CN104044730A - 微小飞行器分段式压电舵翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小飞行器分段式压电舵翼，包括固定支架、襟翼、压电双晶片驱动器和驱动轴，固定支架内有空腔，压电双晶片驱动器设置在空腔内，其固定端固定在空腔内，自由端固连有驱动轴，空腔的厚度大于压电双晶片驱动器的厚度，襟翼与固定支架转动连接，襟翼靠近固定支架的一端设置有滑槽，驱动轴置于滑槽内，滑槽的开口宽度与驱动轴的直径相同，其中，固定支架、襟翼和驱动轴均采用绝缘材料；本发明结构简单，响应快，且在减小尺寸的情况下能够保证足够的偏转角度。

Description

微小飞行器分段式压电舵翼

技术领域

本发明属于飞行器舵翼控制技术领域，特别是一种微小飞行器分段式压电舵翼。

背景技术

固定翼式微小飞行器的飞行控制必须依靠舵翼结构来实现，传统的飞行器舵翼结构都是以电动、液压或者气动作为动力源。这些动力源可以非常好地应用在尺寸比较大的各类飞行器上。而对于微小飞行器，由于液压、气动舵机结构复杂，零件众多，微小化至需要尺寸的难度非常大，在微小飞行器领域无法应用。目前在固定翼微小飞行器上主要使用微型电动机对舵翼结构进行驱动。但微型电动机存在价格昂贵、质量大、单一圆柱外形等方面的缺点。因此国外学者考虑将压电驱动器应用于固定翼微小飞行器的舵翼驱动，并作了大量的尝试与研究，提出了整体式压电舵翼结构。这类结构是将舵翼面固定于一根转轴之上，利用压电驱动器拨动舵翼面偏转。相对于液压、气动、电动舵机，这些整体式压电舵翼具有结构简单、易于微小化、全固态、响应快、频带宽等多方面的优点。但整体式压电舵翼的最大偏转角度受到压电驱动器的尺寸限制，当结构尺寸减小时，舵翼的偏转角度也会减小，可能不能达到偏转角度要求。而国内尚未见到类似技术研究的报告。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，尺寸小，响应快，且能够保证偏转角度的微小飞行器分段式压电舵翼。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种微小飞行器分段式压电舵翼，包括固定支架、襟翼、压电双晶片驱动器和驱动轴，固定支架内有空腔，压电双晶片驱动器设置在空腔内，其固定端固定在空腔内，自由端固连有驱动轴，空腔的厚度大于压电双晶片驱动器的厚度，襟翼与固定支架转动连接，襟翼靠近固定支架的一端设置有滑槽，驱动轴置于滑槽内，滑槽的开口宽度与驱动轴的直径相同，其中，固定支架、襟翼和驱动轴均采用绝缘材料。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明分段式压电舵翼由前面的固定支架构件连接在微小飞行器机身上，固定支架是舵翼气动面的一部分，因此相对于整体式压电舵翼借助转轴的连接，使用固定支架的连接更加简易，不需要在飞行器和舵翼结构上额外增加连接的接头；此外固定支架与飞行器机身之间的接触面积比转轴更大，连接也必然更加牢靠。

(2)压电双晶片驱动器是一种大应力小应变型的驱动器，整体式压电舵翼以压电双晶片驱动器的变形直接驱动舵翼面偏转。由于微小飞行器的尺寸、质量非常小，其惯性也非常小，因此在对其飞行进行控制的过程中，作用在舵翼上的气动也是比较小的。整体式压电舵翼用压电驱动器位移驱动舵翼就存在驱动力过剩的情况，而在结构固定的情况下，压电驱动器的驱动位移是与其尺寸有关的，驱动器尺寸越大，驱动位移也越大。所以整体式压电舵翼的最大偏转角度需要依靠压电驱动器的尺寸来保证。一旦尺寸缩小，就会出现驱动位移不足的情况。而本发明的分段式压电舵翼正好解决了整体式压电舵翼驱动力过剩而驱动位移不足的缺点。利用杠杆结构，提升了压电驱动器的驱动位移，降低了输出驱动力，能够更好地发挥压电驱动器驱动力大而驱动位移小的特点。杠杆机构的放大倍数可以根据实际情况进行调节。由于分段式压电舵翼结构将压电驱动器的变形位移进行了放大，当舵翼系统尺寸减小时，压电驱动器驱动位移减小的弊端也就得到了很好地解决，从而舵翼系统可以保证在尺寸做得更小的情况下，舵翼最大偏转角度不减小。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明微小飞行器分段式压电舵翼的结构示意图。

具体实施方式

本发明一种微小飞行器分段式压电舵翼，包括固定支架1、襟翼2、压电双晶片驱动器和驱动轴5，固定支架1内有空腔，压电双晶片驱动器设置在空腔内，其固定端固定在空腔内，自由端固连有驱动轴5，空腔的厚度大于压电双晶片驱动器的厚度，襟翼2与固定支架1转动连接，襟翼2靠近固定支架1的一端设置有滑槽，驱动轴5置于滑槽内，滑槽的开口宽度与驱动轴5的直径相同，其中，固定支架1、襟翼2和驱动轴5均采用绝缘材料。

压电双晶片驱动器包括压电陶瓷片3和铜基底4，其中，铜基底4夹在两片压电陶瓷片3之间。

固定支架1与襟翼2通过转轴6铰接。

本发明的工作原理如下：

压电双晶片驱动器在外电压作用下会发生弯曲产生变形位移。其固定端固定在固定支架1的腔体内，自由端上固定的驱动轴5设置在襟翼上的滑槽内，形成一端固定一端自由的悬臂梁式结构。固定支架1与襟翼2共同构成满足气动外形需要的舵翼气动面，当对压电陶瓷片3施加电压，其自由端发生位移，通过拨动滑槽来驱动襟翼2绕转轴6转动，改变飞行器气动特性。

其设计原理如下：

压电双晶片驱动器在电压的作用下会产生与电压值高低相关的横向变形位移。驱动器一端固定于固定支架1上，另一端自由，形成悬臂梁结构。其在电压作用下产生的横向变形完全由自由端输出。襟翼2以转轴6为支点，驱动轴5到转轴和转轴到气动面构成杠杆结构，两段的长度比就是这个机构对压电驱动器位移的放大倍数。通过改变压电驱动器自由端在滑槽中的位置，就可以改变杠杆一侧的长度，从而改变整个杠杆机构对压电驱动器自由端位移的放大倍数。当该结构的压电舵翼尺寸发生变化时，只需要改变襟翼滑槽内压电双晶片驱动器自由端与襟翼转轴之间的距离，就可以改变杠杆机构的放大倍数，从而保持襟翼的偏转量不发生变化，克服整体式压电舵翼在这方面的缺点。

实施例：

一种微小飞行器分段式压电舵翼，包括固定支架1、襟翼2、压电双晶片驱动器和驱动轴5，铜基底4夹在两片压电陶瓷片3之间构成压电双晶片驱动器，固定支架1将舵翼系统与飞行器连接，为压电双晶片驱动器和襟翼2提供固定与运作的平台，固定支架1内有空腔，压电双晶片驱动器设置在空腔内，固定支架1后端有固定支点，通过转轴6连接襟翼，形成铰链结构。压电双晶片驱动器固定端固定在空腔内，自由端固连有驱动轴5，通过驱动器轴5与襟翼上的滑槽活动配合，空腔的厚度大于压电双晶片驱动器的厚度，使得压电双晶片驱动器能在空腔内发生弯曲变形。在外电压作用下，压电双晶片驱动器发生弯曲变形的同时，会在其自由端附带产生沿长度方向的伸缩以及驱动器横截面的转动效果，襟翼2上的滑槽可以使压电双晶片驱动器自由端沿长度方向自由伸缩，而驱动轴5可以在滑槽内自由转动，这可以消除压电双晶片驱动器自由端发生变形位移时所附带的转动。

压电舵翼使用前需要对其输入电压和输出转角之间的关系进行标定，得到电压与转角对应数学关系中的待定参数。标定时，对压电舵翼中的压电陶瓷片3施加电压V，同时测量襟翼2的输出转角，压电双晶片驱动器工作电压的范围由材料制造商提供的压电材料能承受的最大反向电压和压电双晶片驱动器的结构尺寸共同决定。

由于压电双晶片驱动器需要在电压的作用下实现驱动功能，而固定支架1、襟翼2和驱动轴5与压电双晶片驱动器相连，因此固定支架1、襟翼2和驱动轴5必须使用绝缘材料制作。

Claims (3)

1.一种微小飞行器分段式压电舵翼，其特征在于：包括固定支架(1)、襟翼(2)、压电双晶片驱动器和驱动轴(5)，固定支架(1)内有空腔，压电双晶片驱动器设置在空腔内，其固定端固定在空腔内，自由端固连有驱动轴(5)，空腔的厚度大于压电双晶片驱动器的厚度，襟翼(2)与固定支架(1)转动连接，襟翼(2)靠近固定支架(1)的一端设置有滑槽，驱动轴(5)置于滑槽内，滑槽的开口宽度与驱动轴(5)的直径相同，其中，固定支架(1)、襟翼(2)和驱动轴(5)均采用绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的微小飞行器分段式压电舵翼，其特征在于：所述的压电双晶片驱动器包括压电陶瓷片(3)和铜基底(4)，其中，铜基底(4)夹在两片压电陶瓷片(3)之间。

3.根据权利要求1所述的微小飞行器分段式压电舵翼，其特征在于：所述的固定支架(1)与襟翼(2)通过转轴(6)铰接。