洛桑联邦理工学院团队推出羽毛无人机LisRaptor，翅膀尾翼双变形|升力|尾翼|无人机|洛桑|翅膀|飞行

自然界中，鸟类和其他飞行动物翅膀的变形能力使它们能够根据不同的飞行模式和大气条件适时调整飞行姿态，以实现各种机动动作。

受此启发，科研人员研发出了变形翼无人机，该类无人机能够依据任务需求和飞行环境实时调整机翼形态，从而在飞行稳定性、操控灵活性及能源效率上超越传统固定翼无人机，展现出显著的气动优势和形状适应性。

然而，当前大多数变形翼无人机的变形机制受限于机械部件和自由度，难以实现如鸟类那般复杂的气动与惯性特性模拟。同时，这些无人机的尾翼设计往往沿袭传统无人机的模式，即同时拥有水平和垂直表面，与鸟类仅靠一个可绕体轴扭转的水平尾表面存在巨大差异。

鸟类具备通过调整翅膀和尾巴形态改变运动特性的能力，这一发现引起了科研人员对于在相近尺寸变形翼无人机上模仿此类变形机制的强烈兴趣。

▍翅膀尾巴可变形？提出羽毛无人机LisRaptor

鹰、隼和猎鹰等猛禽，在飞行过程中不仅调整翅膀，还会灵活利用尾巴的辅助转向。例如，在倾斜转弯时，这些猛禽会向转弯方向的反方向扭动尾巴，进入转弯后则反转尾巴的旋转方向。这种尾巴的扭动抵消了由翅膀产生的不对称阻力所导致的偏航，从而确保飞行的方向和稳定。

然而，鸟类尾巴在转弯中的这种作用虽然已被观察到，但其产生滚转力矩的具体机制仍不完全明确。有研究者尝试将鸟尾简化为三角翼模型进行理论分析，发现尾巴在高迎角下绕身体轴线扭动时，可以因侧滑而引发不对称的前缘涡流，这些涡流能够产生足够的滚转和偏航力矩，有助于启动倾斜转弯。然而，这种理论模型基于一些假设，包括气流均匀且在高迎角下仍能保持附着在机翼表面，同时忽略了翅膀与身体接近时可能对尾巴产生的气流干扰。

要理解鸟类转弯动作中尾巴扭动的气动功能，就必须考虑整个飞行包线，但在受控的实验室环境中获得鸟类的这种飞行行为并非易事。

针对这一问题，来自洛桑联邦理工学院的研究人员前不久对鸟类的转弯机制进行了深入研究，并受猛禽启发，设计了一款名为LisRaptor的无人机。

无人机LisRaptor基于生物信息学方法设计，不仅模仿了鹰的仿生骨架和羽毛状泡沫结构，还精确考量了惯性和气动参数。其机翼和尾部均能根据飞行需求变形，机翼可变翼展，尾部可绕体轴扭转，高度还原了猛禽的飞行特征。

通过利用LisRaptor对倾斜转弯中尾巴扭动的气动效应进行深入探究，并结合受控环境进行飞行实验，研究团队证实了猛禽等鸟类尾巴扭动在倾斜转弯中的关键作用。够利用机翼产生的不对称气流，为转弯提供必要的滚转、偏航力矩，并促使无人机在转弯时保持或调整飞行高度。这一发现不仅深化了业内对鸟类飞行原理的理解，也为无人机设计领域带来了新的启示和发展方向，尤其是在提高飞行控制精度和效率方面。

目前该研究成果的相关论文已以“A twist of the tail in turning maneuvers of bird-inspired drones”为题发表在《Science Robotics》上。作者为HOANG-VU PHAN和DARIO FLOREANO。

▍模仿鸟类飞行机制，LisRaptor的设计与制作

LisRaptor的翅膀骨架设计精巧，由三段连接构成，分别模拟了鸟类的肱骨、尺骨和掌骨。这些部分围绕肩关节、肘关节和腕关节进行旋转，其尺寸和质量均与猛禽的翅膀相仿。为了模拟鸟类通过耦合关节运动来改变翅膀形状和面积的过程，研究团队采用单一的肌腱驱动执行器，将这三个关节的运动耦合在一起，实现联动效果。

LisRaptor 无人机的生物信息学设计和特性

机翼部分由20根轻质人造羽毛覆盖，其中包括9根主羽毛和11根次级羽毛。这些人造羽毛的设计灵感来源于真实的鸟类羽毛，由1㎜的S形羽片和加强型羽轴组成。羽片采用密度为45kg/m³的柔性发泡聚丙烯（EPP）制成，而羽轴则是由1.5㎜的碳纤维管构成。除了固定在手状连杆尖端的主羽毛外，其余羽毛均附接在可在翼平面内被动旋转的骨骼结构上。羽毛的碳轴通过非弹性肌腱相互连接，实现稳定的结构支撑。

为了取代鸟类覆羽的功能，同时避免机械复杂性和机翼质量的增加，研究团队使用20kg/m³的EPP泡沫制成独立轻质层，覆盖在机械翼骨架结构和羽轴上。这三层结构在肘关节和腕关节处相互重叠，有助于翅膀的变形。

尾羽部分由11根重叠的羽毛组成，对称分布在身体对称平面上。除了固定的中央羽毛外，其他尾羽形状与翼羽相似，并可在尾平面上围绕羽毛关节旋转。尾部骨骼结构采用0.5㎜的玻璃纤维复合片制成，羽轴则通过预拉伸的三维打印弹性肌腱相互连接。这使得尾羽能够独立控制四个自由度，包括形状变形、扭曲、升降舵偏转和侧向偏转。

生物信息翼骨骼和羽毛设计

通过在机翼和尾部使用轻质人造羽毛进行覆盖，LisRaptor成功模拟了鸟类被轻质重叠羽毛完全覆盖的翅膀和尾巴。这种设计使得无人机在完全折叠时能够减少翅膀长度、翅膀表面积和尾巴表面积。

与固定翼无人机的尾巴主要用于稳定性和控制，且为了最小化机翼诱导流不利影响其位置远离翅膀不同，鸟类的尾巴在飞行中发挥着更为复杂和关键的作用。LisRaptor的尾巴靠近无人机翅膀后缘，没有垂直方向舵，可以独立围绕身体轴线扭转，并改变俯仰角度以进行纵向控制。这种设计实现了鸟类尾巴在飞行中的多种气动功能，如升力增强、阻力减小和俯仰控制等。

此外，LisRaptor还通过模拟鸟类翅膀的扫掠变形来改变其气动和惯性特性。在变形过程中，LisRaptor的重心变化与鸟类极为相似，仅移动了全长的3%。随着翅膀的展开，滚转力矩和偏航力矩分别显著提升至原来的3倍和1.8倍。这一变化与库珀鹰和游隼在肘关节和腕关节展开时的观测数据相吻合，它们的滚转力矩和偏航力矩分别增加了约四倍和两倍。

无舵变形尾翼设计

值得注意的是，由于LisRaptor的尾巴质量相对较轻，仅占总体重的不到3%，因此尾巴的扫掠变形和扭转对整体惯性力矩的影响微乎其微。这一设计特点进一步凸显了LisRaptor在模仿鸟类飞行机制方面的精细考量。

▍进行实验与测试，探索LisRaptor气动特性

通过风洞实验和飞行实验，研究团队深入了解了LisRaptor在实际飞行中的气动特性及应用。

风洞实验

在2m×1.75m的开放式风洞中，研究团队将LisRaptor安装于一个六轴力/力矩传感器上，以精确测量无人机在飞行中所受的力和力矩。通过模拟与鹰类滑翔速度相近的7m/s风速环境，团队对LisRaptor进行了静态气动力性能测试，详细记录了升力、阻力和力矩的变化，并进行了流动可视化实验，观察尾部扭动时气流的变化情况。

通过系统地改变无人机的攻角，研究团队记录了不同攻角下的气动数据，包括升力、阻力以及各方向的力矩。同时，他们还研究了尾翼形态变化（包括对称和不对称变形）以及尾扭对无人机气动性能的具体影响。

LisRaptor 尾部扭转时的气动特性

实验结果显示，LisRaptor翅膀的变形能够改变升力和阻力的产生，并影响俯仰稳定性。尾扭的变化则对无人机的滚转运动具有显著影响，通过调整尾翼的扭转角度，可以有效控制无人机的滚转力矩。当翅膀完全展开且尾巴完全折叠时，中性点位于重心之前，使LisRaptor处于略微不稳定的状态。折叠翅膀会使中性点移至重心之后，从而转变为稳定的纵向模式，但会降低升力。展开尾巴则可以使无人机从不稳定状态转变为稳定状态，并增加升力。

这些发现表明，在低速飞行且升力为优先考虑因素时，鸟类可能更倾向于使用尾巴的展开变形来控制纵向稳定性，而非翅膀的扫掠变形。

飞行实验证实，无人机和鸟类只需扭动尾巴即可实现稳定的倾斜转弯

为进一步研究尾扭速率对滚转运动的影响，研究团队进行了专项实验，利用运动跟踪系统监测无人机在尾扭输入信号下的滚转响应。通过处理收集到的力和力矩数据，团队得到了升力系数、阻力系数以及各方向的力矩系数，这些无量纲参数有助于更深入地理解无人机的气动性能。同时，五孔压力探针的实时可视化和测量也揭示了无人机在不同尾扭角度下的气流特性，为后续设计无人机飞行控制系统提供了重要数据支持。

飞行实验

在室内飞行实验中，研究团队构建了一个10m×10m×8m的飞行场地，并配备了安全网和高速运动跟踪系统以确保实验的安全性和准确性。通过定制的线性发射器，团队以约7m/s的速度发射无人机，进行了稳定转弯和急转弯两种飞行场景的测试。

在稳定转弯实验中，团队通过预设的尾扭控制输入实现了无人机的自动化飞行测试，并观察了无人机在单一尾扭和两阶段尾扭下的飞行响应。结果表明，尾扭能够有效控制无人机的滚转运动，实现稳定的转弯。

在急转弯实验中，团队设计了三种不同的配置方案进行对比分析，包括尾翼上偏加扭转、尾翼上偏加扭转加不对称机翼形态变化以及仅尾翼上偏加不对称机翼形态变化（无尾扭）。通过对比不同配置下的飞行数据，研究发现尾扭在急转弯过程中起着至关重要的作用，能够显著提升无人机的转弯性能和稳定性。