird是一个综合性的机电与控制论的设计成果，融入了智能机械学、电气传动技术、流体动力学、智能开环与闭环控制工程、监控技术等学科，体现了设计人员不断将科学发现转化为实践成果的努力。