CN106081103A - 一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，包括：机身骨架、电池、振动悬臂梁、磁铁对、位移放大机构、直流‑交流转换/信号收发电路、柔性连接、翅膀。其中：机身骨架用于支撑机体并为其他部件提供固定点；振动悬臂梁为平板式设计，在电流和磁场的作用下产生振动，用于驱动位移放大机构；放大机构采用杠杆原理设计，将振动悬臂梁自由端的振动转化为翅膀的大幅值拍动；翅膀通过柔性连接与位移放大机构输出端连接，柔性连接使翅膀在拍动中产生扭转以符合高升力机理。本发明中的微型扑翼飞行器能在几伏的交流电压下实现翅膀的高频大幅值拍动，翅膀拍动动作符合自然界昆虫振翅的高升力轨迹。

Description

一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域与微型飞行器技术领域相结合的装置，具体是一种基于载交流导体在磁场中受洛伦兹力激振产生强迫振动，进而驱动仿生翅膀扑动的微型扑翼飞行器。

背景技术

当微型飞行器的特征尺寸从米级过渡厘米级时，基于仿生学原理，采用扑翼飞行方式的微型扑翼飞行器优势逐渐凸显。在厘米级尺寸下，扑翼飞行气动效率高，机动性好，更容易实现快速起飞、加速、悬停等机动动作，适合在丛林、街道、室内等狭小空间内执行任务，采用此种飞行方式的微型飞行器在军事及民用方面有着广泛的应用前景。在微型扑翼飞行器的设计研制中，驱动系统的选择决定了飞行器的关键性能，因此，对扑翼飞行器驱动系统的探索、研究和发展一直是学术界、工业界关注的热点问题。

扑翼飞行器的驱动系统一般由驱动器、传动机构、翅膀三部分组成。体积偏大的飞行器，尚可以采用技术成熟、输出旋转运动的电机作为驱动器，再通过传动机构将旋转运动转换为带一定轨迹的往复振动。然而随着体积的减小，电机的性能以及传动机构的效率因尺度效应而急剧下降。目前，昆虫尺寸量级的扑翼飞行器(翼展小于5cm)多采用基于新型驱动原理的直线型微驱动器，如压电陶瓷驱动器、电磁驱动和静电驱动等。

目前，微驱动原理主要包括热驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、静电驱动、人造肌肉驱动、压电陶瓷驱动等。其中，热驱动和SMA驱动的驱动速度很慢，远达不到昆虫几十甚至几百赫兹的振翅频率，且能量转换效率极低，不适用于驱动体积较小的扑翼飞行器。目前，在昆虫尺寸微型扑翼飞行器领域，具有研究基础的主要有静电驱动和压电驱动两种驱动方式。静电驱动的驱动位移/力很小，人造肌肉驱动的配套系统重量很大，导致二者产生的升力都远不能克服自身结构的重量，只适合对推重比要求不大的爬行机械，采用此驱动原理的微型扑翼结构目前只能实现翅膀和振动部件的上升验证。压电陶瓷驱动的总体性能较为均衡，是现阶段最热门的扑翼驱动原理，目前Harvard大学的Wood等人发表在SCIENCE杂志上的“Controlled Flight of a Biologically Inspired,Insect-Scale Robot”报道了一种基于压电驱动的昆虫尺寸大小的微型扑翼飞行器，并首次实现了可控飞行。不过该飞行器的不足在于，高压交流电源和控制电路由于结构复杂且重量大，均未集成在机身上，而是通过细铜线将能量和控制信号传导到飞行器上，实现如风筝般的吊线飞行。

基于目前的技术条件，要使基于压电陶瓷或静电驱动原理的扑翼飞行器实现携带电源和控制电路的长时间自由飞行，难度非常大，其主要原因在于驱动电压太高和驱动器输出性能不全面。

驱动电压高。微型扑翼飞行器的基本能量转换形式是将电能转化为，若采用电池作为储能介质，电池输出的电压有限，而压电陶瓷的工作电压为数百伏，静电驱动的工作电压为数千伏，因而需要增设复杂的升压电路，将电池输出的低电压升高至压电陶瓷或静电驱动器的工作电压。增设升压电路，一方面增加了结构重量，另一方面存在能量损失，不利于微型扑翼飞行器的自主长时间飞行。

驱动器性能不全面。采用静电驱动方式，驱动器虽然输出位移大，但输出力较小，若想实现厘米级翅膀的高频大幅值拍动，必须对翅膀的面积进行限制，在扑翼飞行中，振翅频率、幅值和翅膀面积与气动升力成正比例关系，因而，静电驱动难以兼顾振翅频率、幅值和翅膀面积，所产生的气动力较低。对于压电驱动方式，由于压电驱动器输出位移较小，因而对位移放大机构的制备提出了很高的要求(需要很高的放大比)。

发明内容

本发明就是围绕微型扑翼飞行器在未来国防和国民经济领域的巨大应用前景，针对现有微型扑翼飞行器存在驱动电压过高，结构复杂或驱动力不足等问题，基于载交流导体在磁场中受洛伦兹力激发的强迫振动，提出一种翼展不超过3.5厘米的昆虫尺寸量级的微型扑翼飞行器。本发明采用电磁场中载交流导体受到的洛伦兹力为驱动力，驱动电压较低，在数伏电压下即可工作，同时驱动器输出的力大，可驱动厘米级仿生翅翼的高频拍动，驱动器的输出位移大，无需复杂的位移放大机构。

本发明采用的技术方案为：一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，包括：机身骨架、电池、振动悬臂梁、磁铁对、位移放大机构、直流-交流转换/信号收发电路、柔性连接、翅膀。其中：机身骨架用于支撑机体并为其他部件提供固定点；电池为整个飞行器提供电能；振动悬臂梁为平板式设计，穿过磁铁对并在电流和磁场的作用下产生振动，用于驱动位移放大机构；磁铁对包含两块相对放置的平板永磁铁，提供永磁场；放大机构采用杠杆原理设计，柔性连接作为支点和铰链，将振动悬臂梁自由端的振动转化为翅膀的大幅值拍动；机身骨架上集成直流-交流、控制电路，用于将电池输出的直流电转换为交流电，同时接受处理控制信号；翅膀通过柔性连接与位移放大机构输出端连接，柔性连接使翅膀在拍动中产生扭转以符合高升力机理。

更进一步的，相对放置永磁铁对中间形成稳定的磁场，振动悬臂梁沿梁方向通以交流电，振动悬臂梁穿过磁铁对并受到洛伦兹力，从而激发振动。

更进一步的，微型扑翼飞行器的驱动部件为振动悬臂梁，悬臂梁自由端穿过永磁铁对并与位移放大机构连接，位移放大机构输出端用于连接两侧翅膀。

更进一步的，振动悬臂梁为双层结构，一层为单向碳纤维板材作为支撑材料，一层为锡箔纸用于导电，两者通过高温粘接。

更进一步的，所述的机身骨架的制备材料为单向碳纤维，成型加工方式为激光切割；所述的翅膀由支撑骨架和薄膜制成，其中支撑骨架的材料为单向碳纤维，薄膜材料可以选用Mylar薄膜或PET薄膜；所述位移放大机构包括支撑骨架和柔性连接，其中支撑骨架材料为单向碳纤维，柔性连接材料为聚酰亚胺高温薄膜；所述的永磁体为平板式，材料为钕铁硼强磁；直流-交流、控制电路和电池通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。

更进一步的，由于驱动原理和结构十分简单，本发明的翼展通常小于3.5cm。

经过理论计算和试验研究，当所述的振动悬臂梁长度为10-20mm，宽度为1mm-2mm，厚度为0.1-0.2mm，振动悬臂梁能在数伏电压下激发稳定大幅值的振动，振动悬臂梁自由端的振幅通过位移放大机构，带动翅膀进行大幅值拍动；在翅膀与位移连接处设置柔性连接结构，使翅膀在拍动过程中满足高升力的气动机理。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)驱动电压低。本发明利用载交流导体在磁场中受洛伦兹力激发的强迫振动驱动位移放大机构和翅膀，只需在数伏的电压下即可工作，无需增设升压电路，简化了结构，减少了结构自重，提高了能量利用效率。

(2)驱动器性能均衡。本发明以振动悬臂梁为驱动器，振动悬臂梁的制备材料为碳纤维板，拥有较好的刚度，振动中输出力较大，能够驱动厘米级翅膀高频大幅值拍动；同时振动悬臂梁的自由端输出位移较大，无需放大倍数过高的放大机构，便于制造和微型化。

附图说明

图1为本发明的微型扑翼飞行器整体结构正面示意图；

图2为本发明的微型扑翼飞行器整体结构背面示意图；

图3为本发明的振动悬臂梁与磁铁对示意图；

图4为本发明的位移放大机构示意图；

图5为本发明的仿生昆虫翅膀与柔性连接示意图。

图中附图标记的含义为：1为机身骨架，2为电池，3为振动悬臂梁，4为磁铁对，5为位移放大机构，6为直流-交流转换/信号收发电路，7为柔性连接，8为翅膀。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器的一个实施例子，包括：机身骨架1、电池2、振动悬臂梁3、磁铁对4、位移放大机构5、直流-交流转换/信号收发电路6、柔性连接7、翅膀8。其中：机身骨架1用于支撑机体并为其他部件提供固定点；电池2为整个飞行器提供电能；振动悬臂梁3为平板式设计，穿过磁铁对4并在电流和磁场的作用下产生振动，用于驱动位移放大机构5；磁铁对4包含两块相对放置的平板永磁铁，提供永磁场；放大机构5采用杠杆原理设计，柔性链接7作为支点和铰链，将振动悬臂梁的微小振动转化为翅膀的大幅值拍动；机身骨架1上集成直流-交流、控制电路，用于将电池输出的直流电转换为交流电，同时接受处理控制信号；翅膀8通过柔性连接7与位移放大机构5输出端连接，柔性连接使翅膀在拍动中产生扭转以符合高升力机理。

本发明的微型扑翼飞行器的驱动原理是基于载交流振动悬臂梁3在磁铁对4中受到周期性洛伦兹力而激发的强迫振动。如图1所示，磁铁对包含两块相对放置的永磁铁，在永磁铁之间会形成稳定的磁场，载流导体通过磁场空间时，导体会受到洛伦兹力的作用，由于振动悬臂梁沿梁方向载有周期性变化的交流电，因而振动悬臂梁在磁铁对中的部分会受到周期性洛伦兹力的激振，当交流电频率等于振动悬臂梁的一阶固有频率的时候，振动悬臂梁处于共振状态，振动悬臂梁自由端可以输出周期性位移。如图1、2所示，振动悬臂梁的自由端与位移放大机构连接，位移放大结构采用杠杆原理，其中柔性连接可作为支点和铰链，将振动悬臂梁自由端的振幅转化为翅膀的高频大幅值拍动。为了实现有效升力的产生，翅膀振动需满足一定的轨迹，因而在位移放大机构和翅膀之间增设柔性连接结构，使翅膀在拍动过程中产生扭转，从而产生高升力。

如图3所示，振动悬臂梁3固定在机身骨架末端固定在机身骨架1上，磁铁对固定在两侧机身骨架1上，振动悬臂梁3自由端穿过磁铁对4，振动悬臂梁自由端可以输出振动幅值。其中，振动悬臂梁长度为10-20mm(本实例选取15mm)，宽度为1mm-2mm(本实例选取1.5mm)，厚度为0.1-0.2mm(本实例选取0.111mm)；磁铁对采用两块相对放置永磁铁，两者分别固定在磁铁对的两侧，磁铁对再固定于机身骨架，本实例中，永磁铁的长度为5mm，宽度为3mm，厚度为0.7mm；机身骨架1采用碳纤维材料制成，本实例中碳纤维的厚度选用0.1mm。

如图4所示，本发明位移放大机构5采用杠杆原理设计，振动悬臂梁3自由端与放大机构底板固定连接，振动悬臂梁在振动过程带动位移放大机构底板运动，位移放大机构与两侧机身骨架连接，此时位移放大机构中的柔性连接部分作为一个支点和铰链，带动翅膀绕支点拍动。本实例中，位移放大机构采用碳纤维材料与聚酰亚胺薄膜制成，碳纤维厚度为60μm，柔性连接采用聚酰亚胺薄膜支撑，厚度为12μm。

如图5所示，翅膀通过柔性连接与位移放大机构连接，本实例中翅膀长度为12mm，最大宽度为6.5mm，翅膀采用碳纤维与Mylar薄膜制成，碳纤维厚度为60μm，Mylar薄膜厚度为2.5μm，柔性连接采用聚酰亚胺薄膜支撑，厚度为12μm。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：包括机身骨架、电池、振动悬臂梁、磁铁对、位移放大机构、直流-交流转换/信号收发电路、柔性连接和翅膀，其中：

机身骨架用于支撑机体并为其他部件提供固定点；

电池为整个飞行器提供电能；

振动悬臂梁为平板式设计，穿过磁铁对并在电流和磁场的作用下产生振动，用于驱动位移放大机构；

磁铁对包含两块相对放置的平板永磁铁，提供永磁场；

放大机构采用杠杆原理设计，将振动悬臂梁的微小振动转化为翅膀的大幅值拍动，位移放大机构中的柔性链接作为转动的支点和链接；

机身骨架上集成直流-交流、控制电路，用于将电池输出的直流电转换为交流电，同时接受处理控制信号；

翅膀通过柔性连接与位移放大机构输出端连接，柔性连接使翅膀在拍动中产生扭转以符合高升力机理。

2.根据权利要求1所述的基于基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：相对放置永磁铁对中间形成稳定的磁场，振动悬臂梁沿梁方向通以交流电，振动悬臂梁穿过磁铁对并受到洛伦兹力，从而激发振动。

3.根据权利要求1所述的基于基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：微型扑翼飞行器的驱动部件为振动悬臂梁，悬臂梁自由端穿过永磁铁对并与位移放大机构连接，位移放大机构输出端用于连接两侧翅膀。

4.根据权利要求1所述的基于基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：振动悬臂梁为双层结构，一层为单向碳纤维板材作为支撑材料，一层为锡箔纸用于导电，两者通过高温粘接。

5.根据权利要求1所述的基于基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：所述的机身骨架的制备材料为单向碳纤维，成型加工方式为激光切割；所述的翅膀由支撑骨架和薄膜制成，其中支撑骨架的材料为单向碳纤维，薄膜材料可以选用Mylar薄膜或PET薄膜；所述位移放大机构包括支撑骨架和柔性连接，其中支撑骨架材料为单向碳纤维，柔性连接材料为聚酰亚胺高温薄膜；所述的永磁体为平板式，材料为钕铁硼强磁；直流-交流、控制电路和电池通过集成电路技术微型化，并集成在机身上。

6.根据权利要求1所述的基于基于洛伦兹力驱动的微型扑翼飞行器，其特征在于：由于驱动原理和结构十分简单，翼展通常小于3.5cm。