發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 05:48

　　 無人機(jī)的微小型化對(duì)環(huán)境監(jiān)測、救災(zāi)、反恐以及軍事領(lǐng)域都具有重大意義。四旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)簡單,但要想在微小型化的過程中走向?qū)嵱没?還有著諸多挑戰(zhàn)。包括隨著尺寸和質(zhì)量的減小帶來的飛行穩(wěn)定性問題和自主飛行控制面臨的多變量、非線性和強(qiáng)耦合問題,而動(dòng)力源是微型化最大的障礙。目前普遍采用的電磁電機(jī),在縮小到毫厘尺寸后機(jī)電轉(zhuǎn)換效率急劇下降,續(xù)航能力不足�？紤]到壓電驅(qū)動(dòng)具有的功率密度大、響應(yīng)快、控制便捷、結(jié)構(gòu)簡單緊湊易于微小型化,在毫厘尺寸還能保持較高的效率等特點(diǎn),尤其無電磁輻射和抗電磁干擾在軍事應(yīng)用中所具有的獨(dú)特價(jià)值,提出利用逆壓電效應(yīng)和摩擦作用構(gòu)建簧片式和框架式壓電作動(dòng)器,探索微小型四旋翼壓電驅(qū)動(dòng)新方法。八個(gè)簧片穿過偏心槽圓柱環(huán)壓緊在定子的外表面,在定子回轉(zhuǎn)作用下旋轉(zhuǎn),形成單轉(zhuǎn)子簧片式旋轉(zhuǎn)壓電作動(dòng)器。定子工作模態(tài)為二階彎曲振動(dòng),便于夾持和驅(qū)動(dòng)。原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明,在驅(qū)動(dòng)電壓為325 Vpp時(shí),轉(zhuǎn)速為1947.3 r/min,轉(zhuǎn)矩為1.32 mN·m,安裝半徑30 mm旋翼獲得的升力僅為0.06 g。四個(gè)圓環(huán)由變截面壓電復(fù)合梁連接形成正方形框架機(jī)身,四個(gè)圓環(huán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由連接梁激勵(lì),經(jīng)錐形轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn),形成結(jié)構(gòu)功能一體化的四旋翼飛行器。原理樣機(jī)在驅(qū)動(dòng)電壓為350 Vpp時(shí),轉(zhuǎn)速2000 r/min、安裝直徑35 mm旋翼產(chǎn)生升力為0.6 g。經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和小型化設(shè)計(jì)后,重量降低82.6%(5.8 g)、展長縮小48.9%(74.6 mm),在驅(qū)動(dòng)電壓為350 Vpp時(shí),轉(zhuǎn)速提升140%(4800 r/min),轉(zhuǎn)矩為7.5 mN/m,升力為1.6 g。采用輕量化材料并進(jìn)一步優(yōu)化后,有望實(shí)現(xiàn)飛行。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：

尤其無電磁輻射和抗電磁干擾在軍事應(yīng)用中所具有的獨(dú)特價(jià)值，課題組提出了利用逆壓電效應(yīng)和摩擦原理建立旋翼的壓電驅(qū)動(dòng)方法，通過構(gòu)建簧片式和框架式壓電作動(dòng)器，以提高轉(zhuǎn)速，減輕重量、減小能耗、簡化結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)[16-20]，探索微小型四旋翼飛行器壓電驅(qū)動(dòng)新原理。1.2 微小型四旋翼無人飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)有的四旋翼無人飛行器都屬于微小型無人飛行器的范疇，主要包括遙控四旋翼飛行器、小型四旋翼低空無人飛行器和微型四旋翼低空無人飛行器[21]。近年來，關(guān)于如何制造一臺(tái)成熟的遙控四旋翼飛行器已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)突破。遙控四旋翼飛行器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全的商業(yè)化和民用化[22]，藉由智能設(shè)備的全面發(fā)展普及和對(duì)高效智能無人設(shè)備的普遍需求，在批量化的硬件生產(chǎn)與實(shí)際的長效使用方面，全球出現(xiàn)了一批例如我國大疆這樣的民用遙控四旋翼飛行器制造廠商，如圖 1.1 所示。通過自身成熟的產(chǎn)品技術(shù)以及與攝影成像實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)的有效結(jié)合，遙控四旋翼飛行器在農(nóng)業(yè)、能源、建筑、媒體、公共安全和基礎(chǔ)設(shè)施等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

圖 1.4 楔形超聲電機(jī)[28]的 AOYAGI 等人開發(fā)了一款高速超薄超聲電機(jī)，如圖 1式，定子由 0.15 mm 厚的不銹鋼薄片以及 0.2 mm 厚的薄片的兩側(cè)，且在厚度方向上均勻極化。旋轉(zhuǎn)軸直徑為軸自身的振動(dòng)頻率調(diào)開，盡可能的減小旋轉(zhuǎn)軸自身的變于自身的彎曲振動(dòng)。此電機(jī)工作頻率為 170kHz，在激條件下，轉(zhuǎn)速達(dá)到了8000r/min，通過瞬態(tài)響應(yīng)預(yù)估的最該高速超薄超聲電機(jī)實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速以及低能耗，但是定子氧化鋁碎片的方式，雖然轉(zhuǎn)速略微降低但磨損率會(huì)顯著楔形超聲電機(jī)相比效率低下，主要原因在于定轉(zhuǎn)子表面

南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文1982 年，日本學(xué)者 Toshiiku Sashida 提出的楔形超聲電機(jī)是世界上最早的模態(tài)轉(zhuǎn)換型，其基本結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示[28]。定子由一個(gè)在端部帶有振動(dòng)片的蘭杰文振子構(gòu)成，楔以一定的角度壓緊在轉(zhuǎn)子的外圓端面。其基本原理為：激勵(lì)蘭杰文振子產(chǎn)生縱向振動(dòng)動(dòng)片沿著振子軸向振動(dòng)。振動(dòng)片的頂端與轉(zhuǎn)子外圓端面間發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)子對(duì)楔形生周期作用力，使振動(dòng)片發(fā)生垂直于振子軸向的彎曲振動(dòng)，從而在振動(dòng)片頂端產(chǎn)生橢跡，通過摩擦作用來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。該楔形超聲電機(jī)的工作頻率為 27.5 kHz，輸入功，機(jī)械輸出功率為 50 w，輸出轉(zhuǎn)矩為 0.25 N·m，效率為 55%[42]。
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本文編號(hào)：2889790