扑翼机器人凭借其优异的飞行性能和广阔的应用前景,成为了当前的研究热点,尤其是具有一定负载能力的仿鸟扑翼机器人。近年来,研究人员已经研制了各式各样的仿生扑翼机器人,但飞行性能和效率与自然界的飞行动物相比还存在着巨大差距,此外用于扑翼机器人性能测试的风洞存在测试成本高和测试过程复杂的不足。为了提升仿鸟扑翼机器人的飞行性能,本文从机翼的结构优化、性能测试优化平台设计和飞行控制系统设计三个方面进行研究,并研制了实验样机系统,开展实验研究。主要研究内容包括:首先,本文对鸟类的飞行机理进行分析与研究,在此基础上以翅膀重量和气动性能为优化目标,进行扑翼机器人翅膀的结构优化方案设计。建立了翅膀的空气动力学模型,并采用MATLAB完成了翅膀平面形状和柔性对扑翼空气动力学影响的仿真分析,仿真结果验证了模型的有效性。基于仿真结果,设计了不同柔性、平面形状和翼型的翅膀,用于实验测试与验证研究。然后,针对扑翼机器人翅膀的性能测试与参数优化的需求,本文提出了一种旋臂式扑翼机器人性能测试优化方法,设计了基于双目视觉系统的翅膀形变检测方法,完成了测试平台机构的设计和软硬件系统设计,并进行了静力学和动力学建模与仿真分析。该平台可模拟不同速度的相对来流,并能够同步检测扑翼机器人的升力、推力,以及翅膀形变,具有结构简单、使用方便等优点,可用于扑翼机器人的性能测试和快速迭代优化。此外,该平台还可以用于定性和定量测试扑翼机器人的飞行控制参数和姿态调节参数,如攻角、扑动频率、飞行速度、尾翼摆角等,以及其对自主飞行的影响规律,为自主飞行控制打下了基础。而后,在仿鸟扑翼机器人的翅膀优化和飞行性能影响参数研究的基础上,本文进行了机器人飞行的运动学和动力学建模与分析,得到了机器人在不同坐标系下的姿态表示方法和飞行过程中的受力情况。设计了基于卡尔曼滤波的多姿态传感器融合算法,能够准确解算出当前的姿态数据。在此基础上,展开了飞行控制方法研究,基于PID自动控制算法设计了机器人的姿态自稳飞行控制方法;搭建了飞行控制硬件系统和完成了自主飞行控制软件的设计。最后,完成了多种翅膀的制作,搭建了机器人样机和性能测试优化实验平台,完成了翅膀的性能测试和形变检测,结果表明柔性适中的蝴蝶形翅膀具有更好的气动力性能。还进行了翅膀攻角、扑动频率和相对来流速度对气动力影响的测试实验。结果表明,翅膀攻角增大有利于升力的产生,但不利于推力的产生;扑动频率提高会使平均升力和推力有显著的提升;相对来流速度越大,产生的升力越大,在扑动频率过低时,相对来流速度的增大会导致阻力增量大于推力的增量,出现平均净推力的负增长。最后在性能测试的基础上,使用性能最好的蝴蝶形翅膀的机器人样机,进行了室内和室外飞行测试,实验结果表明,所设计的飞行控制系统能够使机器人实现自稳飞行和一些机动动作,达到了预期效果。