在扑翼微型飞行器（FWMAV）设计中，无尾双翼配置面临强烈的流固耦合和翼身动态耦合挑战。AirPulse 机器人作为首个 26g 级蝴蝶仿生无尾 FWMAV，通过柔顺胸腔结构实现被动翼扭转，提供固有俯仰稳定性，同时采用 STAR（Stroke Timing Asymmetry Rhythm）节奏生成器进行主动偏航 / 滚转控制。该设计避免了传统尾舵依赖，适用于狭窄空间巡检。
柔顺胸腔的被动俯仰稳定机制
蝴蝶飞行依赖低展弦比（<5）、柔性翅膀和大振幅低频扑翼（~10Hz），产生周期性重心和转动惯量变化，导致明显体摆动。AirPulse 复制此生物力学：翅膀采用碳纤维脉络强化聚酯薄膜（12.5μm 厚），形成梯度刚度 —— 基部刚性传矩、远端柔顺变形。
核心创新在于 “柔顺胸腔” 区域：3D 打印 PETG 机身与伺服臂机械耦合翅膀，利用结构弹性和翼惯性负载，在无额外翼执行器下自动生成翼展向扭转（spanwise twist）和攻角波形（AoA waveform）。扑翼时，下冲程翼加速产生负惯性扭矩（İ_yy θ̇ 项），上冲程能量回收，形成被动羽化（feathering），稳定平均推力线位置。
风洞测试证实：静态俯仰力矩斜率正值，中性点在前于重心，实现纵向静态不稳定，提升响应性，但需主动控制维持。周期平均升力 0.292N（超自重 0.26N），支持滑翔。翼变体实验显示，四脉络前翅产生更高轴向 / 垂直力，证实脉络强化优化非稳态效应如前缘涡（LEV）。
工程参数：
- 翼展 60mm，单翼面积最小化（占总重 38%），翼载最低（Table 1）。
- 脉络布局：仿 Papilio demoleus，Dc-Cu1 角～123°，主梁 1.0mm，纵脉 0.5mm。
- 伺服倾角对齐结构刚轴，固定 50° V 形二面角，促进左右不对称力。
监控要点：
- IMU（ICM-42688-P）置于重心，捕获～3% 体长前向 CG 移位、2.5× 惯量变。
- RLS 滤波提取低频俯仰均值，避免振荡反馈。
STAR 节奏生成器：偏航 / 滚转控制
无尾设计下，俯仰 / 偏航通过扑翼调制：对称参数（频率 f、幅度 ζ、偏移 δ）调推力线；不对称调制产生差分力矩。
STAR 定义：y (t) = ζ sin (ω(t)) + δ，其中 ω̇(t) = π f /p (ω)，p (ω) = 0.5 + A cos (ω)，|A|<0.5。A 线性调上 / 下冲程不对称，保证相速连续、一阶导平滑、平均频率不变。
力矩映射（六轴 F/T 传感器，3m/s 风洞）：
- 对称 δ 上移：减总力，鼻下俯仰矩。
- 左 / 右 δ 不对称：滚转矩，主 yaw 通过差拖曳。
- 对称 A 增：鼻上俯仰矩。
- 左 / 右 A 不对称：滚转矩，右转。
PID 控制器（Kp=0.6, Ki=0.45/0.7, Kd=0.05/0.07）融合 Madgwick 滤波姿态，输出至 CPG。自由飞测试：爬升 / 转弯，功耗～5.9W（4.38g/W），优于同级四旋翼。
落地清单：
- 硬件：ESP32-S3 板（240MHz），双 BlueArrow D30T 伺服（4.6g），1S LiPo，INA219 电流监。
- 软件：100Hz 循环，IIR 滤 1/p (α~2π fc /f_servo)，RLS 俯仰估（λ<1）。
- 标定：80 扑翼映射 f/ζ/δ/A → F/τ，Butterworth 滤（50Hz）。
- 回滚：若振荡，降 A 至 0.2，增 PID Kd 20%；电池 <20%，降 f 10%。
- 风险限：Re~5600，k>1 非稳态区，防脉络疲劳（<5000 周期测试）。
该设计桥接生物启发与工程：柔顺胸腔被动稳定俯仰，STAR 低维调制全姿态，56s 无缆悬停证明可行性。未来集成神经形态视觉，提升自主性。
资料来源：
- arXiv:2602.06811：AirPulse 设计与控制细节。“AirPulse... achieves fully onboard, closed-loop, untethered flight... up to 56 s。”
- HN 讨论：工程洞见与图表赞誉。