[發明專利]電磁驅動式撲翼微飛行器

無效

• 申請號: 201010503002.4
• 申請日: 2010-10-12
• 公開（公告）號: CN101947388A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 張衛平;孟坤;遲鵬程;陳文元;李洪誼;崔峰;吳校生;劉武
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: A63H27/28
• 分類號: A63H27/28
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種微型飛行器技術領域的裝置，具體是一種電磁驅動式撲翼微飛行器。

背景技術

撲翼式微飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行的微型飛行器。近年來隨著軍事和MEMS等尖端技術的發展，采用翅膀式微型飛行器(FMAV)逐漸成為科技界的研究熱點。微型飛行器是20世紀90年代發展起來的一種新型飛行器。美國國防高級研究計劃局提出微飛行器基本指標為：飛行器的尺寸小于15cm，重量在10g到100g之間，飛行時間為20-60min，飛行速度為25-70km/h。微型飛行器具有體積小、質量輕，很好的機動和氣動性能等優勢，在軍、民用方面擁有十分廣闊的應用前景。因此微飛行器已經成為科技界研究的熱點。

目前，微型飛行器按飛行方式可以分為固定翼、旋翼和翅膀三類。最新研究表明，當翼展小于15cm時，翅膀式飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優勢，可微化程度高、隱蔽性好、飛行機動性高。國外在撲翼式微飛行器的研究方面已做出了相關成果。

經過對現有技術的檢索發現，Wood?R?J.The?First?Takeoff?of?a?Biologically?Inspired?At-Scale?Robotic?Insect[J].IEEE?transactions?on?robotics，2008，24(2)：341-347.美國哈佛大學研制出一種翼展3cm可實現沿軌道飛行的撲翼微飛行器。目前全世界最小的并成功實現飛行的撲翼微飛行器就是哈佛大學wood研制出的壓電陶瓷驅動的翅膀飛行器，但是由于壓電陶瓷驅動電壓要求過高，無法自帶電源，難以實現自主飛行。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種電磁驅動式撲翼微飛行器，通過MEMS工藝加工實現翼展小于3cm的撲翼式微飛行器，解決由壓電陶瓷驅動導致所需電壓很大所帶來的難以實現自身攜帶電源，翅膀被動扭轉小的問題，該電磁驅動器是利用通電導體在磁場中受力而獲得驅動力，通過電磁力直接驅動，結構簡單，控制方便靈活，輸出力大。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：一對翅膀及其對應背甲和環形永磁體、控制芯片、機殼、兩個螺旋線圈和胸腔，其中：一對翅膀分別粘接于各自背甲的一端，背甲的另一端分別粘接螺旋線圈，兩塊環形永磁體分別固定在胸腔的上下兩邊，控制芯片粘接于機殼的頂部中央并與螺旋線圈相連，機殼固定于胸腔的外緣。

所述的背甲、機殼以及胸腔均為MEMS微加工方法以SU8膠為材料制成，具體是通過在硅基體上濺射一層犧牲層，在犧牲層上甩SU8膠，分別用背甲、機殼和胸腔形狀的掩模板進行光刻，顯影，去犧牲層得到SU-8材料結構。

所述的翅膀包括翅脈和設置于翅脈上的翅膜；其中：翅脈為MEMS微加工方法以SU8膠為材料制成，翅膜為PARYLENE沉積工藝得到，具體是通過甩膠、光刻、顯影得到SU-8材料的翅脈結構，將parylene-c材料沉積到翅脈上形成翅膜，去除犧牲層后獲得完整的翅膀結構。

所述的螺旋線圈的軸線偏離背甲的中心線，

所述的控制芯片包括：電源、驅動電路和控制電路，其中：控制電路位于電源和驅動電路中間，電源連接到控制電路電源端并為控制電路提供驅動電壓，控制電路輸出兩路方波信號至驅動電路兩個輸入端，驅動電路將方波信號放大并輸出值兩個螺旋線圈引線頭，電源、驅動電路和控制電路三者的重心位于一條直線上。

本發明工作原理為：電磁驅動式撲翼微飛行器是采用電磁方式驅動。撲翼微飛行有一對翅膀，一對背甲，兩個翅膀分別固定在兩個背甲的一端，兩個環形永磁體固定在胸腔的上下兩側，提供恒定磁場；控制芯片為兩個螺旋線圈提供驅動電流，兩個螺旋線圈固定在兩個背甲另外一端，獨立控制兩個翅膀的撲動；兩個螺旋線圈通入電流，具體為：

當第一螺旋線圈電流為正向電流，第二螺旋線圈通入相同頻率相同相位的電流時，螺旋線圈可以產生與永磁體磁場方向相異的磁場，電磁力將吸引兩個螺旋線圈同時向上運動，這樣與螺旋線圈固定的背甲一端向上運動，進而帶動翅膀向下撲動；

當第一螺旋線圈電流為反向電流，同時第二螺旋線圈通入相同頻率相同相位的電流時，可以產生與永磁體方向相反的磁場，電磁力將排斥兩個螺旋線圈向下運動，與螺旋線圈固定的背甲一端向下運動，進而帶動翅膀向上撲動。

由于本發明將兩個螺旋線圈分別驅動兩個翅膀，螺旋線圈處于永磁體產生恒定磁場下，通過改變各個螺旋線圈脈沖電流的大小、相位以及頻率，可以方便的控制每個翅膀的撲動幅度、撲動先后以及撲動頻率，從而能夠方便的實現飛行轉彎、上升和下降等飛行要求。