[发明专利]一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器

说明书

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，具体是一种基于静电场中结构的自激振动原理、采用直流电压驱动的微型扑翼飞行器。

背景技术

采用扑翼飞行方式的微型飞行器，比固定翼和旋翼的气动效率高，机动性好，更容易实现快速起飞、加速、悬停等功能，适合在丛林、街道、室内等狭小空间内执行任务。扑翼飞行器的机动性、续航时间等重要飞行指标和其采用何种驱动系统密切相关，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。随着微纳米加工技术的进步，飞行器的体积逐步缩小，其扑翼运动的方式更接近昆虫，驱动器选择也在发生变化。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（比如申请号为200810008165.8的中国发明专利）。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、电磁驱动等（比如申请号为201010289254.1和申请号为201310167268.X的中国发明专利）。

昆虫尺寸量级的扑翼飞行器，主要用于在室内、洞穴等狭窄空间执行任务，需要完成各种机动动作，且可携带能源有限，这就要求微驱动器应该具有较大的输出功率以及能量转换效率。目前，直线型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，不适合用作扑翼飞行器；静电驱动的驱动位移和驱动力都很小，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，只适用于对推重比要求不高的爬行机械；压电陶瓷驱动的总体性能较为均衡，是现阶段最热门的微扑翼驱动原理。2013年，哈弗大学的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量级的微型扑翼飞行器，并首次实现了可控飞行。该飞行器的不足在于，其高压交流电源和控制电路由于结构复杂且重量大，无法集成在机身上而只能外置，从而导致扑翼飞行所需的能量和控制信号只能通过细铜线传导至飞行器上，即仅能实现风筝般的吊线飞行。

根据目前的技术条件，要使上述基于压电驱动原理的扑翼飞行器实现携带电源及控制电路的长航时自由飞行，难度非常大，主要有以下两点原因：（1）压电陶瓷的能量转换效率低。扑翼飞行器所涉及的能量转化过程主要有三个阶段，包括：存储的电能驱动器的机械能；驱动器的机械能翅膀的机械能；翅膀的机械能飞行器的机械能。各阶段的能量转化效率依次取决于：驱动器的能量转换效率；传动机构的传动效率；扑翼运动的气动效率。而由于工作原理限制，压电陶瓷驱动器的电-机械能量转换效率仅有10%—30%，导致飞行器整体的能量转换效率很低。（2）结构复杂。压电陶瓷在上百伏的交流电压的激励下，也仅能输出幅值很小的直线运动（通常仅有几百微米）。而要产生高升力，需要进行大幅度的复杂扑翼运动，具体表现为翅膀在变换扑动方向时的弦向扭转，以及翼尖的8字形或椭圆形运动轨迹。因此，必须额外地配备交流发生与放大器、位移传感器、反馈电路以及位移放大结构（通常是四连杆机构），以使整个扑翼结构始终处于大幅值的“受迫共振”状态，并实现翅膀复杂的运动轨迹。然而，上述复杂的配套系统，除了重量很大以外，还要消耗更多的能量，导致整个驱动系统的推重比和能量转换效率进一步降低。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于静电自激驱动原理的微型扑翼飞行器，其采用静电力作为驱动力，因此电-机械能量转换效率很高；且结构简单，易于进一步微型化。