新型仿生可折叠机翼,可有效提高微型飞行器的飞行性能!

   电子分析员        

扑翼微型飞行器面临着机翼破损的危险。为了解决这个问题,研究人员建议使用仿生可折叠的翅膀。本研究设计并制作了一种带有被动折展开机构的谐振驱动压电扑翼执行器,其折展开运动是由机翼行程运动产生的离心力和升力被动实现的。虽然被动折叠/展开是一个已知的概念,但它与谐振系统结合的可行性和特点还没有报道。由于谐振驱动对于极小型的昆虫微型飞行器是必要的,因此需要对具有折叠翼机构的微型飞行器进行研究。因此,研究人员首先研究并报告共振驱动的被动折叠/展开机制的性能。研究人员还提出了一个简化的理论模型来证明共振驱动系统与折叠/展开机制之间的相互作用,他们成功地演示了制作的致动器的折叠/展开运动。此外,理论模型与实验结果吻合较好。


相关论文以题为“Resonance-Driven Passive Folding/Unfolding Flapping Wing Actuator”发表在《Applied Sciences》上。




研究背景


近年来,仿生扑翼微型飞行器因其广泛的应用领域,如救援任务、建筑结构检测、遥感等,引起了人们的广泛关注。此外,它们的飞行表现也引起了人们的兴趣,因为这可能是天生的鸟类和昆虫的飞行能力。与普遍的多旋翼系统相比,FWMAVs所关注的问题之一是其机翼的鲁棒性。由于机翼比旋翼更轻,结构更大,容易发生脆性。虽然自然界的鸟类和昆虫也会面临同样的问题,但是它们的翅膀是可折叠的,因此减少了碰撞时折断的风险。


据报道,几个研究小组已经开发出了仿生折叠翅膀。Muhammad et al.和Nguyen et al.研究了形状记忆合金驱动器驱动的受甲壳虫启发的可折叠翅膀。Ma等人报道了一种带有机动折叠/展开系统的类似蝙蝠的翅膀。Siddall等人提出了由电动系统驱动的可折叠机翼。Stowers等人研发了一种被动折叠/展开系统在马达驱动的可折叠机翼上的使用,并演示了主要由离心力驱动的折叠/展开运动,以及机翼的扑动运动。由于这种被动折叠/展开系统不需要额外的驱动装置,因此被认为具有重量轻、能耗低的优点。研究人员认为这些优点适用于微型飞行器的应用,因此在目前的研究中采用了被动折叠/展开机翼系统。


扑翼执行机构的结构


图1a为本研究中所研究的扑翼执行器照片。该结构基于研究人员之前报道的扑翼机器人。它由一个梯形单模压电驱动器和一个仿生翅膀组成。压电致动器由100个m厚的压电PbO3-PbO3-PbTiO3板和130个m厚的Ti板组成。PIN-PMN-PT板由TRS技术公司制造。机翼由碳纤维增强塑料(CFRP)前沿杆,钛/聚酰亚胺复合静脉,聚酯膜;这些是通过热压制成的。机翼的质量是17.8毫克。机翼固定在压电驱动器的顶端,其翼展向下倾斜延伸。在压电驱动器和机翼之间放置了一个弹簧,弹簧是机翼折叠/展开的关键部件。图1a(右)显示了由100层m厚聚醚醚酮片组成的钢板弹簧的放大图像。该装置的质量为140毫克。图1b说明了扑动驱动的原理。当对压电材料施加电压时,压电效应会在压电材料中产生应力。这种压力使执行器弯曲,导致机翼绕z轴摆动。通过施加与系统谐振频率相匹配的循环电压波,可以激发大行程运动。在这里,中风角(翼展和轴之间的角度围绕z轴)被定义为ϕ。图1c说明了折叠/展开行为。叶片弹簧使机翼能够绕y轴旋转。在本文中,研究人员将机翼的初始姿态(斜向x轴)定义为折叠状态。相反,机翼方向接近于x轴的状态被定义为展开状态。翼展与x-y平面的夹角定义为:本研究中定义的折叠/展开运动并不是精确的仿生;翅膀本身不会变形,但翅膀根部是折叠的。与完全仿生变形的机翼系统相比,由于其简单的运动学,研究人员认为这种结构在清楚地理解折叠/展开行为方面具有优势。这种结构没有使用上述部分所述的主动机制来折叠/展开机翼;相反,由于冲程运动,机翼会被动地折叠/展开,例如离心力和升力。



图1.带有被动折叠/展开机构的扑翼执行机构的结构:(a)执行机构与折叠/展开弹簧的照片;(b)行程运动和(c)折叠/展开运动。


理论模型


在本文中,研究人员描述了一个简化的理论模型,以阐明折叠/展开运动的条件。研究人员将模拟基于该模型的折叠/展开特性,并与测量结果进行比较。图2显示了用于派生模型的简化系统。压电致动器被建模为1自由度(自由度)春天,Ka,致动器的惯性对ϕJa表示。该压电驱动力矩用风吹角(yca)表示,机翼质量为Mw,机翼长度为Lw。研究人员认为有三种力作用在机翼上:离心力、升力和重力。升力被建模为垂直于翼展的力;由冲程运动产生的离心力和重力分别用FC和Fg表示。此外,用于折叠/展开运动的弹簧的弹簧常数为Kh。



图2.扑翼执行器的简化模型。


用于推导简化模型的主要近似总结如下。


-压电力矩可以近似地与施加的电压成正比;压电效应的任何非线性效应都被忽略。


-由于碳纤维布前缘杆占机翼质量的大部分,考虑到机翼的惯性特性,研究人员将机翼视为均匀刚性杆。


-虽然机翼是仿生的,圆形,但研究人员将其近似为一个简单的矩形来推导空气动力升力。


-由于行程频率比折叠/展开运动的响应速度快得多,折叠/展开系统受到FL和FC的时均力。


-对于折叠/展开运动,研究人员只考虑平衡态而不考虑瞬态响应


-将冲程运动系统简化为二阶系统。因此,机翼的阻力近似为线性阻尼力。


实验方法


研究人员观察了机翼在不同驱动条件下的行为,以阐明其折叠/展开特性。图3描述了实验中使用的测量设置。研究人员测量了平均升力和翼运动(ϕ和θ),并使用精密电动平衡(hr - 100 a, A&D有限公司,东京,日本)测量升力。ϕ和θ从相机捕捉到的图像进行评估。压电致动器由函数发生器和电压放大器的组合驱动。在这项研究中,研究人员采用正弦波形从0 V, (V / 2)(罪ωt + 1),驱动信号。图4显示了两个摄像头捕获的图像的测量设置(图3)。



图3.测量设置。




图4.典型的捕捉图像显示(a)描边幅度和(b)折叠角度。


实验结果


研究人员首先介绍观察到的折叠/展开行为,然后比较测量和理论解决方案。图5显示的测量值Φ和θ的全面应用电压振幅,诉,ω是固定在95赫兹。为了便于理解,图中还展示了通过相机捕获的图像。首先,研究人员考虑的情况下增加诉V<Φ193 V是小,机翼折叠态(θ主要是消极的)。当V超过193 V,Φ和θ显示突然增加,机翼展开。相比之下,减少V, V> 193 V,尽管Φ和θ几乎等于这些增加的V;他们没有显示V=193 V突然增加。此外,当V超过了升压并最终降至V= 121v时,机翼仍处于展开状态。这种迟滞特性表明所制作的驱动器是一个双稳态系统。




图5.在95hz频率下,外加电压、行程幅值与折叠角度的关系。


研究人员测量了V -Φ和V -θ在不同频率曲线,如图6所示。图6 a、b显示Φ和θ增加V,分别和图6 c, d秀Φ和θ减小诉Φ和θ的跳起来/下电压与所有频率相同。研究人员确定,较低的频率导致较高的跳起和跳降电压。此外,Φ处于展开状态的θ增加和减少的频率。这一趋势可以用以下定性的方式加以解释。展开翅膀,一个大扭矩施加离心或升力是必要的,因此提出的要求一个大ΦΦ2因为这些力量是成正比。Φ取决于V和共振频率ω的亲密;这有助于确定共振放大的大小。当考虑在一起,足够高V或ω接近共振频率是需要展开翅膀。折叠态下的系统由于其在z轴上的惯量较小,因此其共振频率相对于展开态更高。因此,跳起来与较高的ω电压应该减少;较高的ω值匹配的共振频率折叠状态超过展开的状态,会导致大量Φ和较低的转矩(或V)。(跳起来),展开后的惯性增加,而系统的共振频率降低。这导致ω和共振之间的不匹配。因此,处于展开状态的Φ更高ω被认为是小于低ω。接下来,θ的展开状态有较高的ω也减少因为小价值Φ导致离心和提升部队的较小值。相反,一个更小的ω导致一个更大的跳起来电压和较大的Φ和θ。这是因为一个小的共振频率ω匹配展开状态超过的折叠状态。



图6.行程幅值和折叠角对频率的特性:(a)行程幅值和(b)随外加电压幅值的增加折叠角;(c)冲程幅值;(d)随外加电压幅值减小的折叠角度。


结论


该共振系统表现出磁滞和双稳定性,这是由折叠/展开运动引起的共振频率位移引起的。使用简化的分析模型成功地解释了这种行为。这项工作使研究人员对共振驱动的被动折叠/展开机制有了基本的了解,并对将来研制比蜂鸟还小的扑翼微型飞行器有一定的指导意义。但本研究存在一定的局限性,总结如下:


-由于研究人员只考虑了折叠/展开运动的准静态特性,系统的动力学行为,如对外力冲击的响应,仍然不清楚。


-忽略非线性的贡献是不能量化的。在其他情况下,它们可能变得不可或缺。


-在研究人员的实验中,执行器是刚性固定的。因此,在飞行过程中由于惯性力而发生的任何意外现象都未被考虑。


研究人员还提供了一种控制方法扩大稳定地区同时调制V和ω。研究人员只进行了实验演示,没有进行任何理论考虑、概括或优化。因此,在未来需要进一步的检查。作为未来的工作,研究人员将开发一种配备可折叠/展开执行器的微型飞行器,并尝试演示飞行起飞。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3771/htm



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