超高分辨柔性流場感知系統(tǒng)
與高速飛行的飛機不同，微小型無人機體積小，重量輕，飛行速度低，更容易受到環(huán)境湍流的影響，需要高靈敏度的小型氣流傳感器提供全面的空氣動力學(xué)信息。如何讓微小型無人機像鳥類一樣感知和操縱氣流一直是航空和傳感器領(lǐng)域的難題。
面向微小型無人機的飛行參數(shù)測量，北航研發(fā)團隊研制出一種基于氧化釩的高靈敏度柔性流速傳感器，實現(xiàn)了0.11 mm/s和0.1°的超高流速和角度分辨力，實驗驗證了攻角、側(cè)滑角和空速的多參數(shù)感知能力，并完成了微小型無人機飛行速度以及機翼微振動的測量，為微小型無人機提供了低成本、高精度的大氣參數(shù)傳感方案。
該傳感器基于量熱式原理，由中心微加熱器產(chǎn)生恒定溫差，四周的熱敏電阻陣列測量溫度分布，根據(jù)熱敏電阻陣列測得的溫度差準(zhǔn)確反映流速大小及方向。采用懸空型隔熱結(jié)構(gòu)以及高電阻溫度系數(shù)材料氧化釩作為熱敏電阻以增大傳感器的測量靈敏度。在聚酰亞胺基底上通過MEMS工藝加工了總厚度90μm的超薄柔性流速傳感器，實現(xiàn)了微小型無人機的曲面貼附功能。經(jīng)風(fēng)洞測試，流速傳感器的理論分辨力達0.11 mm/s,流速測量重復(fù)精度約為測量值的0.5%，響應(yīng)時間約為20ms。在10 m/s時，流速傳感器的最大角度靈敏度為36.7 mV/deg，噪音水平為1.78 mV，根據(jù)2σ準(zhǔn)則計算出其理論角度分辨力為0.1°。
研究團隊已經(jīng)完成流速傳感器工程化樣品的制備，并將兩個流速傳感器裝載到一個微小型無人機平臺上進行飛行參數(shù)感知應(yīng)用。結(jié)果表明平均飛行速度的估計誤差低于0.2 m/s。由于流速傳感器的高靈敏度特性，它甚至捕捉到了機翼的微振動信息，并與外置IMU模塊顯示了相同的機翼振動頻率。這項研究展示了一種柔性高靈敏度流速傳感器，拓寬了流場感知在微小型無人機姿態(tài)檢測、空速估計以及飛行安全監(jiān)測方面的應(yīng)用，為無人機的飛行參數(shù)測量提供了創(chuàng)新的設(shè)計思路與發(fā)展前景。
北京航空航天大學(xué)
2024-07-08
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