2厘米级旋翼型微型飞行器研究与设计

《2厘米级旋翼型微型飞行器研究与设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、上海交通大学博士学位论文厘米级旋翼型微型飞行器研究与设计姓名：肖永利申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：张琛2001.3.1上海交通大学博士学往论文厘米级旋翼型微型飞行器研究与设计摘要ff近年来，随着微米纳米科技和微电子机械系统(ⅫBMs)的蓬勃兴起，微型化技术越来越受到科技界的广泛关注。现如今，微型化技术已超越了自身单一的研究范畴，开始向多功能、集成化的系统方向发展，并迅速向其它许多技术领域广泛渗透，微型飞行器就是其中之一。微型飞行器体积微小的特点使它可以在小范围、复杂环境内进入使用者不能或不宜进入的区域完成侦察

2、和监测等任务，从而为解决狭小空间和特殊条件下的信息获取与传递问题提供了一种很好的选择手段。根据携带的传感器不同，它们可以在交通监管、通讯中转、宇航探测和野外探险等方面发挥重要作用。由于体积微小，微型飞行器在执行任务时隐蔽性很强，这非常符合军事使用要求，所以微型飞行器在军事上的应用更具有深远意义，其前景也将超过它在民用领域内的用途。另外，具备协调能力的微型飞行器群还具有更强的使用功能。鉴于上述独特优点及潜在的应用价值，世界各发达国家近年来对开展微型飞行器研制工作非常重视，纷纷从人力和物力等方面增加投入，大大加强了这一领域内的研究力度

3、。微型飞行器的研制是一项包含了多种交叉学科的高、精、尖技术，其研究水平在一定程度上可以反映一个国家在MEMs技术领域内的实力。它的研制不仅是对其自身问题的解决，更重要的是，还能对其它许多相关技术领域的发展起到积极的推动作用。当前，微型飞行器的研究还处在初级发展阶段，特别是尺寸只有几个厘米甚至几个毫米的微型飞行器更是如此，而这种发展状况无疑给我们提供了广阔的研究空间和跟踪国际前沿科技发展的契机。尽可能将微型飞行器缩小是所有研制者共同追求的目标。从目前国内外的研究情况来看，微型飞行器各方向上的最大尺寸均不超过15厘米。而尺寸越小，微型

4、飞行器的隐蔽性就越好，活动空间也可以更狭窄，当然，研制难度也将随之大大增加。美国加州大学伯克利分校和staI面rd大学等机构目前正在着手研制只有几个厘米大小的微型飞行器。日本东京大学则从93年至今一直就毫米级微型飞行器进行着广泛而深入的研究。本文在国家总装备部的资助下，根据自身现有的加工能力和部分技术优势，最终确定选择几个厘米尺度的微型飞行器作为我们现阶段的研究对象。微型飞行器不是大型飞机的简单缩小，也不同于一般的航模飞机，除了大小上的区别外，尺寸效应也迫使微型飞行器在外型设计、整体结构以及加工制作方法等摘要方面较多地采用了新的概

5、念。尺寸的缩小给研制微型飞行器带来了许多难以想象的困难，例如低雷诺数下的空气动力学特性，飞行动力及能源问题，控制与导航设备以及通讯传输等技术难点，都是微型飞行器进一步发展所面临的严峻挑战。微型飞行器的研究领域十分广阔，随着研究的不断深入，其研究范畴也还在继续扩大。，本课题不可能将所有问题都包含其中，而只能就其中的部分问题开展一些探索性的研究工作。目的是充分发挥作者所在单位在微米纳米加工技术及微电子机械系统研究中的某些优势，通过相关内容的研究，初步掌握厘米级微型飞行器研制中的部分关键技术和关键部件设计；在有限的技术条件下，设计制作出

6、具有离地起飞能力的厘米级微型飞行器；同时对微型飞行器的低雷诺数空气动力学特性、可控制的结构设计、数学模型、姿态及运动位移测量、以及控制方法等问题做必要的研究，为最终研制能自主飞行的微型飞行器做好必要的准备工作。本文的具体研究内容及主要工作可概括为以下几个方面：1．分析了固定翼、旋翼和扑翼三种飞行方式的飞行机理，针对飞行器微型化后尺寸效应带来的影响，总结比较了它们各自的优缺点。结合自身技术优势，提出在现阶段采用旋翼飞行方式设计厘米级微型飞行器具有较强的可行性。2．微型飞行器的雷诺数极低，导致其空气动力学特性与传统飞机有很大差别。针对

7、这一问题，本文分析了低雷诺数二维翼型的空气动力学特性，并运用修正后的组合动量法和叶素法研究了微型旋翼空气动力的理论近似计算问题。结合现有的技术加工能力，提出了超薄平板型无扭转梯形形状的微型旋翼桨叶设计方案，为短期内研制出具有离地起飞能力的微型飞行器提供了一种较好的研究思路。3．结合微细加工技术，对微型旋翼的加工制作方法作了研究。设计制作了可在微型飞行器上使用的直径仅14mm的微型旋翼，并对旋翼驱动器——直径2衄电磁型微电机的性能作了改进。根据杠杆原理，设计制作了一台具有一定测量精度的微型旋翼拉力测量装置，解决了现阶段微型旋翼拉力的

8、实验测量问题，并对微型旋翼性能改进起到了关键性的指导作用。采用珩架结构，研制出一架能在实验平台上离地起飞的双旋翼微型直升机。4．为了从根本上解决几个厘米大小微型飞行器的可控性问题，并避开使用复杂的机械传动机构，本文对一种四旋翼结构形式的微型飞行器进