模仿自然界飞行生物的飞行方式,仿生扑翼飞行机器人具有低噪音、低能耗、高隐蔽性、高机动性等潜在优势,在隐蔽侦察、环境监测、科教娱乐等领域具有广泛的应用前景。本文针对现有仿生扑翼飞行机器人系统仿生度低、扑翼效率低、机动性能差、自主能力弱、飞行机理模糊等问题,开展仿鸟扑翼飞行机器人系统设计与优化、自主飞行控制、仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与飞行机理分析等研究,主要内容如下:一、针对现有仿鸟扑翼飞行机器人难以兼顾机动性与飞行效率的难题,提出了一种新型舵机驱动仿鸟扑翼飞行机器人系统设计与控制方案。通过两个独立舵机直接驱动控制左右翅膀扑翼幅值、频率和相位,进而实现了无可控尾翼情况下的三轴姿态角解耦控制,完成了滑翔、俯冲、后空翻等高机动飞行控制,并最终通过优化扑翼步态提升了飞行效率。二、面向仿鸟扑翼飞行机器人在区域巡航监控任务的实际应用,开展其自主巡航控制系统研究。首先,设计协助起飞的运载平台并成功实现了自主起飞,摆脱了传统仿鸟扑翼飞行机器人需要手抛起飞的困境;然后,提出了一种基于矢量场制导的双闭环PD控制算法,实现了室外自主巡航飞行;最后,研制了轻量化两自由度舵机云台,解决了监控任务航拍视频抖动问题。三、面向仿鸟扑翼飞行机器人在隐蔽空投任务的实际应用,开展其自主投放控制系统研究。针对投放任务对滑翔能力的需求,通过将弧面翼结构和二面角调节机制引入机翼的翼型设计和运动控制,有效提高了仿鸟扑翼飞行机器人的滑翔性能。设计了投放机构和基于机载视觉的自主投放控制算法,并通过仿真和实验进行了验证。四、针对现有仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统可控性差、仿生度低、飞行机理模糊等问题,提出了一种高仿生仿蝴蝶扑翼飞行机器人系统设计与机理分析方案。首先,通过舵机独立驱动实现了仿蝴蝶扑翼飞行机器人的无尾控制。然后设计了高仿生翼型,翅膀几何学研究表明其与生物蝴蝶有着十分接近的形态特征。最后,利用多摄像头运动捕捉系统,在仿蝴蝶扑翼飞行机器人爬升飞行中发现了与生物蝴蝶类似的翅身耦合交互作用,这表明生物蝴蝶波动式的飞行轨迹很可能是由于翅膀扑翼运动被动引起的,而非主动控制的。