仿昆扑翼微飞行器(FWMAV)是一类厘米尺度的空中飞行机器人。通过模仿飞行昆虫的扑翼翅运动模式,它能够实现与扑翼飞行昆虫相似的悬飞能力和敏捷的机动性。因其在未来的军民领域中拥有广阔的应用前景,目前有关仿昆FWMAV的研究已成为国内外部分重要科研机构和研发单位的热门研究课题。本论文开展了有关仿昆扑翼微飞行器的悬飞气动力分析及优化设计和制造研究。它包括以下几个方面:首先,针对扑翼悬飞低雷诺数非稳态气动力,基于已报道的准稳态气动力学模型,作者建立了扩展的准稳态气动和惯性力/力矩模型。该模型与以前的模型有三点不同:(1)引入了沿着翅平面弦向轴线的气动阻尼力矩;(2)提出了平动环量和转动环量气动力压心的无量纲弦向位置分布是一致的假设,这样可以使得转动环量气动力矩的计算变得可行;(3)包含了翅膀平面质心转动引起的惯性力和力矩。通过与采用动态机械比例果蝇翅模型测得的气动力和力矩的对比,本文的扩展准稳态气动和惯性力/力矩模型的适用性得到了验证和生效。其次,针对扑翼悬飞的翅运动模式的动力学实现机制,作者基于经典欧拉动力学理论和上述的扩展准稳态模型首次建立了扑翼悬飞时两自由度翅拍动力学完整方程,采用常用非线性常微分方程求解算法、边界值问题求解数值算法和最小二乘优化算法,首次成功地给出两自由度非线性高度耦合的微分方程的数值解,并获得了一系列驱动力矩和铰链刚度系数等设计参数。再次,为仿昆FWMAV的设计提供理论最优的翅膀形貌学和运动学设计参数,首次建立了动态比例可缩放翅膀的无量纲保形参数化描述,并采用结合了单纯形搜索的混合遗传算法(Hybrid-GA),首次开展了扑翼悬飞能耗最小时的翅膀几何学和运动学参数组合优化。组合最优化结果给出了最优的翅膀形貌学参数和翅膀运动学模式。然后,为了预估不同重量的仿昆FWMAV能够实现的最大巡航时间和航程,基于前面的组合优化框架,也开展了翅膀几何学和运动学参数组合优化,并获得一系列不同重量的仿昆FWMAV在一定前进比下能够实现最大巡航时间和航程时的最优的翅膀形貌学和运动学的设计参数。最后,本论文开展了仿昆FWMAV的设计、制造和测试方面的研究。针对选定的压电驱动仿昆FWMAV,采用了可行的被动柔性铰链来实现翅膀的被动俯仰。为了设计和制造出具有较高能量密度的压电驱动器,基于层合板理论和复合材料力学的基本力学分析模型,深入地开展了双晶片悬臂梁型压电弯曲驱动器的静态线性和非线性模型以及动态非线性模型和的建立和基本参数的预测以及优化分析。为了制造压电驱动仿昆FWMAV的各组件(压电驱动器、柔顺动力学传动机构和仿昆翅的人工翅膀以及机身),选取高性能压电陶瓷、高模量碳纤维预浸料和超薄聚合物薄膜(如聚酰亚胺和聚酯膜),采用了平面智能复合微结构制造技术、紫外激光微加工和真空袋热压叠合以及手工微装配等组合工艺。通过多轮设计迭代和工艺改进之后,最终制造出这些组件,并装配了仿昆FWMAV整机实物。此外,还开展了压电驱动器的测试和FWMAV的振翅测试,结果表明研制的样机在压电驱动器具有较大输入位移时能够产生较大的系统共振频率和翅膀拍打角幅值。总之,本论文开展的针对仿昆FWMAV的悬飞气动力、翅拍动力学和组合优化的理论分析、以及进行的仿昆FWMAV样机的微加工制造研究为仿昆FWMAV的悬飞气动布局、系统级参数优化、样机设计和制造提供了基础性理论框架和可行的技术途径;此外这些工作也为仿昆FWMAV未来自主飞行姿态控制机制中将涉及的翅拍动力学和翅膀被动扭转动力学问题的求解提供了可行的求解方法和设计参数选择依据。