CN101947389B - 双翼式仿昆飞行器 - Google Patents

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Abstract

一种微型飞行器技术领域的双翼式仿昆飞行器，包括：四个翅膀及其对应的永磁体和螺旋线圈、控制模块、机体、四个背甲及其对应的L形胸腔和柔性铰链，四个翅膀分别粘接于四个背甲的B端，螺旋线圈和铁芯粘接于沿D端的L形胸腔表面，四个永磁体分别粘接于螺旋线圈和铁芯正对的背甲的表面，永磁体、铁芯和螺旋线圈三者的轴线重合，四个L形胸腔固定设置于机体内，柔性铰链分别与L形胸腔和背甲相连，控制模块安装于机体中心并分别与四个螺旋线圈相连接。本发明每个翅膀由一个电磁驱动器采用电磁力直接驱动，结构简单，控制方便灵活，改变激励脉冲的频率、时序和幅值，可以改变驱动力的变化频率和作用方向，飞行器的主体结构采用MEMS工艺加工，易于实现飞行器的微型化。

Description

双翼式仿昆飞行器
技术领域
本发明涉及的是一种微型飞行器技术领域的装置，具体是一种双翼式仿昆飞行器。
背景技术
扑翼式微飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的微型飞行器。是20世纪90年代发展起来的一种新型飞行器。具有体积小、重量轻、成本低、飞行灵活等特点。仿鸟和仿昆虫是目前扑翼微飞行器的两种研究模式，仿鸟的飞行器尺寸较大，翅翼振动频率小；仿昆虫尺寸较小，振动频率高。研究扑翼微飞行器的目标是尽可能缩小扑翼微飞行器的尺寸。
目前，微型飞行器按飞行方式可以分为固定翼、旋翼和扑翼三类。当翼展小于15cm时，扑翼式飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，可微化程度高、隐蔽性好、飞行机动性高。国外在扑翼式微飞行器的研究方面已做出了相关成果。
经过对现有技术的检索发现，Pornsin-Sirirak，T.N.，Tai，Y.C.&Kennon，M.(2001)Microbat：A Palm-Sized Electrically Powered Ornithopter.In Proceedings of NASA/JPLWorkshop on Biomorphic Robotics。美国加州理工与加州大学以及航境公司以微电机作为动力源，通过低摩擦轻型传动机构传递能量，研制出携带有一台微型摄像机或声音传感器，并借助无线电遥控飞行的微蝙蝠。但其尺寸大，需要较复杂的传动机构，能耗比较大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双翼式仿昆飞行器，该飞行器的每个翅膀由一个电磁驱动器采用电磁力直接驱动，结构简单，控制方便灵活，改变激励脉冲的频率、时序和幅值，可以改变驱动力的变化频率和作用方向，飞行器的主体结构采用MEMS工艺加工，易于实现飞行器的微型化。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：四个翅膀及其对应的永磁体、螺旋线圈和铁芯、控制模块、机体、四个背甲及其对应的L形胸腔和柔性铰链，其中：四个翅膀分别粘接于四个背甲的B端，螺旋线圈和铁芯粘接于沿D端的L形胸腔表面，四个永磁体分别粘接于螺旋线圈和铁芯正对的背甲的表面，永磁体、铁芯和螺旋线圈三者的轴线重合，四个L形胸腔对称固定设置于机体内，柔性铰链分别与L形胸腔和背甲相连，控制模块安装于机体中心并分别与四个螺旋线圈相连接。
所述的背甲、机体以及L形胸腔均为MEMS微加工方法以碳纤维为材料制成，具体采用激光加工，选用不同厚度的碳纤维布，将其切割成背甲、机体和胸腔的形状。
所述的柔性铰链为MEMS甩胶技术以聚酰亚胺为材料制成；具体通过在硅基体上的牺牲层上甩聚酰亚胺，在聚酰亚胺层上甩SU8胶，光刻，RIE处理加工出矩形的柔性铰链。
所述的翅膀包括翅脉和设置于翅脉上的翅膜。
所述的翅脉为MEMS微加工方法以SU8胶为材料制成，翅膜为PARYLENE沉积工艺得到。具体通过甩胶、光刻、显影得到SU-8材料的翅脉结构，将parylene-c材料沉积到翅脉上形成翅膜，去除牺牲层后获得完整的翅膀结构。
所述的控制模块包括：电源、控制芯片和驱动电路，其中：控制芯片位于控制模块的中心，四个驱动电路对称的分布在控制模块的四个顶角，电源位于两个相邻驱动电路之间并靠近控制芯片的电源电压引线位置，电源与控制芯片的电源引线端相连，控制芯片产生四路的方波脉冲信号并分别输出至四个驱动电路的输入端，驱动电路放大各自方波信号并各自输出至对应的螺旋线圈。
所述的螺旋线圈的中心内部设有一个导磁的铁芯，该铁芯提高通电线圈的磁场强度，进而大幅度提高永磁体受到的电磁驱动力。
本发明的工作原理是采用电磁方式驱动，仿照蜻蜓的双翼结构。为增大电磁驱动力，永磁体和螺旋线圈构成了一个简单的电磁驱动器。每个翅膀由一个电磁驱动器同时驱动，螺旋线圈内输入方波脉冲电流，具体为：
当螺旋线圈电流为正向电流，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相异，吸引永磁体向下运动，由于存在柔性铰链，背甲向下弯曲变形，进而带动在该背甲上的翅膀向下扑动；
当螺旋线圈电流为反向电流，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相同，排斥永磁体向上运动，背甲向上弯曲变形，进而带动背甲上的翅膀向上扑动。四个翅膀的扑动方式可以通过对与其连接的螺旋线圈电流的改变进行单独的控制，简单而且方便。
双翼式扑翼微飞行器需要设定一个初始的攻角，电磁驱动力及永磁体的重力对背甲的施加位置将使背甲扭转，可以使翅膀产生一定的攻角；同时翅膀向下扑动过程中翅脉产生柔性变形，翅膀也可产生一定的被动扭转，有效攻角在不断的变化，不但能产生向上的升力，还能产生向前的推力。
本发明与现有扑翼微飞行器相比，具有如下优点：翅膀飞行器结构仿照蜻蜓的双翅结构设计成双翼，有助于提高升力和推力；使用MEMS微加工技术，实现的尺寸更小；翅膀的频率可以在比较大的范围变化，控制简单方便；电磁驱动，不需要很大的电源电压，易实现自身携带电源；控制电路简单，易实现控制集成微小化；利用永磁体和背甲的安装位置和材料的选择，能够比较简单的满足双翼在翅膀过程中拍动和扭转动作要求；四个翅膀分别用一个电磁驱动器控制，易协调各个翅膀扑动方式；机械结构比较简单，加工容易，有利于实现整体微型化。
附图说明
图1为本发明整体轴测图。
图2为本发明前半部分轴测图。
图3为本发明主体结构轴测图。
图4为本发明主体结构主视图。
图5为本发明主体结构左视图。
图6为本发明主体结构俯视图。
图7为翅膀的主视图。
图8为控制模块示意图图。
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1-6所示，本实施例包括：四个翅膀1及其对应的永磁体2、铁芯3和螺旋线圈4、控制模块5、机体6、四个背甲7及其对应的L形胸腔8和柔性铰链9，其中：四个翅膀1分别粘接于四个背甲7的B端，螺旋线圈4和铁芯3粘接于沿D端的L形胸腔8表面，四个永磁体2分别粘接于螺旋线圈4和铁芯3正对的背甲7的表面，永磁体2、铁芯3和螺旋线圈4三者的轴线重合，四个L形胸腔8固定设置于机体6内，对称分布在机体6矩形区四个直角的位置，控制模块4安装于机体中心靠前位置并与螺旋线圈4相连。
所述的机体6、背甲7以及L形胸腔8均为MEMS微加工方法以碳纤维为材料制成。采用激光加工，选用不同厚度的碳纤维布，将其切割成机体6、背甲7和胸腔8的形状。
所述的柔性铰链9为MEMS甩胶技术以聚酰亚胺为材料制成。在硅基体上的牺牲层上甩聚酰亚胺，在聚酰亚胺层上甩SU8胶，光刻，经过RIE处理加工成柔性铰链9。
如图7所示，所述的翅膀1包括翅脉10和翅膜11，翅膜11设置于翅脉10表面。
所述的翅脉10为MEMS微加工方法以SU8胶为材料制成，翅膜11为PARYLENE沉积工艺得到。甩胶、光刻、显影得到SU-8材料的翅脉10结构，将parylene-c材料沉积到翅脉10上形成翅膜11，去除牺牲层，最终获得具有翅脉10和翅膜11的翅膀1。
如图8所示，所述的控制模块5包括：电源12、控制芯片13、四个驱动电路14，其中：控制芯片13位于控制模块的中心，四个驱动电路14对称的分布在控制模块13的四个边角的位置，电源12位于两个相邻驱动电路之间并靠近控制芯片13的电源电压引线位置，电源12与控制芯片13的电源引线端相连，控制芯片13产生四路的方波脉冲信号并分别输出至四个驱动电路14的输入端，驱动电路14放大各自方波信号并各自输出至对应的螺旋线圈4。
本装置的结构仿照蜻蜓的双翅结构，易助于提高双翼式扑翼微飞行器飞行时的升力和推力。本装置的每一个翅膀分别由一个电磁驱动器控制，在飞行过程中，可以方便地控制前对翅膀和后对翅膀之间扑动的相位差，以最大程度满足飞行器的飞行需要，还可以调节左对翅膀与右对翅膀之间的扑动关系，以实现双翼式扑翼微飞行器的转弯动作。本装置设计需要一个攻角，可以利用电磁驱动力及永磁体的重力对背甲力的施加位置实现。本装置的组件结构简单，相同结构的组件较多，容易利用MEMS微加工方法批量完成。本装置采用电磁力直接驱动，结构简单，电磁驱动的控制电路简单，容易达到电路的集成化，同时电磁驱动控制信号为方波，简单易实现，可按飞行要求改变方波脉冲的频率、时序和幅值。

Claims (7)

1.一种双翼式仿昆飞行器，其特征在于，包括：机体(6)，控制模块(5)，四个翅膀(1)及对应的四个永磁体(2)和四个螺旋线圈(4)，四个背甲(7)及对应的四个L形胸腔(8)和四个柔性铰链(9)，其中：四个翅膀(1)分别粘接于四个背甲(7)的B端，四个螺旋线圈(4)分别与对应的四个铁芯(3)粘接于四个L形胸腔(8)的D端表面，四个永磁体(2)分别粘接于四个螺旋线圈和铁芯正对的四个背甲的表面，其中永磁体、铁芯和螺旋线圈三者的轴线重合，四个L形胸腔固定设置于机体(6)内，柔性铰链(9)用于分别与L形胸腔和背甲相连，控制模块(5)安装于机体(6)的中心并与四个螺旋线圈(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的双翼式仿昆飞行器，其特征是，所述的背甲、机体以及L形胸腔均为MEMS微加工方法以碳纤维为材料制成。
3.根据权利要求1所述的双翼式仿昆飞行器，其特征是，所述的柔性铰链为MEMS甩胶技术以聚酰亚胺为材料制成。
4.根据权利要求1所述的双翼式仿昆飞行器，其特征是，所述的翅膀包括翅脉和设置于翅脉上的翅膜。
5.根据权利要求4所述的双翼式仿昆飞行器，其特征是，所述的翅脉为MEMS微加工方法以SU8胶为材料制成，翅膜为PARYLENE沉积工艺得到。
6.根据权利要求1所述的双翼式仿昆飞行器，其特征是，所述的控制模块包括：电源、控制芯片和驱动电路，其中：控制芯片位于控制模块的中心，四个驱动电路对称的分布在控制模块的四个顶角，电源位于两个相邻驱动电路之间并靠近控制芯片的电源电压引线位置，电源与控制芯片的电源引线端相连，控制芯片产生四路的方波脉冲信号并分别输出至四个驱动电路的输入端，驱动电路放大各自方波信号并各自输出至对应的螺旋线圈。
7.根据权利要求1所述的双翼式仿昆飞行器，其特征是，所述的螺旋线圈的中心内部设有一个导磁的铁芯。
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