多级多自由度离子风飞行器

1.本发明涉及飞行器技术领域，具体地说，是一种多级多自由度离子风飞行器，可以为各种领域的轻微型无人机适用，并为飞行器发展提供了一种新的思路。


背景技术：

2.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、扑翼式飞行器，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。
3.目前无人机可以分为旋翼无人机和扑翼无人机（仿生无人机），前者需要大型运动驱动部件如马达、引擎等以保证为无人机提供足够的推升力，后者则需要设计严密的控制网络并且在制造组装工艺上存在一定的技术瓶颈。


技术实现要素：

4.本发明提出并设计了一款结构紧凑，高度精密、应用广泛的多级多自由度离子风飞行器。它可以作为绝大部分领域的无人飞行器，本发明由于是多级结构，因此各方面性能都比同样原理的单级无人机更理想。同时嵌入各种微型器件，从而实现多功能。本发明由于是借助离子发电产生的离子力作为推力，不需要在设备上添加任何动力器件，提高了推力-重量的比值的同时也减小了在三维空间中的占比。此外，单级离子风无人机所能提供的动能有限，而且由于结构较为简单，没有足够的空间可以再嵌入其他的设备，部分限制了它的工作性能和用途。因此本发明披露的多级离子风飞行器，它可以解决单级飞行器的缺陷，是一种用途范围更广的器件。
5.本发明采用的具体技术方案：一种多级多自由度离子风飞行器，由多个二极多自由度离子风飞行器衍生垂直分布组成，二极多自由度离子风飞行器包括上层极板、中层极板和下层极板，上层极板、中层极板和下层极板之间通过连接支架固定在一起，上层极板和中层极板上设置有离子发射装置，还包括传感器芯片。
6.上层极板整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为上层极板用来固定连接支架的连接孔，设定为上层极板支架连接孔，该等边三角形的边为上层极板外围支架，上层极板几何中心的位置处设置有一圆形的上层极板中心端点，上层极板中心端点向四周延伸设置有用来固定离子发射装置的固定支架设定为上层极板固定支架，上层极板固定支架的数量为三个，三个上层极板固定支架两两之间的角度为120
°
，上层极板固定支架下方固定有离子发射装置。
7.中层极板整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为中层极板用来固定连接支架的连接孔，设定为中层极板支架连接孔，该等边三角形的边为中层极板外围支架，中层极板外围支架的下方固定有离子发射装置，中层极板几何中心的位置处设置有一圆形的中层
极板中心端点，中层极板中心端点处设置有传感器芯片，中层极板中心端点向四周延伸设置有支架设定中层极板支架，中层极板支架的数量为三个，三个中层极板支架两两之间的角度为120
°
。
8.下层极板整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为下层极板用来固定连接支架的连接孔，设定为下层极板支架连接孔，该等边三角形的边为下层极板外围支架，下层极板中心设置有下层极板内部支架；中层极板支架与下层极板外围支架采用镂空结构。
9.在上述技术方案中，多级微型无人飞行器，由多个二极多自由度离子风飞行器衍生垂直分布组成，二级无人飞行器包括上下两级，总共有六块由垂直分布的排针构成的离子发射装置（长度由分布决定）、上层极板、中层极板、下层极板、六个连接支架构成。上层极板用于固定离子发射装置并稳固整体结构。在中层极板上三个对称分布的小孔用于嵌入三个连接支架，中层极板的每条边上都有一组开孔结构，用于更好的辅助电场的分布，并保证离子流动的方向与预期的方向一致，当给其加一定的负电压或者增大离子发射装置发射端与集电极的电势差时，集电极能增强正向离子的流动，从而可以增加离子风的大小。下层极板中线由一组开孔构成，用来促进离子风的流向，使得空气流向大体延着本发明所指定的理想方向，不管是上层栅栏结构还是下层开孔结构都不宜过于紧密，如果开孔太密，则不利于气体流动，同时也加大质量。
10.本发明的进一步改进，连接支架的上端由四组栅栏结构组成，连接支架的中间位置设置有两个安装槽分别为上安装槽和下安装槽，连接支架下部结构保持连接支架能水平平行立于平面。如果连接支架过长，在增大质量的同时，也会减少离子推力的大小，如果连接支架过短，当加的电场略微过大时，很容易使发射端和收集端之间形成离子导通击穿，从而会将器件烧坏，形成不可逆的破坏，同时从制造的角度来说，在连接支架过短的情况下，组装时长会大大增加，所以，控制支架也是本发明的一个值得研究的课题，一般取长度不大于150mm都是值得尝试的。
11.离子发射装置包括固定离子发射级排针的长条装置，长条装置的两端设置有勾角卡扣便于固定在连接支架顶部四组栅栏构成的空隙处，离子发射级排针的角度在5
°
到15
°
之间。由于离子发射级排针是微型5
°
到15
°
尖角垂直于长条装置，故大部分被排斥的正离子都会向三维水平放置的收集端方向移动，进而推动其余离子带电且往收集端方向移动，最终形成离子风推动飞行器进行飞行操作。
12.传感器芯片通过环氧树脂固定在中层极板中心端点处，传感器芯片采用九轴惯性传感器芯片，内置有三个加速度计、三个翻转角度计和三个磁强度计，通过传输线将数据传入电脑从而获取飞行信息。同时置入轨道跟踪，实现智能测控。
13.本发明的进一步改进，上层极板、中层极板和下层极板采用导电材料制成，如钛合金箔、铝箔或者硅箔等；连接支架材料绝缘材料制成，如pet薄膜；上层极板、中层极板和下层极板与连接支架的连接点处用环氧树脂加固。
14.由于微型飞行器本身尺寸很小，任何微小的毛刺或者是误差都会对结果产生巨大的干扰和影响，所以本技术中的各个部件的制造工具采用了激光切割机：光纤激光切割和紫外激光切割机都可以作为制作器件。由于光纤激光切割机通过振镜扫描的方式加工，切割功率高，切割时间短，但是边缘会有严重的碳化，容易产生变形，甚至有毛刺；而紫外激光切割机加工效率比光纤激光切割机低，切割时间长，但加工成品的效果好，边缘无毛刺、碳
化程度低、边缘不会因为热影响而变形。在本发明中，当上层极板、中层极板和下层极板时采用紫外激光切割机，而其余时候采用光纤激光切割机。
15.在本发明中，所述的上层极板和中层极板组合或中层极板和下层极板组合都可以作为一种单极的离子风飞行器，同理亦可将所述的多级多自由度离子风飞行器相叠加组合，并不仅仅局限于二级双层结构。本发明的有益效果：本发明在每层离子发射装置的发射端都分别通入三个可独立寻址的高压直流电，在初始阶段，这些电压都是恒定的量，确保在起飞的步骤中飞行器能保持稳定的水平姿态，随后，通过将内置9轴-惯性传感器芯片传输的数据读出，将高度、姿态、加速度传入电脑算法，进行运算，再将运算值通过数据-电压算法传到电源控制端，通过改变可单独寻址电压对无人飞行器进行飞行状态的调整。本发明由于是多级结构，因此各方面性能都比同样原理的单级无人机更理想，同时每一级亦可作为单独的一个单极离子风飞行器，在其中嵌入各种微型器件，从而实现多功能。
附图说明
16.图1为本发明中二极多自由度离子风飞行器的立体结构示意图。
17.图2为图1中上层极板的结构示意图。
18.图3为图1中中层极板的结构示意图。
19.图4为图1中下层极板的结构示意图。
20.图5为图1中连接支架的结构示意图。
21.图6为图1中离子发射装置的结构示意图。
22.图7为本发明的整体电路连接示意图。
23.图8为本发明的整体电路控制连接示意图。
24.图中，1-上层极板，2-中层极板，3-下层极板，4-连接支架，5-离子发射装置，6-传感器芯片，101-上层极板支架连接孔，102-上层极板固定支架，103-上层极板外围支架，104-上层极板中心端点，201-中层极板支架连接孔，202-中层极板支架，203-中层极板外围支架，204-中层极板中心端点，301-下层极板支架连接孔，302-下层极板内部支架，303-下层极板外围支架，401-栅栏，402-可裁部件，403-上安装槽，404-下安装槽，405-下部结构，501-长条装置，502-发射级排针，503-勾角卡扣。
实施方式
25.为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
26.实施例：如图1所示，一种多级多自由度离子风飞行器，由多个二极多自由度离子风飞行器衍生垂直分布组成，二极多自由度离子风飞行器包括上层极板1、中层极板2和下层极板3，上层极板1、中层极板2和下层极板3之间通过连接支架4固定在一起，上层极板1和中层极板2上设置有离子发射装置5，还包括传感器芯片6。
27.如图2所示，上层极板1整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为上层极板1用来固定连接支架的连接孔，设定为上层极板支架连接孔101，该等边三角形的边为上层极板外围支架103，上层极板1几何中心的位置处设置有一圆形的上层极板中心端点104，上层极
板中心端点104向四周延伸设置有用来固定离子发射装置5的固定支架设定为上层极板固定支架102，上层极板固定支架102的数量为三个，三个上层极板固定支架102两两之间的角度为120
°
，上层极板固定支架102下方固定有离子发射装置5。
28.如图3所示，中层极板2整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为中层极板2用来固定连接支架4的连接孔，设定为中层极板支架连接孔201，该等边三角形的边为中层极板外围支架203，中层极板外围支架203的下方固定有离子发射装置5，中层极板2几何中心的位置处设置有一圆形的中层极板中心端点204，中层极板中心端点204处设置有传感器芯片6，传感器芯片6通过环氧树脂固定，传感器芯片6采用九轴惯性传感器芯片，内置有三个加速度计、三个翻转角度计和三个磁强度计，通过传输线将数据传入电脑从而获取飞行信息，中层极板中心端点204向四周延伸设置有支架设定中层极板支架202，中层极板支架202的数量为三个，三个中层极板支架202两两之间的角度为120
°
，中层极板1支架采用镂空结构。
29.如图4所示，下层极板3整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为下层极板3用来固定连接支架4的连接孔，设定为下层极板支架连接孔301，该等边三角形的边为下层极板外围支架302，下层极板3中心设置有下层极板内部支架303，下层极板外围支架302采用镂空结构。
30.连接支架4的上端由四组栅栏401结构组成，共留有三组空隙结构，便于连接固定，同时也要保持三组支架的三维空间结构一一对称，不然产生的力会不一致，在后续的控制中也会产生不可估量的干扰，连接支架4的中间设置有可裁部件402，本发明尺寸较小，在进行激光切割时，很容易将连接支架4熔断导通，在连接支架4中加入该可裁部分402，在组装过程中将中间的部分裁去并用少量的环氧树脂将上下两部分连接起来，其中连接支架4还设置有两个安装槽分别为上安装槽403和下安装槽404，中层极板2从连接支架4上端滑入，自然卡至上安装槽403的位置，下层极板3卡入下安装槽404的位置。连接支架4下部结构405保持连接支架能水平平行立于平面。
31.如图6所示，离子发射装置5包括固定离子发射级排针503的长条装置501，长条装置501的两端设置有勾角卡扣502便于固定在连接支架4顶部四组栅栏401构成的空隙处，离子发射级排针503的角度在5
°
到15
°
之间，每个针的角度可为5
°
到15
°
，排针整齐的排列在发射端，给其接入高向正电压可以使周围空气部分电离，产生的正离子向针尖所示；在制造时，应选择合适的激光切割机和适宜的功率，否则成品会有严重的碳化反应和光斑。由于本发明需要多组不同规格的发射端，因此需要根据不同的需求更改发射端的长度，按比例缩放即可。
32.图7为本发明的整体电路连接示意图，上层极板的离子发射装置连接到高压电源的正极，中层极板连接到高压电源的负极或接地，中层极板的离子发射装置连接到高压电源的正极，下层极板连接到高压电源的负极。中层极板既为上一级离子发射装置收集带电离子风，同时也为下一级连接固定离子发射装置，起到承上启下的作用，通过给其接入负电压或者接地，与上一级发射端之间形成电势差，可用于接受上一级离子发射装置传入的带电正离子，并一定程度上规范离子的流通方向和轨迹。下层极板通过给其接入负电压或者接地，与中层极板之间形成电势差，可用于接受上一级离子发射装置传入的带电正离子，并一定程度上规范离子的流通方向和轨迹。
33.图5为多级离子风无人机的电路连接方式，通过将两个正电压分别连接到上下两层的发射级，从而产生从发射级到收集级的定向离子风，通过改变电压，可以控制离子风速的大小，进而形成定向、定速控制。
34.图8为本发明的整体电路控制连接示意图，通过对嵌入离子风飞行器的传感器芯片传输的数据进行pid控制与分析，可以对上下两层的输入电压值进行智能调控，实时改变电源的输入值，从而能实现离子风飞行器的自稳态巡航和遥控飞行方向等功能。同时，连接线采用的是0.02mm的飞线，在有效的传输电压的同时也能起到良好的绝缘作用，同时其本身的重量也可以忽略不计。
35.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，同时，也未对多级离子风飞行器进行具体的图片展示，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

技术特征：
1.一种多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，由多个二极多自由度离子风飞行器衍生垂直分布组成，所述二极多自由度离子风飞行器包括上层极板、中层极板和下层极板，所述上层极板、中层极板和下层极板之间通过连接支架固定在一起，所述上层极板和中层极板上设置有离子发射装置，还包括传感器芯片。2.根据权利要求1所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述上层极板整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为上层极板用来固定连接支架的连接孔，设定为上层极板支架连接孔，该等边三角形的边为所述上层极板外围支架，所述上层极板几何中心的位置处设置有一圆形的上层极板中心端点，所述上层极板中心端点向四周延伸设置有用来固定离子发射装置的固定支架设定为上层极板固定支架，所述上层极板固定支架的数量为三个，三个上层极板固定支架两两之间的角度为120
°
，所述上层极板固定支架下方固定有离子发射装置。3.根据权利要求2所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述中层极板整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为中层极板用来固定连接支架的连接孔，设定为中层极板支架连接孔，该等边三角形的边为所述中层极板外围支架，所述中层极板外围支架的下方固定有离子发射装置，所述中层极板几何中心的位置处设置有一圆形的中层极板中心端点，所述中层极板中心端点处设置有传感器芯片，所述中层极板中心端点向四周延伸设置有支架设定中层极板支架，所述中层极板支架的数量为三个，三个中层极板支架两两之间的角度为120
°
。4.根据权利要求3所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述下层极板整体为等边三角形，该等边三角形的三个角为下层极板用来固定连接支架的连接孔，设定为下层极板支架连接孔，该等边三角形的边为所述下层极板外围支架，所述下层极板中心设置有下层极板内部支架。5.根据权利要求4所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述连接支架的上端由四组栅栏结构组成，连接支架的中间位置设置有两个安装槽分别为上安装槽和下安装槽，连接支架下部结构保持连接支架能水平平行立于平面。6.根据权利要求4所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述离子发射装置包括固定离子发射级排针的长条装置，所述长条装置的两端设置有勾角卡扣便于固定在所述连接支架顶部四组栅栏构成的空隙处，所述离子发射级排针的角度在5
°
到15
°
之间。7.根据权利要求5所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述传感器芯片通过环氧树脂固定在所述中层极板中心端点处，所述传感器芯片采用九轴惯性传感器芯片，内置有三个加速度计、三个翻转角度计和三个磁强度计。8.根据权利要求1-7任一项所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述上层极板、中层极板和下层极板采用导电材料制成，所述连接支架材料绝缘材料制成，所述上层极板、中层极板和下层极板与所述连接支架的连接点处用环氧树脂加固。9.根据权利要求8所述的多级多自由度离子风飞行器，其特征在于，所述中层极板支架与所述下层极板外围支架采用镂空结构。

技术总结
本发明涉及飞行器技术领域，具体地说，是一种多级多自由度离子风飞行器，由多个二极多自由度离子风飞行器衍生垂直分布组成，所述二极多自由度离子风飞行器包括上层极板、中层极板和下层极板，所述上层极板、中层极板和下层极板之间通过连接支架固定在一起，所述上层极板上设置和中层极板上设置有离子发射装置，还包括传感器芯片，本发明可以作为微型、小型和基础无人飞行器使用，可以灵活的改变飞行姿态，同时置入轨道跟踪，实现智能测控。本发明可以将大部分中小微型器件嵌入其中，实现多功能离子风无人机。离子风无人机。离子风无人机。


技术研发人员：李巍 顾洋
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/6/7