基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法技术

本发明专利技术涉及一种基于错位针

【技术实现步骤摘要】
基于错位针
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线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法


[0001]本专利技术涉及固态飞行器
，具体涉及一种基于错位针
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线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法。

技术介绍

[0002]航空飞行器是现代社会不可或缺的交通运输工具，广泛用于军事、民用领域。传统的航空飞行器包括固定翼、旋翼式、扑翼式三种，其一般采用燃油动力、电动力发动机驱动螺旋桨、涡轮风扇、扑翼等可动部件进而产生推进力，或采用化学燃料燃烧喷射形成推进力实现飞行。此类飞行器存在机构庞杂、能量转化效率低、噪声大等诸多缺陷。离子风固态飞行器是一种无可动部件的新型飞行器，由于采用毕费尔德
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布朗效应力作为推进动力，其具有能量转化效率高、机构简单、噪声小、可靠性高等特点。目前已有的离子风飞行器采用毕费尔德
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布朗效应力发生器只作为动力源驱动机体滑翔飞行或悬停飞行，无法高效的实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态控制。
[0003]传统的离子风飞行器通常将毕费尔德
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布朗效应力发生器作为推进动力推动固定翼构造的机身滑翔飞行，如2018年麻省理工学院团队打造了一架固定翼离子风推进器，翼展5米，重2.45公斤，在平均高度仅0.47米的情况下能持续飞行60米，是离子风飞行器里程碑式的突破，但目前仅通过离子风作为推进力，还无法实现姿态控制飞行。另一种离子风飞行器利用毕费尔德
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布朗效应力发生器产生的净推力直接克服自身重力实现悬停或机动飞行，在这类应用方式中，毕费尔德
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布朗效应力发生器产生的作用力是单维力，只能实现基本的俯仰、横滚控制，如中国专利CN 2874916Y公开了一种静稳定飘升机，该飘升机只能实现俯仰，翻滚，上升三个自由度的控制，其使用场景受到了大大的限制；中国专利CN 113401343A公开了一种可多自由度控制的类四旋翼离子风飞行器，其提出使用了四个离子风驱动器及四个舵机，通过八个驱动器实现多自由度控制，但额外的驱动器大大浪费了飞行器的效率，提高了控制复杂度。美国伯克利大学研发了一种离子风飞行器，由四组基于针
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网电极结构的力发生器构成，实现俯仰，横滚，平动三自由度可控飞行，但由于离子风力发生器没有螺旋桨，无法类似四旋翼利用角动量产生偏航力矩，而针
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网电极结构也无法通过错位实现倾斜力效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于错位针
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线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法，该飞行器及其操控方法能够解决现有技术中的不足，通过四组离子风力发生器可以使机体产生向上飘升的推进力和使机体自旋的偏航力矩，从而实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态可控飞行。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]在本专利技术的第一方面，公开了一种错位针
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线结构的可自旋式多自由度固态飞行
器，该固态飞行器包括支架和安装在支架上的多个力发生器。
[0007]所述力发生器包括线电极板和位于线电极板上方且相互平行的多个针电极；
[0008]所述线电极板包括平行设置的多个线电极单元、将各个线电极单元的第一端连接在一起的第一固定件和将各个线电极单元的第二端连接在在一起的第二固定件；
[0009]所述多个针电极与多个线电极单元交错分布。
[0010]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一固定件和所述第二固定件上均设有第一安装部。
[0011]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极的两端分别通过针电极柱固定在线电极板的两侧。
[0012]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极包括针电极板和设置在针电极板上的多个针电极单元。所述针电极和与其相邻的两个线电极单元之间的垂直距离不相等。
[0013]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极柱包括针电极柱主体、设置在针电极柱主体上端的第二安装部和设置在针电极主体下端的第三安装部。
[0014]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极连接高压电源正极，所述线电极单元连接高压电源接地电极。
[0015]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述力发生器的数量为四个，分别为第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器；
[0016]所述第一力发生器位于第一象限，第二力发生器位于第二象限，第三力发生器位于第三象限，第四力发生器位于第四象限；
[0017]所述第一力发生器与第二力发生器对称设置，所述第三力发生器与第四力发生器对称设置。
[0018]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一力发生器与第二力发生器的对称轴及第三力发生器与第四力发生器的对称轴均为Roll轴；与所述Roll轴垂直且与Roll轴位于同一平面的坐标轴为Pitch轴；所述Roll轴与Pitch轴的交点为机体的几何中心。
[0019]如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支架包括平行设置的第一固定板、第二固定板和第三固定板，连接在第一固定板的中段与第二固定板的中段之间的第一连接板，连接在第二固定板的中段与第三固定板的中段之间的第二连接板；
[0020]所述第一固定板、第二固定板和第三固定板上均设有多个针电极柱安装部和多个线电极板安装部。
[0021]在本专利技术的第二方面，公开了一种上述固态飞行器的操控方法，该方法包括以下步骤：
[0022](1)升力控制
[0023]向第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器施加相同的电压，同步增大或减少四个力发生器的施加电压，改变机体受到的升力大小，实现机体的升降运动。
[0024](2)横滚控制
[0025]偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使机体Roll轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕Roll轴旋转的力矩，实现机体的横滚运动。
[0026](3)俯仰控制
[0027]偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使机体Pitch轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕Pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动。
[0028](4)偏航控制
[0029]偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使第一力发生器及第四力发生器产生的偏航力矩大于或小于第二力发生器及第三力发生器产生的偏航力矩，从而使机体产生向右或向左的偏航力矩，实现机体的偏航控制。
[0030]和现有技术相比，本专利技术的优点为：
[0031]本专利技术提出了一种基于错位针
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于错位针
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线结构的可自旋式多自由度固态飞行器，其特征在于，包括支架和安装在支架上的多个力发生器，所述力发生器包括线电极板和位于线电极板上方且相互平行的多个针电极；所述线电极板包括平行设置的多个线电极单元、将各个线电极单元的第一端连接在一起的第一固定件和将各个线电极单元的第二端连接在在一起的第二固定件；所述多个针电极与多个线电极单元交错分布。2.根据权利要求1所述的固态飞行器，其特征在于，所述第一固定件和所述第二固定件上均设有第一安装部。3.根据权利要求1所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极的两端分别通过针电极柱固定在线电极板的两侧。4.根据权利要求3所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极包括针电极板和设置在针电极板上的多个针电极单元；所述针电极和与其相邻的两个线电极单元之间的垂直距离不相等。5.根据权利要求3所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极柱包括针电极柱主体、设置在针电极柱主体上端的第二安装部和设置在针电极主体下端的第三安装部。6.根据权利要求4所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极连接高压电源正极，所述线电极单元连接高压电源接地电极。7.根据权利要求1～6任意一项所述的固态飞行器，其特征在于，所述力发生器的数量为四个，分别为第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器；所述第一力发生器位于第一象限，第二力发生器位于第二象限，第三力发生器位于第三象限，第四力发生器位于第四象限；所述第一力发生器与第二力发生器对称设置，所述第三力发生器与第四力发生器对称设置。8.根据权利要求7所述的固态飞行器，其特征在于，所述第一力发生器与...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈池来，吴青楠，马贺，潘敏，陈圳，田钰强，贡培艺，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：