自然界中的昆虫普遍采用扑翼飞行的飞行方式,由于它们所展现出的卓越的机动性能兼具良好的稳定性,近些年来,小型仿生扑翼飞行器的发展吸引了国内外众多科研团体的兴趣。然而,现阶段的人造扑翼机仍无法实现稳定的飞行因而也无法实用化。对自然界中多尺度昆虫的飞行动力学与稳定性特性进行定量研究和归纳将有助于揭示扑翼飞行的一般化特性,从而进一步揭示昆虫为了实现稳定飞行而采取的策略与控制手段,为人造扑翼飞行器的实用化提供仿生学启示。以往关于昆虫飞行动力学,稳定性和控制的研究大都是基于简化甚至线性化的单刚体动力学模型,无法真实还原扑翼飞行的动力学特性,翅膀质量带来的惯性作用对飞行的影响更是不得而知。因此,本文采用计算流体力学(CFD)模拟的手段,结合完全非线性的多刚体动力学与非定常空气动力学仿真,对三种不同尺度的悬停飞行的昆虫(果蝇,蜜蜂,天蛾)进行了仿真模拟和研究。研究发现昆虫的实际翅膀质量可以最小化身体俯仰角(pitch)的震动,并推出了可以决定该最优质量的一般化公式。同时,本文提出了一种适用于不同尺度的可有效估计扑翼昆虫或飞行器能量消耗的简易公式。此外,对飞行稳定性的研究表明,不同尺度的昆虫具有相似的稳定性特性,即主要表现为纵向与侧向扰动下的姿态不稳定性。对于具有较大翅膀质量比的昆虫,翅膀质量所产生的惯性可以显著提升横滚稳定性。对各尺度昆虫在身体6自由度下的模拟展现了扑翼飞行高度的不稳定性。然而,一些研究表明,昆虫的翅膀可能也具有一定的自由度。因此,本文进一步研究了一种考虑了翅膀被动转动的悬飞熊蜂模型的稳定性特性。结果表明,翅膀的被动转动对熊蜂的纵向与垂向稳定性并无明显影响,但会在其受到侧向扰动时产生左右不对称的攻角,从而产生抵消横滚扰动力矩的补偿力矩,显著提升了横滚稳定性。尽管昆虫可能采用一些被动机制提升自身的飞行稳定性,但完全的,各向的姿态稳定依然需要闭环主动控制的介入。一些学者发现,PD控制可以实现昆虫的单轴姿态稳定,然而PD控制是否适用于多自由度下的情况并未得到证实。因此,本文在悬飞熊蜂CFD模拟中引入了一种三轴PD控制模型。模拟结果表明,三轴PD控制可以有效稳定熊蜂悬飞时的姿态。为快速调节并确定众多的控制参数,本文还提出了一种可以快速求解的简化动力学模型。此外,对控制参数的敏感度分析表明,以通过控制翅膀转动角实现航向角(yaw)控制最为困难。