CN108163194A - 微小型压电仿生扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小型压电仿生扑翼飞行器，包括机身，两个仿生扑翼，两个具有振幅放大机构的压电驱动器和辅助结构；所述两个压电驱动器对称固定于所述机身腔体的内部两侧；所述振幅放大机构一端与所述压电驱动器连接，一端与所述仿生扑翼连接；所述辅助机构用于支撑所述机身。本发明可以实现可控的拍打扭转复合动作，具有主动扭转功能，从而大幅提升飞行器所需的气动升力和飞行姿态的可控性；具有轻质、低能耗、结构简单、能量转化效率高等突出优点。

Description

微小型压电仿生扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及微型飞行器技术领域，尤其涉及一种微小型压电仿生扑翼飞行器。

背景技术

微型飞行器在现代军事和民用方面拥有广阔的应用前景，因而得到了世界各国的关注。根据其翼型运动方式的不同，微型飞行器可分为固定翼、旋翼、扑翼三种。其中，扑翼飞行器在稳定性、机动性与能耗等方面均表现出特有的优越性。目前，仿生扑翼飞行器大多数采用电磁电机驱动刚性四杆机构或齿轮箱等传动装置，将电机的旋转运动转化为飞行器翅膀的往复拍打运动。然而，传统的机械加工方法，难以实现微型化，且传统的机械传动方式能量转化效率低。

随着空气动力学和MEMS制造技术的飞速发展，仿生扑翼飞行器向微型化方向发展是必然的趋势。但是，目前微型仿生扑翼飞行器在驱动装置微型化后导致升力和推动力方面不足的问题尚未得到实质性的解决。

检索现有的仿生扑翼飞行器专利发现，申请号为201010289254.1的中国专利提供了一种压电仿昆虫微扑翼飞行器的工作机理，通过使用单层压电晶片制作压电翅膀，经由电压电位及频率的控制，使单层压电晶片产生变形，从而实现压电翅膀的拍打运动。虽然这种设计可以实现飞行器微型化，但是单层压电晶片的变形量很小，在没有变形放大装置的前提下，翅膀的拍打幅度较小，且不能产生有效的扭转运动。

申请号为201610574891.0的中国专利描述了一种昆虫尺度压电驱动扑翼微飞行器的设计方法，使用压电双晶片驱动器作为驱动装置，产生往复振动，通过传动机构放大振动，实现翅膀的往复拍打运动。这种设计可以实现飞行器微型化，但是整体制作工艺较复杂，且翅膀的扭转运动是通过翅膀根部的被动扭转铰链在气动力和惯性力的作用下实现的，能量转化效率较低。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种微小型压电仿生扑翼飞行器。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种微小型压电仿生扑翼飞行器，包括机身，两个仿生扑翼，两个具有振幅放大机构的压电驱动器和辅助结构；其中，所述两个压电驱动器对称固定于所述机身腔体的内部两侧；所述振幅放大机构一端与所述压电驱动器连接，一端与所述仿生扑翼连接；所述辅助机构用于支撑所述机身。

进一步地，所述压电驱动器包括基板层和激励层。

进一步地，所述基板层外环设有四个通孔，用于与所述机身腔体装配；中心位置设有圆孔，用于安装所述振幅放大机构。

进一步地，所述激励层为四片90°扇形压电陶瓷片，粘贴在基板层的一侧。

进一步地，所述振幅放大机构为单悬臂梁结构。

进一步地，所述辅助机构包括机身前支撑，机身中支撑，机身后支撑。

进一步地，所述仿生扑翼包括翅前缘、翅脉和翅膜，翅膜粘贴在翅前缘和翅脉上；其中，所述翅前缘和翅脉采用碳纤维材料，所述翅膜采用聚酯薄膜。

进一步地，处于对角位置的第一片压电陶瓷片与第三片压电陶瓷片构成A相，两片陶瓷片的极化方向相反；处于对角位置的第二片压电陶瓷片与第四片压电陶瓷片构成B相，两片陶瓷片的极化方向相反。

进一步地，当A、B两相同时施加频率相同、时间相位差为90°的交流信号时，两种面外弯曲振动相互耦合，在压电驱动器表面形成行波运动；压电驱动器的行波运动经由振幅放大机构根部向外传导并二级放大，转化为两个仿生扑翼的拍打与扭转复合运动。

有益效果：本发明的优点：(1)轻质、低能耗、结构简单、能量转化效率高；(2)可以实现可控的拍打扭转复合动作，具有主动扭转功能，从而大幅提升飞行器所需的气动升力和飞行姿态的可控性。

附图说明

图1是本发明微小型压电仿生扑翼飞行器侧视图；

图2是本发明微小型压电仿生扑翼飞行器俯视图；

图3是本发明压电驱动器侧视图；

图4是本发明压电陶瓷片极化与组合方式图；

图5是本发明振幅放大机构在x-z面摆动状态图；

图6是本发明振幅放大机构在y-z面摆动状态图；

图7是本发明仿生扑翼主视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1、图2所示的微小型压电仿生扑翼飞行器，包括机身1，两个包含振幅放大机构的压电驱动器2、3，两个仿生扑翼4、5，机身头部10，辅助机构11、12、13、14、15、16。

机身1采用3D打印技术打印成型，机身腔体9为内部设有下沉台阶的腔体圆，且下沉台阶上每隔90°开设一个通孔，用于压电驱动器a和压电驱动器b的固定装配。机身头部10采用3D打印技术打印成型，通过粘结与机身1连为一体，平衡机身1。辅助机构包括机身前支撑15、16，机身中支撑13、14，机身后支撑11、12，粘结在机身1前、中、后位置处，用于支撑机身1，为整个飞行器提供平衡支撑。

压电驱动器a、b采用压电陶瓷片驱动，压电陶瓷采用圆环型结构，以四片90°扇形压电陶瓷片8作为激励层，碳纤维薄板作为基板层7，激励层8粘贴在基板层7的一侧。

振幅放大机构6采用单悬臂梁结构，可选用圆柱形碳纤维杆，用于连接仿生扑翼4、5与压电驱动器a、b。该机构一端安装在压电驱动器a、b基板层7中心圆孔处，一端用于粘贴仿生扑翼4、5。

压电驱动器的基板层7采用碳纤维板材料，通过四个连接足连为一体，利用微型雕刻机雕刻成型，并在外环每隔90°处开设一通孔，用于与机身腔体9进行装配，中心位置开设一小圆孔，用于安装振幅放大机构6。

如图3所示，为微小型压电仿生扑翼飞行器压电驱动器的侧视图，压电驱动器a、b为整个系统动力装置，四片90°扇形压电陶瓷片8以90°间距周向均布于基本层7一侧，振幅放大机构6安装于基本层7中心位置。系统工作时，用同频、时间相位差为90°的两相正弦交流信号同时施加于按图4所示特定方式极化的压电陶瓷片8上，激励出两个在空间和时间上均相差90°的面外弯曲振动模态，两种面外弯曲振动相互耦合使基板层7端面产生行波运动，经振幅放大机构6根部向外传导并放大，最终转化为仿生扑翼4、5的拍打扭转复合运动。

如图4所示，为压电驱动器的压电陶瓷片8的极化与组合方式，压电陶瓷片8采用了四片90°扇形陶瓷片，沿厚度方向极化。处于对角位置的第一片压电陶瓷片8-1与第三片压电陶瓷片8-3呈两个1/4圆排列构成A相，两片陶瓷片的极化方向相反；处于对角位置的第二片压电陶瓷片8-2与第四片压电陶瓷片8-4呈两个1/4圆排列构成B相，两片陶瓷片的极化方向相反。

如图5、图6所示，为振幅放大机构6在x-z面、y-z面摆动状态。当给A相施加正弦激励信号时，会激励出基板层7在x-z面弯曲振动模态，振幅放大机构6的弯曲振动模态频率与之相同，在两种振动模态相互耦合的作用下，振幅放大机构6在x-z面内弯曲摆动，实现放大振幅的功能；同理，当给B相施加正弦激励信号时，会激励出基板层7在y-z面的弯曲振动模态与振幅放大机构6的弯曲振动模态相耦合，振幅放大机构6在y-z面内弯曲摆动，实现放大振幅的功能；当用时间上相差π/2的两相正弦激励信号同时施加于A相、B相上时，会同时激励出基板层7在x-z面、y-z面两个正交的弯振模态，由于这两个模态在空间存在π/2的相位差，因此两个弯振模态叠加后使基板层7端面产生行波运动，经振幅放大机构6根部向外传导并放大，最终转化为所述仿生扑翼4、5拍打扭转复合运动。

如图7所示，为微小型压电仿生扑翼飞行器仿生扑翼主视图，仿生扑翼4、5均由翅前缘17，翅脉18、19，翅膜20三个部分组成，翅膜20粘贴在所述翅前缘17，翅脉18、19之上。其中，翅前缘17和翅脉18、19均采用碳纤维材料，可以提高仿生扑翼4、5的强度和刚度；翅膜20采用聚酯薄膜，降低仿生扑翼4、5的重量。

仿生扑翼4、5粘贴在振幅放大机构6上，振幅放大机构6带动仿生扑翼4、5做拍打扭转复合运动。

飞行器系统运行时，分别施加相同频率的正弦交流信号时，A、B两相均能独立激发出压电驱动器a、b的面外弯曲振动模态，两相振动模态的空间相位差为90°；位于驱动器a、b中心位置的振幅放大机构6的弯曲振动模态与驱动器a、b的面外弯曲振动模态频率相同，当驱动器a、b工作在面外弯曲振动模态时，压电陶瓷片8的微幅变形经过驱动器a、b得到放大，而处于共振模式下的振幅放大机构6将驱动器a、b的形变进一步放大，实现振幅二级放大功能。当A、B两相同时施加频率相同、时间相位差为90°的正弦交流信号时，两种面外弯曲振动相互耦合，在驱动器a、b表面形成行波运动，驱动器a、b的行波运动经由振幅放大机构6的根部向外传导并二级放大，最终转化为两个仿生扑翼4、5的拍打扭转复合运动，实现主动扭转功能。通过调节两个压电驱动器a、b的频率与激励电压，调整两个仿生扑翼4、5的拍打幅度、频率与扭转角度，实现可控的拍打扭转复合动作，获取其飞行所需的气动升力。飞行器在压电驱动器a、b共振频率下工作，克服自身重力，实现飞行。

本发明的微小型压电仿生扑翼飞行器，具有轻质、低能耗、结构简单、能量转化效率高等突出优点；飞行器仿生扑翼可以实现可控的拍打扭转复合动作，具有主动扭转功能，从而大幅提升飞行所需的气动升力和飞行姿态的可控性。

Claims (9)

1.一种微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：包括机身(1)，两个仿生扑翼(4/5)，两个具有振幅放大机构的压电驱动器(2/3)和辅助结构；其中，所述两个压电驱动器对称固定于所述机身腔体(9)的内部两侧；所述振幅放大机构(6)一端与所述压电驱动器连接，一端与所述仿生扑翼连接；所述辅助机构用于支撑所述机身。

2.根据权利要求1所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述压电驱动器包括基板层(7)和激励层(8)。

3.根据权利要求2所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述基板层(7)外环设有四个通孔，用于与所述机身腔体(9)装配；中心位置设有圆孔，用于安装所述振幅放大机构(6)。

4.根据权利要求2所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述激励层(8)为四片90°扇形压电陶瓷片，粘贴在基板层(7)的一侧。

5.根据权利要求1所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述振幅放大机构(6)为单悬臂梁结构。

6.根据权利要求1所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述辅助机构包括机身前支撑(15/16)，机身中支撑(13/14)，机身后支撑(11/12)。

7.根据权利要求1所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：所述仿生扑翼包括翅前缘(17)、翅脉(18/19)和翅膜(20)，翅膜粘贴在翅前缘和翅脉上；其中，所述翅前缘和翅脉采用碳纤维材料，所述翅膜采用聚酯薄膜。

8.根据权利要求4所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：处于对角位置的第一片压电陶瓷片(8-1)与第三片压电陶瓷片(8-3)构成A相，两片陶瓷片的极化方向相反；处于对角位置的第二片压电陶瓷片(8-2)与第四片压电陶瓷片(8-4)构成B相，两片陶瓷片的极化方向相反。

9.根据权利要求8所述的微小型压电仿生扑翼飞行器，其特征在于：当A、B两相同时施加频率相同、时间相位差为90°的交流信号时，两种面外弯曲振动相互耦合，在压电驱动器表面形成行波运动；压电驱动器的行波运动经由振幅放大机构根部向外传导并二级放大，转化为两个仿生扑翼的拍打与扭转复合运动。