CN108298059A

CN108298059A - 一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器

Info

Publication number: CN108298059A
Application number: CN201711455146.5A
Authority: CN
Inventors: 张志胜; 张慧
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-07-20

Abstract

本发明公开了一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，包括通过导管接通的无弹性大腔体和DE球，无弹性大腔体和DE球内均充有氦气，所述导管部位固定着阀门接头和无线控制模块，所述DE球选用VHB高分子聚合物膜制得，所述DE球的内表面和外表面均全部或部分涂有导电碳脂，所述DE球连接有电压放大器模块，电压放大器模块的正极和负极分别连接不同的导电碳脂，并通过导电碳脂驱动VHB高分子聚合物膜。本发明具有低噪音、快速反应、高载荷、节能和低成本的特点。

Description

一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器

技术领域

本发明涉及一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，属于结构设计技术领域。

背景技术

目前，介电高弹体技术仍然有一些关键问题需要解决，比如材料的发展，通过好的设计可以进一步提高材料的性能，好的结构可以达到理想的材料变形。目前国内外已研制出多款飞行器样机，大部分已完成试飞实验。但无人载物飞行机器人研制过程中仍有一些关键问题尚待解决，使得该类飞行器距大范围实用仍有一段距离。这些问题包括无人载物飞行器机理及非定常气动力问题，动力、遥控、导航、数据传输和系统集成等，解决这些问题和难点，将使无人飞行载物机器人的发展迈上一个新台阶。气球致动器实际上是介电弹性体的扩张，且受到材料参数失效的严格限制，因此，从软致动器应用的角度来看，介电弹性体最大允许的变形范围是重要的参数；另外，已有研究中较少考虑非理想状态下的各种参数对飞行性能影响，尤其是体积压力变化对软机器人飞行性能的影响。

发明内容

为解决现有低空硬质材料飞行器的局限性，例如进行低空摄影和观察灾害、天气等信息时，现有飞行器噪音大，且续航能力短，飞行器体积很大，飞行时间短，负载小等问题，本发明提供一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器；本发明具有低噪音、快速反应、高载荷、节能和低成本低的特点；本发明不同于传统的基于电动马达的飞行机器人，这种飞行器将由介电高弹体驱动，应用于把互联网接入到现有设备信号不好的偏远地区，尤其是当这些地区遭受自然灾害时，此新型设备能够提高与外部世界的通信效率与准确性；还可用于无人远程监视工程，飞船旅行，实地研究，森林监测等等可控飞行，其具体技术方案如下：

一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，包括无弹性大腔体和DE球，所述无弹性大腔体和DE球通过导管接通，所述无弹性大腔体和DE球内均充有氦气，所述导管设置有阀门接头和无线控制模块，

所述DE球选用VHB高分子聚合物膜制得，所述DE球的内表面和外表面均全部或部分涂有导电碳脂；DE球形成电容结构，DE球一面电极通正电荷，另外一面通负电荷，防止发生短路现象，

所述DE球连接有电压放大器模块，电压放大器模块的正极和负极分别连接不同的导电碳脂，通过导电碳脂驱动VHB高分子聚合物膜。

所述DE球由两层VHB高分子聚合物膜制得，每层VHB高分子聚合物膜的两面均全部或部分涂有导电碳脂。

所述无线控制模块包括无线通信模块、主控制器、驱动控制器、传感器模块和电压放大器模块，所述电源选用锂电池；

所述锂电池模块给无线通信模块、主控制器、驱动控制器、传感器模块和电压放大器模块提供工作电压；

所述无线通信模块与地面控制站的无线通信模块进行通信连接；

所述传感器模块感应位置，该位置为三维位置，包括高度和地理位置，并将该位置信号传递给主控制器，所述主控制器处理该信号后通过无线通讯模块传递给地面控制站，同时将地面控制站发送过来的信号处理后，控制驱动控制器执行相应的动作。

所述无线控制模块的芯片中写入电压等信号程序，输出对应的控制信号。

所述无弹性大腔体有一个或一个以上，所述DE球有一个或一个以上，漂浮状态时，无弹性大腔体位于DE球上方。

本发明的有益效果是：

1. 本发明采用的软球体驱动器初始半径越大，工作中的可控质量越大，系统的稳定性以及抗干扰性能也越佳，电压引起的加速度值越大。

2 . 本发明的结构改为DE驱动器与大腔体不连通时，大球仅提供浮力，在高电压作用下，底部驱动器DE球体里层换为天然乳胶气球，当乳胶气球破裂后，利用外层VHB与乳胶气球的不同材料压差产生浮力，然后整体系统上升。当DE球连接到大的腔体(无弹性)，充入氦气，上部大腔体提供初始平衡浮力和初始大的体积，在高电压作用下，DE球体内部的单层或者双层VHB气球体积扩张，然后整体系统上升，当电压关闭时，系统下降。系统底部若采用多个驱动器，更加会利于飞行控制效果的提升。

3. 本发明采用的无线控制飞行结构，用本无线电路来发送和接收控制信号。当DE驱动器一半球面涂有电极，在一定频率的交流下，驱动器的一侧不断震动，带动整个系统转动。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，

图2是本发明图1中的F-F截面视图，

图3是本发明的控制结构框图，

图4是本发明的供电与信号传输线路图，

图中标记名称：1—无弹性大腔体，2—氦气，3—无线控制模块，4—导管，5—阀门接头，6—导电碳脂，7—VHB高分子聚合物膜，8—电压放大器模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明的结构框图，图3是本发明的供电与信号传输线路，图中标记部件名称：1—无弹性大腔体，2—氦气，3—无线控制模块，4—导管，5—阀门接头，6—导电碳脂，7—VHB高分子聚合物膜，8—电压放大器模块。

结合附图可见，本基于介电高弹体球膜驱动飞行器，包括无弹性大腔体和DE球，所述无弹性大腔体和DE球通过导管接通，所述无弹性大腔体和DE球内均充有氦气，所述导管设置有阀门接头和无线控制模块。无弹性大腔体主要的作用一是提供整体结构的浮力，二是提供足够大的初始参考体积，以利于在飞行过程中的控制。

所述DE球选用VHB高分子聚合物膜制得，所述DE球的内表面和外表面均全部或部分涂有导电碳脂；DE球形成电容结构，DE球一面电极通正电荷，另外一面通负电荷，防止发生短路现象。

所述DE球连接有电压放大器模块，电压放大器模块的正极和负极分别连接不同的导电碳脂，通过导电碳脂驱动VHB高分子聚合物膜。整体结构可以实现可控的飞行运动；所述无线控制模块的芯片中写入电压等信号程序，输出对应的控制信号。无线控制模块部分由锂电池提供动力，采用微小型电压放大器，以及无线通信电子元器件与地面操作台通信。

所述DE球由两层VHB高分子聚合物膜制得，每层VHB高分子聚合物膜的两面均全部或部分涂有导电碳脂。导电碳脂随着弹性膜的扩张和收缩而变形，且具有良好的导电性；导电碳脂可以均匀涂满VHB高分子聚合物膜，也可以只涂有一部分，已达到该结构不同的运动效果；导电碳脂和VHB高分子聚合物膜一起组成介电高弹体（DE）球形驱动器；该球体驱动器由两层介电弹性体薄膜组成，如果系统需要减轻重量，也可以使用单层膜，但是双层比单层驱动效果显著；VHB高分子聚合物膜在电压放大器模块的作用下厚度变薄，然后该结构体积变大，产生浮力。

DE球能够实现可控的上升、下降、旋转和平移飞行；结合惯性功耗对飞行器在直流以及交流电压作用下的运动方向进行了分析，表明了转变设计结构，飞行器能够实现无线控制条件下的转动和平移等运动。

给DE驱动器连通大的无弹力腔体，使得DE驱动器作为飞行机器人可控飞行，也可以搭载无线控制系统和载荷飞行；另外，飞行机器人可控的浮力随着飞行高度的增加而减小，随着温度的升高而降低，也会随着大气中湿度的增加而降低。

连接小腔体的VHB球体薄膜（即DE球的球膜），电压对于系统内的压力和体积变化影响不大；连接几百倍的VHB球体薄膜，当对VHB高分子聚合物膜所施加的电压低于临界值时，压力和体积略有变化，但是，当电压超过临界值时，VHB高分子聚合物膜的体积突变现象被激发，即系统内的压力下降，DE球体体积迅速增大，此时即使断开电压，DE球体积不变，不会恢复到初始状态。连接几千倍腔体的DE球球体薄膜，VHB高分子聚合物膜在施加电压时容易因发生机电不稳定性而电击穿或者被涨破。

对于不同结构和原理的软体驱动器系统进行了飞行实验，结果显示DE球球体内的半径变化值与压力变化值近似成正比例关系。软球体驱动器的初始半径越大，工作中的可控质量越大，系统的稳定性以及抗干扰性能也越佳，电压引起的加速度值越大。

当结构为DE驱动器与大腔体不连通时，大球仅提供浮力，在高电压作用下，底部驱动器DE球体里层改用乳胶气球，乳胶气球破裂后，外层VHB球膜完好无损，然后整体系统上升。由于空气阻力，系统内部压力变化，最后会停留在某一个高度。当DE球连接到大的腔体(无弹性)，充入氦气，上部大腔体提供初始平衡浮力和初始大的体积，在高电压作用下，DE球体内部的单层或者双层VHB气球体积扩张，然后整体系统上升，当电压关闭时，系统下降。另外，系统也可以在底部采用多个驱动器，以利于飞行控制效果的提升。本结构所采用的无线控制模块，可以用无线电路来发送和接收控制信号。

实施例3：

参阅1、图2和图3，所述无弹性大腔体通过导管，与VHB高分子聚合物膜相连；整体结构又通过阀门接头充入氦气，无线控制模块经过导电碳脂驱动VHB高分子聚合物膜，无线通信模块通的是稳定的低电压；电压放大器模块与无线控制模块相连，锂电池提供的低电压经过小体积电压放大器给VHB高分子聚合物膜提供动力；由于整个系统结构采用无线通信的方式，所以无线控制模块为机载平台部分，与地面控制站互相传输信号。

参阅图1、图2、图3和图4，介电高弹体（DE球）膜由两层VHB高分子聚合物膜组成，通过电压放大器模块所施加的直流电压，DE球体积扩张，整体系统能够实现控制飞行，改为输出不同频率的交流电压给导电碳脂，整体结构可以实现旋转与平移运动。

发明可实现DE球体驱动飞行器在不同方向上的可控运动；随着结构中无弹性大腔体的增加，系统初始体积越大，飞行的高度更高，可承载重物越多。

本实施例中零部件分为自制和标准件，成本低，替换方便。本发明可实现球体驱动器的实际应用，重复性好，续航力强，成本低；本发明虽然采用高压电控制，但是电流非常低，操作安全。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。例如，无弹性大腔体1可以替换成更轻质的材料；VHB高分子聚合物膜7可以采用不同的厚度和尺寸；无线控制模块3中的芯片等元器件也可以被同等作用的元件替换。如上述实施例所示，阀门接头5可以在软驱动飞行器工作过程中拿掉，只需留有轻质多向接头以优化结构。

Claims

1.一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，其特征在于包括无弹性大腔体和DE球，所述无弹性大腔体和DE球通过导管接通，所述无弹性大腔体和DE球内均充有氦气，所述导管部位固定着阀门接头和无线控制模块，

2.根据权利要求1所述的一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，其特征在于所述DE球由两层VHB高分子聚合物膜制得，每层VHB高分子聚合物膜的两面均全部或部分涂有导电碳脂。

3.根据权利要求1所述的一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，其特征在于所述无线控制模块内设置有电源，所述电压放大器模块通过导电线连接无线控制模块的电源。

4.根据权利要求3所述的一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，其特征在于所述无线控制模块包括无线通信模块、主控制器、驱动控制器、传感器模块和电压放大器模块，所述电源选用锂电池；

所述传感器模块感应位置，并将该位置信号传递给主控制器，所述主控制器处理该信号后通过无线通讯模块传递给地面控制站，同时将地面控制站发送过来的信号处理后，控制驱动控制器执行相应的动作。

5.根据权利要求1所述的一种基于介电高弹体球膜驱动飞行器，其特征在于所述无弹性大腔体有一个或一个以上，所述DE球有一个或一个以上，漂浮状态时，无弹性大腔体位于DE球上方。