發(fā)布時間：2020-11-19 05:48

　　 無人機(jī)的微小型化對環(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。考慮到壓電驅(qū)動具有的功率密度大、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,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器,探索微小型四旋翼壓電驅(qū)動新方法。八個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)壓電作動器。定子工作模態(tài)為二階彎曲振動,便于夾持和驅(qū)動。原理樣機(jī)實驗表明,在驅(qū)動電壓為325 Vpp時,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,四個圓環(huán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由連接梁激勵,經(jīng)錐形轉(zhuǎn)子驅(qū)動旋翼旋轉(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)動電壓為350 Vpp時,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)計后,重量降低82.6%(5.8 g)、展長縮小48.9%(74.6 mm),在驅(qū)動電壓為350 Vpp時,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,有望實現(xiàn)飛行。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：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)動方法，通過構(gòu)建簧片式和框架式壓電作動器，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)以及與攝影成像實時傳輸技術(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。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]。定子由一個在端部帶有振動片的蘭杰文振子構(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：激勵蘭杰文振子產(chǎn)生縱向振動動片沿著振子軸向振動。振動片的頂端與轉(zhuǎn)子外圓端面間發(fā)生相互作用，轉(zhuǎn)子對楔形生周期作用力，使振動片發(fā)生垂直于振子軸向的彎曲振動，從而在振動片頂端產(chǎn)生橢跡，通過摩擦作用來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。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]。
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳西府;周海;惠學(xué)芹;黃傳錦;;壓電作動器在精密定位中的研究與發(fā)展[J];科技信息;2011年36期

2 張亞紅;張希農(nóng);謝石林;;層疊式PVDF壓電作動器及圓柱殼的振動主動控制[J];力學(xué)季刊;2006年04期

3 馬馳騁;張希農(nóng);謝石林;;溫度梯度場中梁的形變控制研究[J];振動工程學(xué)報;2012年02期

4 王曉明;亢戰(zhàn);;基于周期拼裝的平面壓電作動器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[J];計算力學(xué)學(xué)報;2011年02期

5 楊智春;王巍;;一種新型壓電作動器及在結(jié)構(gòu)振動主動控制中的應(yīng)用[J];機(jī)械強(qiáng)度;2008年05期

6 曹輝;張衛(wèi)華;繆炳榮;;基于二系垂向作動器與壓電作動器的動車組車體振動控制[J];交通運(yùn)輸工程學(xué)報;2018年03期

7 王琦;陳浩然;;壓電作動器對熱變形層合板形狀修復(fù)研究[J];工程力學(xué);2008年S1期

8 王巍;楊智春;;一種新型壓電作動器的設(shè)計及其特性研究[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報;2008年03期

9 朱華;曹如意;菅磊;;應(yīng)用于干涉顯微鏡的直線壓電作動器[J];光學(xué)精密工程;2013年06期

10 朱玉川;李宇陽;;新型集成式壓電作動器中的液壓傳動原理[J];液壓與氣動;2018年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 王帥;壓電作動器遲滯特性及六自由度主動隔振平臺控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

2 陳龍祥;結(jié)構(gòu)振動的時滯反饋控制及其實驗研究[D];上海交通大學(xué);2009年

3 王睿;雙材料作動與減振結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化[D];大連理工大學(xué);2017年

4 李巍;壓電作動器遲滯非線性建模與補(bǔ)償控制研究[D];華中科技大學(xué);2013年

5 周蘭偉;高速旋轉(zhuǎn)柔性梁振動分析與智能控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

6 王曉明;特定功能結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化[D];大連理工大學(xué);2010年

7 李華;基于壓電傳感與作動的錐殼振動特性及主動控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

8 錢承;六自由度隔振平臺實驗系統(tǒng)主被動耦合減振控制方法研究[D];湖南大學(xué);2015年

9 張鋒;基于壓電作動器的齒輪傳動系統(tǒng)振動主動控制及算法研究[D];重慶大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 楊劍之;應(yīng)用于醫(yī)療精確給藥的微型壓電驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

2 程丁繼;面向折疊機(jī)翼的雙向大推力直線壓電作動器研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

3 阮重遠(yuǎn);四轉(zhuǎn)子框架式壓電作動器的研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

4 李昕鍵;微型共軸雙螺旋槳壓電驅(qū)動方法的研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

5 王道智;新型非共振型壓電作動器與精密平臺的研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

6 邱建敏;低電壓驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)型壓電作動器研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

7 呂傳龍;壓電作動器的率相關(guān)建模與逆控制方法研究[D];西南交通大學(xué);2018年

8 張軒;基于壓電疊堆的作動器研究[D];安徽工程大學(xué);2017年

9 劉柯佳;基于柔性鉸鏈的壓電作動器優(yōu)化設(shè)計及實驗研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

10 孫運(yùn)濤;非接觸式直線型超聲壓電作動器的研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

本文編號：2889790