仿生扑翼微型飞行器(FWMAV)是一种模仿飞行生物扑翼飞行的空中飞行机器人,具有与扑翼飞行生物类似的高度机动性和灵活性。因其在未来的军事、民用领域中拥有广阔的应用前景,近年来成为了航空科学领域的研究热点。本文以仿生扑翼微型飞行器为研究对象,开展了以下几个方面的研究:首先,对飞行生物的扑翼飞行机理进行了分析研究,定性解释了生物扑翼飞行的高升力机制。然后对扑翼进行了形态学和运动学的描述,同时利用旋转矩阵给出扑翼运动中运动学表达式。进而引出了准定常空气动力学模型,并通过气动载荷分析得到了扑翼产生的气动力及力矩。最后在准定常空气动力学模型的基础上建立了扑翼能耗模型,结合空气动力学模型以及扑翼能耗模型得到了机翼设计以及气动特性分析的理论基础。其次,基于扑翼空气动力学建立了仿生机翼的设计模型,其中具体包括了翼面几何设计、运动学设计以及翅脉设计三个方面,并通过设计参数化处理得到了完整的机翼设计模型。针对机翼理论设计模型设计了对应实验机翼的制作方案,并考虑气动测试需求选择了扑翼实验机构以及搭建了适用于FWMAV的气动实验平台,其实验平台可提供扑翼气动力、气动力矩和扑翼能耗的测试。再次,以提升FWMAV在悬停飞行中的气动性能为目标对机翼进行了优化设计。利用气动力模型以及气动实验对机翼设计参数进行了关于扑翼气动特性的影响显著性分析,从中筛选出了显著性较强的设计参数,并将其确定为优化设计中的设计变量。通过以实现悬停飞行所需气动力作为设计的约束条件,基于高能效的目标对机翼进行了优化设计,经过两次优化求解获取了高能效的机翼设计。进一步基于高能效优化结果对扑翼的悬停飞行性能进行了深入分析,结果显示虽然扑翼能耗经优化得到明显降低,但实际悬停表现并不理想。因而建立了影响悬停飞行稳定性的升力差函数,并将其作为目标之一对机翼进行了多目标优化设计。利用粒子群多目标优化算法求解,最终得到了兼具高能效和高稳定悬停能力的机翼设计。最后,对FWMAV在执行飞行工作中产生的能量消耗情况进行定量分析,建立了FWMAV工作的全能耗模型。以驱动FWMAV完成飞行工作的输入功率作为研究起点,将其分解为扑翼功率、热损功率和机构驱动功率三部分并分别利用实验数据进行建模。其中扑翼能耗模型以气动能耗模型作为基础,引入了能量补偿系数对扑翼能耗模型进行完善,并利用实验结果对能量补偿系数进行求解与修正。最终基于全能耗模型对机翼进行节能优化设计,得到了全能耗模型下的机翼优化结果并对其进行了能量分布分析。结果显示基于全能耗模型的机翼优化设计在实际工作中的能耗需求更低,具有更佳的实际应用价值。