上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）飞行仿生（2015）一种能源可再生扑翼微型飞行器.pdf_大学文库

CN105129085A 说明书 1/4页一种能源可再生扑翼微型飞行器技术领域 [0001]本发明属于一种微型仿生飞行器，尤其是涉及一种基于自发电续航的微型仿生扑翼飞行器。背景技术 [0002]随着无线领域的发展、微机电技术提高、微型飞行器研究的不断深入，扑翼飞行器越来越走进人们的视野，特别是微型扑翼飞行器由于其具有体积小、质量轻、隐蔽性和可操作性的优点越来越受到人们的重视，但是微型飞行器的能源问题一直限制着飞行器的发展，对于能源与动力部分是微型飞行器最基本、最重要的组成，一直是研究人员的重点研究方向，现有成果中，能源与动力单元往往占据了微型飞行器的绝大部分空间和质量，使其在承载能力和微型化方面受到很大的限制。 [0003]目前，飞行效果最佳的是电池/电机组合，但存在电力储备不足的问题，裸机最多能保持20分钟的飞行时间，而且负载会大幅缩短飞行时间。其他驱动方式，如压电、化学肌肉、人造肌肉、记忆合金、微型内燃机等，飞行效果更不理想，所以电池/电机是微型飞行器目前最佳的能源与动力组合。但只是单纯的电池供电不能有效的解决能源续航问题，因此基于微型扑翼飞行器低功耗的特性，在研究微小型的飞行器领域中，自供能或辅助功能系统亟待人们去解决。发明内容 [0004] 本发明提供一种能源可再生扑翼微型飞行器，以解决飞行器存在的电力储备不足的问题。 [0005]本发明采取的技术方案是：包括压电薄膜扑翼、扑翼仿生支撑架、扑翼柔性翅膀框架、带有内置微型锂电池的控制电路模块、太阳能发电薄膜尾翼、电机及传动机构、机架体、太阳能发电翅膀薄膜：其中，扑翼仿生支撑架与电机及传动机构连接，电机及传动机构和带有内置微型锂电池的控制电路模块均固定在机架体上，太阳能发电薄膜尾翼与机架体固定连接，压电薄膜扑翼及太阳能发电翅膀薄膜分别与扑翼柔性翅膀框架连接，其中扑翼柔性翅膀框架位于中间，而压电薄膜扑翼位于最下层位置，扑翼柔性翅膀框架与扑翼仿生支撑架连接，通过导线将发电部分与控制电路模块进行连接。 [0006]所述扑翼柔性翅膀框架的结构包括：主翼架、翼脉稳定杆、仿生翼脉，扑翼柔性翅膀框架表面为椭圆形，其整体上表面是微凸起结构，下表面为平面，主翼架与翼脉稳定杆和仿生翼脉连接，翼脉稳定杆和仿生翼脉网状连接。 [0007]所述扑翼柔性翅膀框架中仿生翼脉，仿生翼脉是仿昆虫翅主脉的楔形结构，该结构形状由翅根向后逐渐变薄，并且每条翼脉都是预弯曲结构。 [0008]所述扑翼仿生支撑架的材料采用能产生柔性变形的碳纤维和树脂复合材料。 [0009]所述压电薄膜扑翼包括：压电薄膜，两个轻质超薄电极一、电极二，两根连接导线压电薄膜上下两面均覆有轻质超薄电极一、电极二，其中电极在扑翼边缘分别连接导线。 3

CN105129085A 说明书 2/4页 [0010] 本发明的优点是：结构新颖，以扑翼微型飞行器的能源为主要对象，针对电池储能不足的问题，从仿生学角度出发，根据昆虫翅翼的形态和飞行特征，提出一种仿生翅脉，在翅脉的上面附有压电薄膜，这样使在扑翼飞行器扑动时能产生近似规律的变形，使之产生相对更大发电量的一种可自发电扑翼，以节省能源。 [0011]已有研究证明，昆虫和鸟类主要依靠翅膀扑动时的三维变形产生推升力实现飞行。本发明正是利用该特性，采用发电材料制作扑翼，利用扑翼在飞行过程中的变形特性产生电荷：另，在扑翼上表面覆盖一层超薄太阳能发电薄膜，在增加飞行器额外质量非常小的情况下，为扑翼微型飞行器补充双重能源：并从仿生学出发，设计仿生扑翼结构，减少飞行阻力，降低飞行时的能耗。所以，本发明是从实时续能和降低能耗两个方面来提高飞行器的巡航时间和承载能力。通过扑翼飞行器翅膀在扑动时通过压电薄膜翅膀将机械能转换为电能，两翼上产生的交流电经过整流滤波模块后，此时转换为稳定的直流电，加上辅以太阳能发电薄膜，将光能转化为电能，两者转化的电能进行叠加，然后给电池进行充电，使飞行器的续航飞行能力提高。本发明基于压电薄膜的正压电效应将机械能转化为电能，基于太阳能薄膜的光电效应将光能转化为电能，这两种材料的充发电装置简单，具有转换效率高，质量轻、适用范围广等特点。附图说明 [0012]图1是发明的结构示意图，图中未带太阳能发电翅膀薄膜：图2是发明的结构示意图；图3是本发明的后视图；图4是本发明的扑翼柔性翅膀框架的结构示意图；图4a是图4的A-A剖视图；图4b是图4的B-B剖视图：图4c是图4的C-C剖视图：图5是本发明的扑翼翅膀局部剖视放大图：图6是本发明的控制电路模块示意图；图7是本发明的压电翅膀系统结构示意图，图中未带太阳能发电翅膀薄膜。具体实施方式 [0013]包括压电薄膜扑翼1、扑翼仿生支撑架2、扑翼柔性翅膀框架3、带有内置微型锂电池的控制电路模块4、太阳能发电薄膜尾翼5、电机及传动机构6、机架体7、太阳能发电翅膀薄膜8：其中，扑翼仿生支撑架2与电机及传动机构6连接，电机及传动机构6和带有内置微型锂电池的控制电路模块4均固定在机架体7上，通过导线将微型锂电池与控制电路模块4进行连接，太阳能发电薄膜尾翼5与机架体7固定连接，压电薄膜扑翼1及太阳能发电翅膀薄膜8分别与扑翼柔性翅膀框架3连接，其中扑翼柔性翅膀框架3位于中间，而压电薄膜扑翼1位于最下层位置，扑翼柔性翅膀框架3与扑翼仿生支撑架2连接，通过导线将发电部分与控制电路模块4进行连接。 [0014]所述扑翼柔性翅膀框架3的结构包括：主翼架301、翼脉稳定杆302、仿生翼脉 303,扑翼柔性翅膀框架3表面为椭圆形，其整体上表面是微凸起结构，下表面为平面，主翼 4

CN105129085A 说明书 3/4页架301与翼脉稳定杆302和仿生翼脉303连接，翼脉稳定杆302和仿生翼脉303网状连接。 [0015]所述扑翼柔性翅膀框架3中仿生翼脉303，仿生翼脉303是仿昆虫翅主脉的楔形结构，该结构形状由翅根向后逐渐变薄，并且每条翼脉都是预弯曲结构。 [0016]所述扑翼仿生支撑架2的材料采用能产生柔性变形的碳纤维和树脂复合材料。 [0017] 所述压电薄膜扑翼1包括：压电薄膜101，两个轻质超薄电极一102、电极二103，两根连接导线104，压电薄膜101上下两面均覆有轻质超薄电极一102、电极二103，其中各电极在扑翼边缘分别连接导线104。 [0018]下面结合附图对本发明作进一步说明，是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了整套的执行动作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0019]如图1、图2所示，一种能源可再生扑翼微型飞行器，包括：压电薄膜扑翼1、扑翼仿生支撑架2、扑翼柔性翅膀框架3、带有实时充电功能的控制电路模块4、机架体7、电机及传动机构6、太阳能发电薄膜尾翼5、太阳能发电翅膀蒙皮8。其中，扑翼仿生支撑架2与传动机构6进行相连，传动机构6和控制电路模块4均固定在机架体7上，通过导线将发电部分与控制电路模块4进行连接，太阳能发电薄膜尾翼5与机架体7固定连接，压电薄膜扑翼 1及太阳能发电翅膀蒙皮8分别与扑翼柔性翅膀框架3连接，其中扑翼柔性翅膀框架位于中间，而压电薄膜扑翼1位于最下层位置，而扑翼柔性翅膀框架3与扑翼仿生支撑架2连接。 [0020]如图3所示，所述的传动机构6、控制电路模块4和尾翼5均固定到机架体7上，根据重心的分布固定在合适的位置，以保证更加平稳的飞行。 [0021]如图4、图4a~4c所示，所述的扑翼柔性翅膀框架3，翼脉为仿昆虫翅主脉结构，每条仿生翼脉303都是楔形结构，从前缘向后厚度逐渐变小，这样以保证飞行器扑翼时产生最佳的变形效果，使发电量最大。 [0022]如图5所示，所述的扑翼翅膀，整体形状与固定翼的飞行器翅膀形状相近，通过空气动力学原理分析和流体的仿真，可以得出该结构可以产生较大的升力，提高飞行器的飞行效率：在图中可以看到，整体形状的产生主要是在扑翼柔性翅膀框架3下面附有压电薄膜，上面是太阳能发电薄膜覆盖，这样组成了整体的压电翅膀。 [0023]如图6所示，所述的控制电路模块4，首先由微型锂电池404供电，通电后遥控与无线接收模块401进行通信，然后控制电机驱动模块403驱动电机工作，在电机工作后，扑翼翅膀扑动此时整流滤波充电模块402给微型锂电池进行实时充电，完成整个控制流程。其中整流滤波充电模块作用是，由于扑翼压电薄膜翅膀在扑动时，即使有翼柔性翅膀框架的作用，理论上由于环境的复杂性不会发出完全规律的交流电，因此通过一系列整流滤波等过程可以得到稳定的直流电，然后通过充电模块给予增加续航能力。 [0024]如图7所示，所述的压电翅膀系统，首先电机通过减速齿轮组输出足够大的转矩，然后再带动连杆使扑翼仿生支撑架2进行往复的摆动，通过扑翼柔性翅膀框架3，这样压电薄膜翅膀1也会产生有规律的摆动，然后压电薄膜会产生交流电，通过整流滤波充电模块 402对其交流电实时处理，在扑翼柔性翅膀框架3上层有太阳能发电薄膜，将光能转化为电能，两者转化的电能进行叠加，然后给电池进行充电，这样就能完成本实施例的发明任务的要求，增加续航能力。 [0025]本发明根据正压电效应，某些材料在产生变形时，在相对应的两个表面上会产生极性相反的电荷，这类材料称为压电材料。利用这种材料做成扑翼飞行器的翅膀，飞行器飞 5

CN105129085A 说明书 4/4页行时，扑翼运动产生变形可产生电荷发电，这种结构既不增加飞行器质量，又可为飞行器供能，提高飞行器不间断续航能力。由于扑翼飞行器具有较大的翼展，可在扑翼上表面覆盖一层超薄太阳能发电薄膜，可以使扑翼飞行器在动态和静态双重条件下发电，进一步为扑翼飞行器供能，使其具备多次循环飞行能力，这种发明对研究MEMS等系统的应用有很大的借鉴意义。其中，太阳能发电薄膜尾翼还具有调节飞行器质量平衡的作用，可采用与扑翼表面厚度不同的太阳能薄膜，具有较大的发电量。 [0026]所述的压电薄膜扑翼1：扑翼飞行器是模仿鸟类或昆虫的新型飞行器，利用翅膀的扑动产生飞行动力，翅膀在飞行时会产生弯曲、扭转等变形，利用压电薄膜做成扑翼飞行器的翅膀，就可以在飞行过程中利用翅膀的变形发电。根据仿生学以及空气动力学原理，扑翼整体从前缘向后呈楔形，可降低上下扑动时的空气阻力，并可以发生最佳的变形产生推升力。根据柔性体流固耦合界面仿真分析的结果，楔形结构在流体作用下，楔根处发生的应变最大，那么对于楔形的压电薄膜翅膀来说，翅根处压电厚度大、应变大，所以发电量最大。另外，由于翅膀边缘处较薄，在飞行时产生的变形会与楔根处不同步，从而导致表面产生的电荷极性相反，会抵消翅根处的部分发电量，由于该部分发电量相对较小，在布置电极时，要保证该部分镂空，即不采集该部分压电的发电。最后，目前新研究的太阳能发电薄膜已达到微米级厚度，在扑翼上表面覆盖一层太阳能发电薄膜，太阳能发电储能后，可使飞行器多次间断续航，提高其作用距离。 [o027]所述的仿生扑翼支撑架2及翅膀框架3：根据空气动力学原理，扑翼支撑架2前缘呈椭圆形，可有效降低飞行器前行时的空气阻力，例如固定翼飞机的机翼前缘：而且，根据仿生学原理，鸟类羽翅、昆虫膜状翅前缘都是椭圆形结构。扑翼柔性支撑框架3压电薄膜翅膀上面突出一部分，形成条纹状凸起结构，该结构沿长度方向呈椭圆形，并随着翅膀的楔形结构逐渐变薄。这种楔形的条纹状结构可降低翅膀上扑时的空气阻力，减小能耗。 [0028]所述的仿生扑翼支撑架2及翅膀框架3：采用碳纤维和树脂合成的复合材料，质量轻，具有一定的弹性。所有的框架支撑部分都是直杆经过预弯曲后固定在扑翼内，除形成降阻的微结构外还起到撑紧扑翼的作用，有利于扑翼飞行变形，以产生推升力和发电。 6