扑翼飞行器驱动装置的设计

文章编号 : 1007 1385 (2007) 01 0025 03 扑翼飞行器驱动装置的设计 缪瑞平 (沈阳航空工业学院机械与汽车学院 ,辽宁 沈阳　10034) 摘 　要 :扑翼飞行器是一种新型飞行器 ,其工作原理及设计技术与传统的固定翼和旋转翼飞行器 完全不同。微型扑翼的驱动机构的设计、制作是飞行器设计中的关键环节。为此介绍了一种静 电驱动的微扑翼机构 ,由于这种结构存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合 ,因此系 统的动态特性是非常复杂的。从驱动机构的结构 ,工作原理 ,受力模型及分析几个方面对这种驱 动机构作了相关的介绍。所得研究结论可以为微型扑翼驱动机构的设计、制作和应用提供一定 的理论依据。 关键词 :航空、航天推进系统 ;微扑翼飞行器 ;微驱动机构 ;机电耦合 ;非线性动态特性 中图分类号 : V211 文献标识码 : A 　　采用传统设计理念设计的微型飞行器由于其 自身重量和体积的减小 ,环境因素对其飞行过程 的影响将增大。要想使飞行器能像昆虫和鸟类那 样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞 ,则必须采用 新的设计理念。微扑翼飞行器 (M icro A ir Vehicle with Flapp ing - wing)就是一种新型飞行器。与固 定翼和旋翼飞行器相比 ,扑翼飞行器的主要特点 是将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统 ,可 以用很小的能量进行长距离飞行 ,同时 ,具有更好 的机动性。因此 ,更适于在长时间无能源补充及 远距离条件下执行任务。根据仿生学和空气动力 学研究结果可以预见 ,在翼展小于 15 cm时 ,扑翼 飞行比固定翼和旋翼飞行更具优势 [ 1 ]。 由于微扑翼飞行器驱动机构的尺寸很小 ,摩 擦力对工作效率的影响很大 ,所以系统必须设计 成无摩擦结构 ,尽量避免出现常规的旋转关节。 可见设计出高效可靠的扑翼驱动机构对微扑翼飞 行器就显得尤为重要。要制作出类似昆虫般大小 的微扑翼飞行器 ,微驱动机构的设计、制作以及其 动态特性研究是其中的关键环节。 1　微驱动机构的结构设计 将电、光、热等多种形式的能量转换为机械运 动的换能器称为致动器。就致动原理而言 ,包括 静电、电磁、压电、超声、形状记忆合金、化学、热和 光致动等多种方式。从驱动方面考虑 , 与尺寸的 收稿日期 : 2006 11 03 作者简介 :缪瑞平 (1977 ) ,男 ,浙江衢州人 ,讲师 ,硕士 3次方以下成比例关系的驱动原理可以使致动器 单位体积的动力输出随尺寸减小反而增大 ,提高 致动效率。在常规和宏观机电系统中 ,电磁马达 的应用最为普遍。与电磁能量转换相比 ,静电型 换能机构由于能量密度低而很少实际应用。但 是 ,随着尺寸的微小化 ,静电换能显示出其优越之 处 ,静电驱动由于具有电压驱动、易于集成和控制 的特点 ,同时随着半导体微细加工技术的发展 ,特 别是牺牲层刻蚀技术的开发 ,为静电致动器的研 究提供了可能的技术背景 ,使静电致动在微型致 动器的研究开发中占据了突出的位置 [ 2, 3 ]。在运 动微结构中摩擦是一个很严重的问题。在微尺寸 效应下 ,摩擦力正比于表面积并且相对于惯性力 成为占主导地位的力。像传统的旋转关节那种存 在很大表面摩擦力的结构已经不适合于微系统的 要求。采用柔性铰链以取代旋转关节成为微驱动 机构设计时的一种优先选择。 基于以上原因 ,所设计的微扑翼驱动机构采 用静电致动方式。整个驱动机构的形式仿照昆虫 的胸腔式结构 ,其结构简图如图 1所示。系统的 主体由上下平行的两块极板组成 ,其中一块固定 在基体上 ,另一块可移动板与两边的连杆相连接 , 并通过连杆带动两边的翅膀上下扑动。整个机构 没有轴承和转轴之类的运动部件 ,各支点和连接 处 (A、B、C等处 )均采用柔性铰链连接 (柔性铰链 可考虑采用聚酰亚胺 ( polyim ide)树脂 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,用沉 积、涂布等微加工方法实现 [ 4 ] ,因为柔性铰链的弹 性模量很小 ,加上适当的结构设计 ,可以保证它只 2007年 2月 第 24卷第 1期 沈阳航空工业学院学报 Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering Feb. 2007 Vol. 24　No. 1 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 具有很小的运动阻力 )。当在上下极板间加上交 变电压时 ,机翼就会在交变电场的作用下上下扑 动 [ 4 ]。 图 1　静电驱动扑翼机构简图 2　驱动机构动力学模型 在建立上述机构的动力学模型之前 ,可先作 如下假设 : (1)可移动板为完全刚性 ,即假设其没有转角 变形或者它的转角变形很小以致于可以忽略不 计 ; (2)各连接杆件起支撑及约束作用 ,通过柔性 铰链起到弹簧及阻尼器的作用 ,它们的变形在其 弹性范围内 ; (3)假设其当量刚度在极板运动方向为线性 变化。 则扑翼驱动机构的动力学模型简图如图 2所 示。 图 2　动力学模型图 初始时系统处于平衡位置 ,当在两块平行极 板之间施加一个电压时 ,则这两块平行板构成一 个电容器 ,并且由于板上的电荷相互吸引而产生 静电力 ,进而使上极板移动并带动各柔性铰链产 生变形。上下极板间的距离影响着静电力的大 小 ,而静电力的变化又使得可移动板的移动距离 发生变化 ,即静电场与力场之间存在耦合作用。 当所加电压超过临界电压 (拉入电压 )时 ,上极板 被吸合到下极板上。 图中 k为弹簧刚度 , d0 为无电压作用时两极 板间的初始间距。 x为上极板相对于初始位置的 位移。 下极板固定 ,作用在上极板上的静电力为 : Fe = 1 2 C0 A U2 ( d0 - x) 2 (1) 其中 : A为极板面积 ; x为极板位移 ; U为加在两极 板间的电压 ; C0 为真空条件下的介电常数 ( C0 = 8. 85 ×10 - 12 F /m)。 作用在上极板上的弹簧力为 : 　　　　Fs = kx (2) 微扑翼飞行器设计飞行速度一般为 3～5 m / s左 右 ,飞行时处于低雷诺数下 ,因此当极板带动机翼 扑动时 ,所受到的空气阻尼力可以近似表示为速 度的线性函数 : 　　　　Fc = Ca x′ (3) 此外 ,系统还受到结构阻尼以及两极板间的 空气挤压膜阻尼力 ,但它们比机翼所受的空气阻 尼力要小得多 ,故在此忽略不计。 由以上可得相应的系统动力学方程为 : m p d2 x d t2 + Ca dx d t + kx = 1 2 C0 U2 ( d0 - x) 2 (4) 其中 m p 为上极板质量 ; Ca 为阻尼系数。 对系统方程 (4)进行无量纲化处理。令 y = x / d0 ,并引入无量纲的时间单位τ=ω0 t,其中ω0 为 系统的固有频率 ,ω0 = k /m p ,则有 : 　m pω20 d 2 y dτ2 + Ca ω0 dydτ+ ky = 1 2 C0 A U2 d30 (1 - y) 2 (5) 令ζ= Ca2m pω0 , D = 12 C0 A kd30 化简可得 : 　d 2 y dτ2 + 2 ζdy dτ+ y =D ( U2 (1 - y) 2 (6) 上式即为机电耦合的微扑翼驱动机构的非线 性动力学方程。 3　结　论 微扑翼驱动机构的设计、制作及其动态特性 的研究是微扑翼飞行器设计中的关键环节。本文 根据昆虫扑翼运动的机理 ,设计了一种静电驱动 的微扑翼机构 ,得到以下结论 : (1)该机构采用静电致动的机电耦合系统 ,具 有电压驱动、易于集成和控制的特点 ,通过在上下 极板间加上交变电压 ,使机翼在交变电场的作用 下上下扑动。 (2) 扑翼驱动机构的动力学模型为一非线性 过程 ,工作电压不能超过临界电压 (拉入电压 ) ,否 26　　　　　　　　　　　　　　　　　　　沈阳航空工业学院学报 　　　　　　　　　　　　　　　 　第 24卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 则上下极板将被吸合在一起 ,扑翼的周期性运动 不能继续。 (3) 整个机构没有轴承和转轴之类的运动部 件 ,各支点和连接处均采用柔性铰链连接 ,可以保 证它只具有很小的运动阻力。 (4)由于扑翼飞行器所用的锂电池具有恒定 的电压输出 ,而此时在方波信号激励下具有最大 的扑翼幅值 ,因此有更强的飞行能力 ,更适合作为 驱动机构的激励信号。若要进一步考虑飞行器的 续航能力 ,就有必要讨论各种形式的激励下扑翼 运动幅值对消耗的能量之比 ,这是下一步的研究 工作。 扑翼本身是一个弹性体 ,其在运动过程中除 了本身的振动变形外 ,还受到气流的作用 ,是一个 流固耦合问题 ,分析比较复杂。本文主要研究驱 动机构的机电耦合问题 ,因此对扑翼进行了简化。 为全面考虑 ,有必要把弹性翼和驱动机构结合起 来 ,进行动力学分析 ,这也是本文下一步的研究工 作。 参考文献 : [ 1 ]McM icheal J M, FrancisM S. M icro A irVehicles - Toward a New D imension in Flight[ R ]. U S DARPA /TTO Report, 1997 [ 2 ] Suzuki Kenji, Shimoyama Isao. Insect - Model Based M icro Robot with Elastic H inges [ J ]. Journal of M icro electro mechanical Sys2 tem s, 1994, 3 (1) : 4 - 9 [ 3 ] FischerM, Giousouf M, Schaepperle J. Electro statically Deflect2 able Poly silicon M icro M irrors - Dynam ic Behavior and Compari2 son with the Results from FEM Modeling with ANSYS [ J ]. Sen2 sors and Actuators A67, 1998. 89 - 95 [ 4 ] Shimoyama Isao, M iura H, Suzuki K. 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In this paper, the structure of actuator, working - p rincip le and force model analysis of actuator are studied. The results are helpful for the design, fabrication and app lication of the m icro flapp ing actuator. Keywords: aerospace p ropulsion system; m icro air vehicle with flapp ing - wing; m icro actuator; electro - me2 chanical coup ling; non - linear dynam ic character 第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　缪瑞平 :扑翼飞行器驱动装置的设计 　　　　　　　　　　　　　　　27　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net