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摘要
毫克尺度微型仿生飞行器基于柔性高频翅拍运动的升力机制,具有柔性大变形、振动非线性、多自由度力-力矩耦合等特征,其有效升力/力矩范围处于mN/(μN·m)量级,通用力传感器较难准确测定力学参数,进而给微型仿生飞行器的设计与控制带来一定的困难。文章提出了一种面向微型扑翼飞行器的新型力-力矩传感器,它可以在固定约束条件下实现微飞行器高频扑翼运动产生的升力和力矩的测量,为扑翼飞行器控制力和力矩解耦研究提供精度较高的数据。该传感器采用对称式多悬臂梁柔顺机构将升力/力矩转化为微小形变,结合高带宽、高精度电容位移测量装置,可以采集高频振动条件下的微小升力/力矩。基于梁理论进行了传感器力学建模,并结合有限元仿真验证了原理的可行性。对被测对象微型仿生扑翼飞行器的主要测量参数范围开展结构与工艺设计,实验结果显示,该传感器的升力测量范围为-10～10mN,力矩测量范围为-20～20μN·m,特征频率为1kHz,升力和力矩的灵敏度分别为0.01mN和0.01μN·m,经验证,对整机重量在80～250mg、工作频率在1～200Hz范围的微型扑翼飞行器具有较强的适用性。
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