温控合金运用在微型飞行器上,控温达到控制飞行器扑翼!

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形状记忆合金(SMAs)由于其高强度重量比而被认为是微应用的致动器。该研究提出了一种利用温度反馈控制系统来产生振动的方法,该方法适用于微型飞行器扑翼作动时的稳态振动。在温度反馈系统中采用比例积分微分控制器对形状记忆合金作动器的振动频率进行调整。


该系统结构紧凑,不需要使用部件从直线运动到旋转运动就能产生振动。另一个需要解决的挑战是SMA驱动器的缓慢冷却速率,这是通过自然对流导致的扇动动作的缓慢。因此,一种可行的改善驱动响应的方法是通过对SMA进行涂层以减少磁滞。


采用涂硅橡胶的SMA金属丝,研究了热对流对SMA驱动器控制性能的影响。并将其与未涂覆的SMA丝进行了比较,以确定热对流对SMA丝的驱动行为的影响。利用风洞试验研究了SMA作动器在风荷载作用下的扑动响应。本文以“Flapping actuation using temperature feedback control of coated shape memory alloy actuators”为题于2020年11月16日发布于《Microsystem Technologies》杂志上。


研究背景与实验


微型飞行器可以用于各种各样的应用。例如,用于室内空中活动、自然灾害或敏感监视区域作业的微型空中机器人。扑翼具有革新MAV的潜力,因为它增加了空气动力学性能,提高了机动性和悬停能力,但必须正确理解其特性。


设计师们倾向于模仿鸟类、蝙蝠和昆虫拍打翅膀的飞行,但它们可能在形式上有所不同。


由于小牛体积小,这使得它们适合在复杂资产和基础设施之间的有限空间中操作。因此,扑翼飞机可以实现的任务轮廓飞行模式正在得到越来越多的研究。


尽管扑翼可以通过柔性驱动系统执行非对称驱动,但仍需要开发一个性能更好的系统。一旦确定了这一点,他们就只能成功地为小牛复制生物激发的扑翼驱动。扑动的尺寸、重量、雷诺数和扑动频率是需要考虑的重要参数。随着扑翼尺寸的增大,复动系数也增大,但扑动频率减小。扑动频率范围低至0.145 0.5 Hz,可大于10 Hz。


随着扑动频率的增加,功率消耗与升力同时增加。因此,MAV设计者必须在动力源和飞行续航力之间做出选择。通过对扑翼特性的研究,可以对扑动机构进行多种设计,以获得特定的扑动频率范围。通常,设计师使用传统驱动,因为它可以产生高频率和快速响应。为了设计微型扑翼飞行器的驱动系统,扑翼飞行器的尺寸和重量是一个重要的考虑因素。


旋转执行器是最常见的,包括一个刷或无刷和直流(DC)电机和减速箱转换电机的速度和扭矩到有用的值。采用电磁马达的扑翼机构功率密度和效率降低,部分原因是通过变速箱的转换步骤导致复杂、重量和尺寸。执行器的另一种结构是线性的,如压电式和热式执行器,每一种类型都有不同的机械特性,需要不同的电压和电流来执行。线性致动器设计简单,重量轻。在给定的选项下,考虑执行机构的设计对于不同类型的任务和飞机的规模是很重要的。


伺服或电动马达执行机构使用一个马达来操作齿轮组。连接杠杆臂和齿轮组的扑翼的每个枢轴点都有不同的尺寸和类型,这使得电子机械装置能够产生更多的扭矩。为了完成这一机制,通常需要反馈控制,通过提供适当的电压和电流来控制驱动。然而,实现所有这些组件将使FWMAV更重、更昂贵。扑翼旋翼微型飞行器(fw - mav)采用电机,扑动旋转机构驱动三片扑翼产生升力和控制升力。


形状记忆合金与传统的致动器相比具有一系列的优点,但其缓慢的冷却速度限制了其应用。形状记忆合金的冷却速度对材料相变温度和力学性能的影响已经得到了广泛的研究


对无涂层、涂覆SMA丝的复合材料板的拍动响应进行了评价。本实验的目的是分析涂层材料对SMA拍动运动的影响。选择这种动态响应来观察周期性的加热和冷却循环。采用浸涂技术对SMA丝进行涂覆,具有成本低、工艺简单、涂层质量优于喷涂、旋涂、半月板涂层等优点。


图为形状记忆合金线附着在复合板上


图为实验装置和数据采集系统


图为温度反馈系统框图


为了获得期望的振荡或较高的频率,在上下间隔较短的情况下,通过增加增益手动进行PID整定,直到找到一个合适的值来实现该系统恒定幅度的回路振荡。


图为开环低速风洞顶视图


图为PID增益组1的SMA驱动反馈控制响应


图为PID增益组SMA驱动反馈控制响应4


图为无涂层和涂覆SMA丝在气流作用下的拍动特性与默认PID增益比较


图为无涂层和涂覆SMA丝在气流作用下PID增益比较


采用PID控制的温度反馈,通过对试件的振动运动和恒定稳态误差的强迫作用,产生扑动驱动。虽然振荡幅度大,但频率很慢。为了改善影响振荡频率的冷却性能,对SMA丝进行了硅橡胶涂层。结果表明,该方法提高了SMA丝的冷却速度、温度分布和响应。然而,在风洞试验中发现,涂层的作用可以忽略不计,因为在高雷诺数的情况下,使用无涂层和涂覆的SMA丝的拍动结果是相似的。


结果表明,随着增益值的增加,拍打频率提高。无涂层SMA丝和涂层SMA丝的最高频率分别为0.5Hz和0.56Hz。研究发现,采用这种方法,随着温度的升高,翼翼模型不能在一个固定的位置上进行襟翼运动。然而,这种情况并没有出现在风洞试验中,当K值增加时,扑翼模型能够在固定点周围拍打,并获得最高频率0.714 Hz。


研究结论


研究者研制了一种基于温度反馈的涂层形状记忆合金作动器PID控制器的扑动驱动技术。结果表明,在SMA焊丝上涂覆硅橡胶可以逐渐提高温度,防止温度突然升高,从而减少响应超调。气流的存在进一步提高了冷却速率,提高了扑动频率,并使扑动保持在一个固定的点上。


在雷诺数为103至104之间的风速下,该系统能够产生频率高达0.7 Hz的扑动振荡。该研究验证了使用形状记忆合金作动器作扑翼的可行性。未来的工作将集中于通过改进这里开发的反馈系统来提高扑动的频率和振幅。这可以通过进一步调整PID增益或合并另一个反馈系统与温度反馈系统并行来实现。优化使用的形状记忆合金线也可以探索,以提高扑动的频率和振幅。


参考文献:Nurkhairunisa Awang Jumat, Titilayo Tolulope Ogunwa, Ermira Junita Abdullah, Javaan Chahl, Fairuz Izzuddin Romli & Dayang Laila Abdul Majid Flapping actuation using temperature feedback control of coated shape memory alloy actuators  Microsystem Technologies (2020)



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