引言: 鸟类能够通过灵活调整翅膀和尾翼的形状实现令人惊叹的无舵飞行，这是一种传统飞机无法直接模仿的特性。传统飞机通常依赖水平尾翼和垂直尾翼来维持纵向、横向和方向的稳定性，并通过升降舵、副翼和方向舵分别控制俯仰、横滚和偏航。然而，当去除垂直尾翼后，飞机往往会出现不稳定现象，例如荷兰滚（Dutch roll）。为了解决这些问题，通常需要复杂的差动阻力装置或精心设计的翼型。与之相比，鸟类能够在多种翼型下保持稳定飞行，并展现出独特的灵活性与高效性。针对这一现象，相关研究者在机器人学领域的顶级期刊 Science Robotics上发表了一篇题为《Bird-inspired reflexive morphing enables rudderless flight》的研究论文。该研究深入探索了鸟类在无垂直尾翼条件下实现稳定飞行的机制，不仅揭示了自然界的生物学奥秘，也为无舵无人机和低雷达特征飞行器的设计提供了全新的思路。让我们一起来了解该项工作吧！
原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/scirobotics.ado4535
一、研究背景
鸟类在自然界中以其优异的飞行能力著称，其中滑翔飞行尤其引人注目。与飞机不同，鸟类能够通过持续调整翅膀和尾巴的形状，在无需垂尾的情况下实现稳定飞行[1]。这种“无垂尾滑翔”不仅体现了高度的空气动力学效率，还展现了对外界干扰的卓越适应能力。这种能力的本质在于鸟类通过复杂的神经肌肉反射控制系统，结合翅膀和尾巴的协调动作，有效地控制其飞行姿态和方向。相比之下，传统飞机需要依靠固定几何设计的尾翼以及复杂的作动系统来实现类似的稳定性和控制效果，这在灵活性和效率方面存在一定局限性[2]。
在传统航空工程中，垂尾是实现飞机横向稳定性的关键部件。它通过产生侧向升力，在转弯时提供偏航力矩，并在飞行中抑制偏航扰动。然而，垂尾的存在会增加飞行器的空气阻力和雷达特征，这对某些应用场景（如无人飞行器和隐身飞行器）来说是不可忽视的缺点。虽然部分设计（如B2轰炸机）已经通过差动阻力和特殊机翼几何设计实现了无垂尾飞行，但这些方案依然面临荷兰滚不稳定性等技术挑战[3]。相比之下，鸟类无需依赖垂尾或差动阻力即可完成稳定飞行，表明它们采用了一种更灵活、更高效的飞行控制策略，这对航空工程领域具有重要的借鉴意义。
近年来，受鸟类飞行机制启发的仿生学研究为解决无垂尾飞行这一挑战提供了新的方向。通过分析鸟类在飞行中动态调整翅膀和尾巴的能力，科学家们提出了基于反射控制的假说：鸟类通过特定的神经肌肉反射，在外界干扰下能够快速调整飞行姿态，以实现自我稳定[4]。然而，这一假说的验证仍面临困难。现有研究多集中于非飞行鸟类的神经反射机制，而缺乏直接证明鸟类在飞行中如何通过反射控制实现稳定性的实验证据。同时，现有的仿生翼设计尚未能充分再现鸟类飞行的灵活性和稳定性，尤其是在模拟复杂飞行环境时难以实现持续的自主飞行[5]。
探索鸟类无垂尾飞行的机制，不仅有助于深化对自然界飞行控制策略的理解，也为航空领域设计新型飞行器提供了灵感。开发具有动态变形能力的仿生翼和尾翼飞行器（图1），有望实现更高的空气动力学效率、更灵活的操控性能，以及更低的雷达特征，从而在无人机、隐身飞行器等应用中展现巨大潜力。本研究通过构建基于鸟类神经反射机制的仿生飞行器模型，试图揭示鸟类如何通过反射控制实现无垂尾飞行，并为新型飞行器的设计提供理论基础和技术支持。
图1 PigeonBot II通过反射性改变翅膀和尾翼形态实现无舵自主飞行。(A) 生物模仿骨架与连接弹性韧带：通过四个伺服电机（两个腕部和两个第二指）驱动机翼的40根羽毛，五个伺服电机驱动尾部的12根羽毛，从而实现机翼和尾部的驱动控制; (B) 翼和尾部的可变形性：翼和尾部可以随意变形，展示了在滑行过程中的三种典型鸽子姿态（绿色），其中机翼和尾巴的形态分别从展开、中等到收起的变化; (C) 控制的尾翼形态变化自由度：展示了本研究中使用的六个受控尾翼形态变化自由度; (D) 反射控制环路：基于传感器融合的机体角度和角速度反馈，实现了空气中的自主飞行控制。
二、材料与方法
本研究开发了类鸟形态机器人PigeonBot II，其包含TailBot变形尾巴和生物混合变形机翼（6），通过风洞测试系统探索鸟类无舵飞行的关键机制。
2.1 TailBot设计与制作：
TailBot的尾部变形机制使用了五个Dymond D47伺服电机来驱动12根鸽子（Columba livia）的尾羽。这些尾羽被精确地嵌入机器人结构中的相应位置，并通过推杆、拉线鲍登电缆和扭矩管进行精确控制。具体而言，推杆（用于升降，采用0.9毫米琴钢丝）配合拉压鲍登电缆（用于展开和侧向偏转，使用0.30毫米琴钢丝）以及聚四氟乙烯管（内径为0.31毫米），共同驱动尾羽的运动。此外，扭矩管（用于尾部倾斜，采用4毫米碳纤维管）确保尾羽能够实现所需的变形。这些设计能够有效地将质量集中于尾部的重心附近，以优化飞行稳定性。每个伺服电机驱动外侧的羽毛展开，这种设计虽支持不对称的尾羽展开，但在本研究中维持了对称的展开角度。羽毛通过旋转销轴安装，并使用经过调节的橡皮筋固定羽毛位置，确保羽毛角度的均匀分布，模拟鸽子尾部的自然动作。
2.2 PigeonBot II设计与制作：
PigeonBot II在生物混合变形机翼设计上进行了显著升级，相较于之前的研究（6），翼部采用了更高扭矩的舵机（Dymond D47），并通过3D打印技术替代了轻木肋骨，以减轻重量并提升结构强度。为了降低风阻并优化空气动力学性能，PigeonBot II的舵机安装部件被3D打印的外壳覆盖，同时配置了双向旋转电机和76毫米螺旋桨，确保了飞行的稳定性和高效性。为了提升飞行控制的能力，PigeonBot II新增了Teensy 4.0微控制器，作为增益调度器和伺服混合器，极大增强了控制系统的灵活性和响应速度。此外，PixRacer也升级至ArduPilot Plane v3.9.5版本，进一步优化了飞行稳定性和精确度。在三维翼尾变形姿态设计上，PigeonBot II定义了翼展、中间和收起角度分别为170°、130°和90°，尾羽展开、中间和收起角度为146°、88°和30°，精准模拟了仿生学中右腕掌骨至左腕掌骨的角度变化。通过这些升级，PigeonBot II在飞行性能、控制精度和空气动力学效能上都有了显著提升。
2.3 风洞飞行测试
在1米×0.82米×1.73米的风洞中进行虚拟飞行测试，使用主动湍流网格和3D超声波风速计对风速和湍流强度进行校准。实验在10 m/s的气流速度下进行，以模拟鸽子的滑翔飞行。PigeonBot II通过球形关节与伸出探杆连接，进行虚拟飞行控制实验。控制系统使用PixRacer进行传感器融合和偏航、横滚PID控制，并通过Teensy 4.0映射变形伺服命令。实验通过设置尾部仰角来确定不同翼尾变形姿态的巡航攻角，并对PID增益进行调节，优化控制系统。通过与湍流强度相关的实验，确定了反射性控制器在湍流干扰下的最大稳定飞行边界，最终得出PigeonBot II在不同湍流强度下的控制能力。
2.4 大气飞行测试
将风洞中设计的控制系统扩展到实际的大气飞行实验中，使用相同的偏航和横滚控制方案来实现转弯飞行，并通过尾部仰角实现俯仰控制。为适应不同的翼尾变形姿态和攻角，我们实现了一个自适应增益调度器，该调度器根据实验数据生成横滚和偏航反馈增益模型，并在飞行中实时调整。遥控和自主导航飞行模式的主要区别在于遥控模式允许操作员直接控制横滚角和俯仰角或爬升/下降速率，而自主模式则由导航控制器自动调整。通过自适应反射性变形控制回路，结合PID横滚和俯仰控制，以及偏航阻尼器控制，PigeonBot II能够在多种飞行模式下保持稳定，且在自主盘旋飞行中能够精准控制飞行轨迹。
三、研究结果分析
本研究通过开发PigeonBot II，灵感来自鸟类如何在没有垂直尾舵的情况下稳定滑行，探索并验证了基于反射形态控制的最简机械模型，以实现无舵飞行。研究表明，鸽子型机翼平面在没有垂直尾舵时会出现荷兰滚动不稳定，而通过调整尾部倾斜角度可以在虚拟飞行中有效解决这一问题。然而，仅靠尾部倾斜不足以保证大气飞行中的稳定，因此加入了翼部形态变化。通过适当的翼不对称、尾部倾斜和尾部横向偏移的混合控制，研究发现可以最大化飞行稳定性，并成功地在风洞实验中实现了高达12%的湍流强度下的稳定飞行(图2)。
图2. 湍流强度限制了闭环无舵飞行控制。 （A）风洞湍流强度边界，当PigeonBot II（俯仰被动稳定）无法通过闭环反射控制有效抑制滚转和偏航发散时的湍流强度。所有实验从对称巡航条件开始，保持稳定巡航设定点，之后受到湍流扰动。（B）近比例翼尾形态变化组合（对角线）能很好地缓解湍流（n/a：未测试，尾部体积太小无法修正巡航+3°）。
进一步的无束缚大气飞行测试证明，这种自主反射控制策略能够实现飞行姿态稳定，并支持多种翼尾姿态下的完全自主盘旋飞行。实验结果还揭示了反射性控制策略在应对湍流和荷兰滚动方面的优势，并且证明了鸽子在飞行中偏好近比例的翼尾形态变化。这些发现不仅支持了鸟类反射控制机制的功能性解释，还挑战了传统观点，提出尾部倾斜对偏航率的影响，并对无垂直尾舵飞行的控制机制提供了新的见解。此外，这些生物启发的控制原理可以为设计低雷达反射、提高机动性和效率的无舵飞机提供指导。未来，通过引入更先进的控制技术，如人工神经网络或脉冲神经网络，以及开发更高频率的微型执行器，可以进一步提升无舵飞行器的机动性和抗干扰性能。
四、总结
本研究开发了模拟鸟类翅膀和尾翼反射性形变控制的仿生飞行器PigeonBot II，验证了在无垂直尾翼条件下，动态翅尾形变控制能够抑制荷兰滚并实现自主稳定飞行。这不仅揭示了鸟类无舵飞行的生物学机制，还为未来低雷达特征和高效飞行器的设计提供了全新思路。尽管目前受限于伺服电机功率和控制算法的精度，未来可通过优化伺服驱动系统和提高控制算法鲁棒性，进一步提升仿生飞行器的性能和应用潜力。
参考文献
[1] L. Y. Matloff, e. Chang, t. J. Feo, l. Jeffries, a. K. Stowers, C. thomson, D. lentink, how flight feathers stick together to form a continuous morphing wing. Science 367, 293–297 (2020).
[2] S. Watanabe, S. Sunada, K. Yamaguchi, optimization of high-crosswind-tolerant airplane based on double-hinged-wing and no-vertical-tail configuration. Trans. Jpn. Soc. Aeronaut. Space Sci. 66, 70–82 (2023).
[3] K. Nickel, M. Wohlfahrt, e. brown, Tailless Aircraft in Theory and Practice (edward arnold, 1994).
[4] D. bilo, “Course control during flight” in Perception and Motor Control in Birds (Springer, 1994), pp. 227–247.
[5] G. Sachs, Why birds and miniscale airplanes need no vertical tail. J. Aircr. 44, 1159–1167 (2007).
[6] E. Chang, L. Y. Matloff, A. K. Stowers, D. lentink, Soft biohybrid morphing wings with feathers underactuated by wrist and finger motion. Sci. Robot. 5, eaay1246 (2020).
END
初稿｜陈魏
复审｜颜学明
终审｜金耀初
