本论文主要研究昆虫扑翼飞行的观察与运动参数重建、昆虫悬停飞行的稳定性分析,以及PIV实验扑翼系统设计问题,旨在改进现有的昆虫壳体重建与姿态估计算法,给出变扑动频率的主动控制下昆虫悬停问题的分析方法,设计多自由度、能够实现精细化动作调节的PIV实验扑翼系统。针对昆虫壳体重建与姿态估计问题,本论文在昆虫全身为刚体、且身体截面为椭圆的假设下,基于椭圆半径曲线、身体中心线与翅膀轮廓线,对昆虫三维壳体进行了重建,并提出了先由昆虫飞行图像得到三维体素粗糙集合,估计位姿以作为初始状态,然后利用三维壳体投影进行匹配、精细搜索的位姿估计方法。对于昆虫飞行稳定性问题,本文应用准定常模型和叶素法重新建立了昆虫悬停飞行的空气动力学分析方法,在将原始的随时间变化的动力学系统,转换为随扑动角度变化的动力学系统后,应用平均理论得到了周期内的平均动力和力矩,根据小扰动理论得到了昆虫悬停状态下的扰动方程,并描述了基于Routh-Hurwitz稳定性判据的稳定性分析方法。对扑翼系统设计问题,本论文根据真实环境与实验环境要保持雷诺数和斯特劳哈数一致的原则,分析了用于PIV实验的仿真扑翼系统的设计准则,并分别阐述了仿蜜蜂扑翼机构和仿蜻蜓扑翼机构的设计思路,分析了扑翼机构的传动关系,引入了扑翼系统的控制系统。基于以上方法,本论文利用花蝇飞行数据集对昆虫壳体重建和姿态估计算法进行了实验验证,给出了壳体重建结果,估计得到了花蝇悬停飞行时的扑动角度变化曲线,发现在花蝇昆虫坐标系下,拍打角和摆动角有着相似的变化规律,证明了本章算法的有效性。针对稳定性问题,论文给出了一种仿蜂鸟扑翼机构设计方案,利用蜂鸟运动学与动力学参数分析了其纵向动力学系统在线性控制器下的稳定性,给出了控制器增益选择的稳定性区域。针对第三个问题,论文得到了扑翼机构尺寸大小和扑动频率之间应当满足的关系,提出了两种扑翼机构设计方案,给出了具体设计参数和其控制系统选型。本文的创新之处主要在于改进了昆虫姿态估计的方法,能够精细化估计昆虫飞行姿态;在昆虫飞行动力学系统变换的基础上,提出了针对变频率扑动控制悬停飞行的稳定性分析方法;设计了两种新型扑翼机构等。