CN101934861B - 压电仿昆虫微扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种压电仿昆虫微扑翼飞行器，包括：压电翅膀、机身、电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器，压电翅膀固定于机身上表面的中部，电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器依次串联并分别安装于机身上，所述压电仿昆虫微扑翼飞行器的整体质量重心位于翅膀的中垂面上。本发明具有轻质、能耗低、机构简单、转化效率高、操作性强的突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种压电仿昆虫微扑翼飞行器。
背景技术
近年来，随着集成电路技术和微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的不断发展，仿昆虫微扑翼飞行器的研究也不断地深入。但目前仿昆虫微扑翼飞行器存在一个主要的问题就是微型尺寸下难以产生足够的升力使其飞行，这对飞行器的材料、驱动器和能源等都是一个极大的挑战。而且对于微飞行器来说能量转化效率比较低，机械部分越复杂越增加扑翼飞行器实现飞行的难度。翅膀是扑翼飞行产生升力的主要部件，如果能够将电能直接应用到翅膀上而不需要经过传动机构，直接将电能转化成翅膀扇动的机械能，减少了多种能量转化或转换过程中的消耗。
经过对现有技术的检索发现，哈佛大学的R.J.Wood教授在论文“Design，fabrication，and analysis of a 3DOF，3cm flapping-wing MAV”中设计的仿昆虫扑翼飞行器采用压电双晶片驱动器驱动胸腔传动结构来产生翅膀的上拍下拍运动，实现了微扑翼飞行器沿导轨攀升。
但是该现有技术由于采用传统机械传动，传动效率较低，并且对能源要求比较高，难以实现脱线的独立飞行。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种压电仿昆虫微扑翼飞行器，具有轻质、能耗低、机构简单、转化效率高、操作性强的突出优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电翅膀、机身、电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器，其中：压电翅膀固定于机身上表面的中部，电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器依次串联并分别安装于机身上，所述压电仿昆虫微扑翼飞行器的整体质量重心位于翅膀的中垂面上。
所述的压电翅膀包括：压电翅脉和翅膜，其中：压电翅脉包括单层压电晶片和碳纤维预浸料两层，碳纤维预浸料结合在压电晶片的下表面，两层翅膜分别包覆于压电翅脉的上下表面。
本发明通过压电陶瓷来将电能直接转化为机械能，通过机身上的电源经升压电路后并行加到单层压电陶瓷两面，此时压电陶瓷由于逆压电效应会产生垂直于表面的弯曲，通过控制电路来控制电压电位转换及频率来使压电陶瓷做往复的上下振动运动产生升力。信号接收发射器主要起到地面控制与飞行器的信号传递作用，来启动或停止控制电路的工作状态，以此来实现脱线独立飞行。
本发明主要基于压电陶瓷的逆压电效应，直接将压电陶瓷作为翅膀材料，具有轻质、能耗低、机构简单、转化效率高、操作性强的特点。
附图说明
图1为本发明新型压电仿昆虫微扑翼飞行器斜视图。
图2为本发明新型压电仿昆虫微扑翼飞行器俯视图。
图3为本发明新型压电仿昆虫微扑翼飞行器压电翅膀图。
图4为本发明新型压电仿昆虫微扑翼飞行器机身主体俯视图。
图5为本发明新型压电仿昆虫微扑翼飞行器机身主体斜视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-5所示，本实施例包括：压电翅膀1、机身2、电源3、升压电路4、控制电路5及信号接收发射器6，其中：压电翅膀1固定于机身2上表面的中部，电源3、升压电路4、控制电路5及信号接收发射器6依次串联并分别安装于机身2上，所述压电仿昆虫微扑翼飞行器的整体质量重心位于翅膀的中垂面上。
所述的压电翅膀1包括：压电翅脉7和翅膜8，其中：压电翅脉7包括单层压电晶片和碳纤维预浸料两层，碳纤维预浸料结合在压电晶片的下表面，两层翅膜8分别包覆于压电翅脉7的上下表面。
所述的翅膜8为聚对二甲苯碳采用微加工技术沉积制成。
所述的机身2由轻木构成，所述的电源3、升压电路4、控制电路5及信号接收发射器6并行位于轻木上并采用集成电路技术集成化。
所述的电源3采用3.7V锂电池。
本电仿昆虫微扑翼飞行器的振翅飞行过程：通过信号发射接收器来传递地面控制信号开启控制电路5运行，将电源3经升压电路4升压后直接添加到压电翅脉7的上下两个表面，由于压电材料逆压电效应，压电翅脉7会发生弯曲；再通过控制电路5将加载到压电翅脉7的电压信号转换成相反电位，从而使压电翅脉7向相反方向弯曲，这样就完成了翅膀的上拍和下拍运动，通过控制电路5来改变电压信号频率就可以使翅膀产生足够的升力进行飞行。
经有限元软件Ansys压电分析发现，将压电翅脉7的厚度减小到适宜程度时，在压电翅脉7上下两表面施加很小的同位电压即可让翅膀产生足够大的振幅，有效地满足自然界双翅目昆虫翅膀的振幅和频率。与现有技术相比，更低的驱动电压减少了对能源的要求，减轻了整机的重量，避免了能量转化过程中的过多的能量损耗，便于实现飞行器的独立飞行。
Claims (4)
1.一种压电仿昆虫微扑翼飞行器，包括：压电翅膀、机身、电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器，其特征在于：压电翅膀固定于机身上表面的中部，电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器依次串联并分别安装于机身上，所述压电仿昆虫微扑翼飞行器的整体质量重心位于翅膀的中垂面上；所述的压电翅膀包括：压电翅脉和翅膜，其中：压电翅脉包括单层压电晶片和碳纤维预浸料两层，碳纤维预浸料结合在压电晶片的下表面，两层翅膜分别包覆于压电翅脉的上下表面。
2.根据权利要求1所述的压电仿昆虫微扑翼飞行器，其特征是，所述的翅膜为聚对二甲苯碳采用微加工技术沉积制成。
3.根据权利要求1所述的压电仿昆虫微扑翼飞行器，其特征是，所述的机身由轻木构成，所述的电源、升压电路、控制电路及信号接收发射器并行位于轻木上并采用集成电路技术集成化。
4.根据权利要求1所述的压电仿昆虫微扑翼飞行器，其特征是，所述的电源采用3.7V锂电池。
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