昆虫在垂直壁面上的起飞与着落机制及其仿生

During the long period of evolution, insects not only acquire the remarkable flying skills, they can also attach or climb on the vertical walls and ceilings. The locomotion abilities of flapping, wall-climbing and the smooth transition between the two patterns offer excellent concepts for bionic design. Firstly, using the locust as prototype, this research will investigate the perching mechanism on the vertical wall. Specifically, the kinematics and dynamics of the active and passive landing behaviors will be studied. Besides, to figure out the mechanism of insects taking-off on vertical wall, the kinematics and dynamics of taking-off under autonomous and stimulated conditions will be examined. Furthermore, the control strategy when operating fast transition between air-flying mode and wall-climbing mode will be explored. Based on these biological mechanisms, this work will manufacture a micro-aerial vehicle which can flap and climb on wall surfaces of any roughness that utilize the synergistic action of claw and pad adhesion. In addition, this research will carry out optimal design on the structure of the bionic micro-aerial vehicle by adopting the mechanism of climbing. Moreover, a novel control strategy will be developed inspired by flapping flight of insects. Bionic micro-insect aerial vehicle can be applied to the battlefield scout and disaster rescue, which of paramount significance in military and civil utility.

昆虫经过亿万年的漫长进化过程，不仅获得了令人惊叹的飞行技巧，还能够在垂直墙面或天花板表面爬行附着。昆虫的扑翼飞行、壁面爬行以及两种运动模式间自如转换的运动能力，给我们提供了极好的仿生模型。选择以蝗虫为研究对象，开展昆虫在垂直壁面着落机制研究，研究其在主动着落和被动着落两种方式下的运动与动力学；开展昆虫在垂直壁面的起飞机制研究，研究其在完全自主起飞和受到刺激后的起飞两种方式下的运动与动力学；研究昆虫在空中飞行和壁面爬行两种运动模式间快速转换的控制策略。基于生物机理，将研制能够扑翼飞行且能够基于钩爪与黏附足垫的协同作用在壁面爬行的仿昆虫微型飞行器。此外，开展融合爬行机构的仿昆虫微型扑翼飞行器结构优化设计，并进行仿昆虫微型扑翼飞行器新型控制策略研究。仿昆虫微型扑翼飞行器可以用于战场侦察及灾难搜救等，具有重大的军事和民生应用价值。

昆虫可以在各种垂直壁面或天花板表面灵活起飞或着落。昆虫的扑翼飞行、壁面爬行以及两种运动模式间自如转换的运动能力，给我们提供了极好的仿生模型。通过昆虫在壁面上起飞与着落机制的研究，设计研制设计出兼具扑翼飞行与爬壁能力的微型飞行器，不仅能够实现在室外的远距离飞行，到达指定位置降落；还能依靠其壁面爬行的能力爬行到更隐蔽或更接近目标的位置进行秘密侦察和稳定拍摄等工作。可以用于战场侦察及灾难搜救等。具有重大的军事和民生应用价值。. 本项目开展了昆虫在垂直壁面的着落机制研究，研究了其在主动着落和被动着落两种方式下的运动学与动力学；通过昆虫在完全自主起飞和受到刺激后的起飞两种方式下的运动学与动力学分析，开展了昆虫在垂直壁面的起飞机制研究；研究了昆虫在空中飞行和壁面爬行两种运动模式间快速转换的控制策略；研制了能够扑翼飞行且能够基于钩爪与黏附足垫的协同作用在壁面爬行的仿昆虫微型飞行器。该飞行器可以在0.4秒内从空中过渡到壁面（着陆），并在0.7秒内从壁面稳定过渡到空中（起飞）。总重为93.65g（包括电池和机载电子设备），扑翼动力部分单侧翼展为150mm，在竖直壁面的爬行速度为3cm/s。. 本项目对典型昆虫的翅膀结构及力学特性的分析启发了仿昆虫翼型及材料的设计及制造思路，促进更耐用的仿生机翼的研发。项目对蝴蝶垂直壁面起飞及着陆的全过程进行了跟踪与分析。起飞过程蝴蝶所采取的策略揭示了昆虫在脱离垂直壁面对效率与能量的取舍。而着陆过程的策略可以在低扑动频率大尺度昆虫中得到验证，并能够指导小型扑翼飞行器完成稳定壁面着陆过程。研制的两栖飞行器拓展了传统飞行和爬行机器人的工作空间，可以为未来机器人在复杂的多尺度高空-壁面环境中执行自主视觉监测、环境探测、人员搜救和跟踪的任务提供有效手段。