鸟类与蝙蝠低速飞行机制 - 飞行脊椎动物在悬停、起飞和降落等低空速状态下通过大幅变形翅膀、调整前后扫掠幅度实现飞行，上拍阶段折叠翅膀减少阻力，下拍阶段伸展并向前扫动产生升力 [1] - 这种非对称悬停模式划动平面明显前倾，与昆虫或蜂鸟近乎水平的对称扑动方式存在显著差异，常见于雀形目鸟类和中小型蝙蝠 [1] 仿生扑翼飞行机器人技术瓶颈 - 现有仿生扑翼飞行机器人设计主要基于昆虫或蜂鸟的对称悬停模式，难以有效模仿鸟类低速机动特性 [3] - 尽管已有无人机引入后掠翼或可折叠机翼提升巡航或滑翔性能，但在低速飞行尤其是自主起飞方面仍面临运动学实现与驱动设计挑战 [3] - 现有鸟类仿生机器人多需借助跳跃或弹射等辅助方式实现起飞，且依赖单自由度翼拍机制，无法复现生物翅膀的多自由度协调运动 [3] RoboFalcon2.0创新设计 - 机器人受飞行脊椎动物慢速飞行和非常规悬停状态启发，采用可重构驱动机构实现扑动-后掠-折叠（FSF）三者耦合的翼运动，模拟鸟类低速飞行翅膀动作 [4][5] - 平台以中型鸟类如游隼为仿生对象，翼展1.2米，总重约800克，翼载荷3.64千克/平方米，最高扑动频率7.5赫兹，扑动幅度85度 [8] - 采用蝙蝠翼式多连杆机翼结构，由肱骨、桡骨和腕骨三段骨架及聚酯纤维蒙皮组成，实现沿展向折叠变形，主体由碳纤维复合材料构成 [8] - 核心创新在于集成两套解耦机构——折叠分离器与后掠分离器，协同锥形摇杆机构（CRM）将单一旋转输入分解为三个自由度的复合运动 [8] - 后掠分离器借助球铰连杆和曲轴机构将扑动转化为机翼扫掠运动，扫掠幅度在5至25度之间连续可调，与扑动同步且相位差约180度 [9][11] - 折叠分离器通过多连杆系统将CRM转动转换为周期性折叠动作，允许通过独立伺服电机限制机翼最大展开范围，运动相位较扑动滞后约90度 [10][11] 气动性能与仿真分析 - 风洞实验与CFD模拟系统分析不同飞行状态下气动特性，重点考察机翼后掠幅度变化对升力、推力和俯仰力矩的影响 [11][13] - 增大后掠幅度在较高扑动频率下提升升力，尤其在低速起飞状态下效果明显，推力量值受后掠调整影响较小，俯仰力矩随后掠增加显著上升 [13] - CFD模拟显示后掠运动增强前缘涡强度，低空速条件下低压区扩大提高气动载荷，同时压力中心前移延长气动力矩臂，共同导致俯仰力矩增大 [13] - 基于MuJoCo动力学环境仿真表明机器人可通过调节后掠幅度实现地面起飞和初步稳定飞行，但高速条件下需结合尾翼或其他控制面实现全状态稳定 [15] - 不同缩比模型仿真显示更大尺寸平台该控制策略可在更高空速下生效，缩小模型易出现俯仰振荡，平台尺度对控制效果具有明显影响 [15] 实际飞行测试与性能验证 - 实际飞行测试在室内环境进行，机器人以45度仰角立于地面模拟鸟类起飞姿态，搭载基于STM32 F765的飞行控制器实时采集姿态、空速、功耗及扑翼频率数据 [16] - 默认重心配置下机器人成功离地并完成初期加速，飞行轨迹呈S形，俯仰控制在速度低于3米/秒时有效维持，最大扑翼频率约7赫兹，瞬时功耗达400瓦 [16] - 重心前移配置下机器人起飞后更快进入前飞加速状态，空速最高达6米/秒，实现更接近鸟类连续起飞动作，功耗与扑翼频率与默认状态相近 [18] - FSF翼运动设计在低速条件下提供有效升力及俯仰操控能力，使机器人实现受控离地及初期飞行，但高速状态下仍需借助气动面或其他方式配平 [18] - 米级扑翼机器人起飞过程功耗较高，与现存其他扑翼机器人及自然飞行动物相比尚不具备显著能效优势，但成功实现稳定起飞对拓展任务范围具有积极意义 [19]