一种与无人飞行器机翼一体式集成的振动能量采集器件

本发明涉及用于与飞机配合或装到飞机上的设备，尤其涉及一种与无人飞行器机翼一体式集成的振动能量采集器件。

背景技术：

1、电源能量供给是影响无人飞行器长航时飞行可靠性的关键技术。虽然借助微电子技术和低功耗技术，智能管理信息传感、数据处理和传输单元的能耗、电子器件及系统的功耗均已经可以实现大幅降低。但是由于固有供能单元负荷过重，电源能量供给不足仍然是无人飞行器长航时飞行所面临的技术瓶颈。

2、众所周知，空天环境中存在着各种形式能量，如太阳能、振动能、风能等。因此，如何摄取环境泛在能量并将其转换为电能，为无人飞行器供电是打破传统供电限制的关键所在。

3、公开号为cn116902246a的现有技术中公开了在无人机调节板上安装太阳能电池板已保证无人机能在运行时蓄能；公开号为cn116692069a的现有技术公开了一种潜伏式?？湛缬蛭奕嘶?，在其潜伏舱的外表面固定安装太阳能板电池，为内部元件和复合翼无人机供电。上述两篇现有技术均通过收集太阳能来转化为电能，但是这种方式存在不稳定性，除此之外电池供电续航有限。因为受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，导致太阳能供能器件的能量供给不稳定，无法保证无人飞行器稳定飞行。

4、无人飞行器异型机翼表面受弹性力、气动力和惯性力耦合作用会发生振幅不衰减的自激振动（颤振），虽然通过更改配重、增加阻尼等方式可有效减弱机翼颤振现象，但是该现象无法完全消除。因此机翼自激振动产生的振动能无法有效收集，不仅造成能量浪费，还会影响无人飞行器的稳定飞行。若对上述自激振动能量加以采集并为无人飞行器的通信、导航、传感等小型电子系统供电，将有效减小其固有供能单元的负荷，进而在保证高机动性条件下有望提升整体航时。

技术实现思路

1、为克服现有无人飞行器通过太阳能供能不够稳定，电池供电续航有限，且机翼自激振动产生的振动能无法有效收集利用的技术缺陷，本发明提供了一种与无人飞行器机翼一体式集成的振动能量采集器件。

2、本发明提供了一种与无人飞行器机翼一体式集成的振动能量采集器件，包括一个或多个呈直六棱柱状的筒体，所有筒体连接形成蜂窝状结构，所述筒体中设置有柔性薄膜，所述柔性薄膜的左右两端固定至所述筒体中相对的一组内棱上，所述柔性薄膜包括依次堆叠的第一负性薄膜、第一负电极层、第一压电薄膜、第一压电式正电极层、中间间隔层、第二压电式正电极层、第二压电薄膜、第二负电极层以及第二负性薄膜，所述第一压电式正电极层与所述中间间隔层之间设置有第一永磁体，所述第二压电式正电极层与所述中间间隔层之间设置有第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体相吸附；靠近所述第一负性薄膜的筒体内壁上铺覆有与第一负性薄膜配合的第一正电极层，靠近所述第二负性薄膜的筒体内壁上铺覆有与第二负性薄膜配合的第二正电极层；所述第一正电极层上固定连接有与所述第一永磁体位置对应的第一柔性线圈，所述第二正电极层上固定连接有与所述第二永磁体位置对应的第二柔性线圈。

3、其中，当所述筒体的数量很多时，多个筒体连接即可形成蜂窝状结构，当所述筒体的数量为一个时，则形成特殊的单蜂格蜂窝状结构，采用单个筒体或者多个筒体，具体根据需求选择制备不同结构尺寸以及不同阵列层数的蜂窝状结构，可根据异形机翼的结构进行选择。本发明中，每个筒体中均包括两个摩擦电能量采集器、两个压电式能量采集器以及两个电磁式能量采集器。两个摩擦电能量采集器分别由第一正电极层、第一负性薄膜和第一负电极层以及第二正电极层、第二负性薄膜和第二负电极层组成。两个压电式能量采集器分别由第一负电极层、第一压电薄膜和第一压电式正电极层以及第二负电极层、第二压电薄膜和第二压电式正电极层组成。其中一个电磁式能量采集器分别由第一柔性线圈、第一永磁体和第二永磁体组成，另一个电磁式能量采集器由第二柔性线圈、第一永磁铁和第二永磁体组成。其中相邻的摩擦电能量采集器与压电式能量采集器共用同一个摩擦式/压电式负电极层，这样保证了筒体振动的过程中实现摩擦和压电信号的零相位差输出。本发明所述振动能量采集器件可集成至无人飞行器的机翼中，既可以减轻机翼的重量，又可以对机翼的自激振动进行能量高效率收集。

4、异形机翼发生变形时，异形机翼内部的振动能量采集器件整体也发生形变，单个筒体及其内部的柔性薄膜整体会发生形变，蜂窝状结构具有良好的形变特性和自恢复特性，因此赋予振动能量采集器件优异的可赋型性，可与异形机翼一体式集成；并随异形机翼压缩、弯曲而产生响应形变。振动能量采集器件在振动状态下，其内柔性薄膜发生运动。当异形机翼振动时，固定在柔性薄膜中的相吸附的第一永磁体和第二永磁体因自身重量也会在筒体内来回震动，带动柔性薄膜发生振动，进而引起正电极层和负性薄膜的接触与分离；引起摩擦式/压电式负电极层、压电薄膜以及压电式正电极层产形变；引起第一永磁体、第二永磁体在第一柔性线圈处磁通量的变化，引起第一永磁体、第二永磁体在第二柔性线圈处磁通量的变化，从而实现摩擦电式、压电式及电磁式三种换能机制，能够将异形机翼的振动能高效采集并转换为电能。

5、具体实施例中，第一压电薄膜和第二压电薄膜采用锆钛酸铅、锆钛酸钡钙、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、钛酸钡或铌酸锂中的一种或几种制成。本发明选择的第一柔性线圈和第二柔性线圈，是高密度堆叠柔性微线圈，解决了刚性线圈延展性和柔韧性差，以及匝数受限等问题。柔性线圈的制备过程为：在刚性基底表面进行微加工，待高密度多层堆叠线圈制备完成后，通过可控剥离方法将制备在刚性基底上的平面高密度多层堆叠线圈转移至柔性基底上，再通过腐蚀工艺去除多余功能层。设置第一永磁体和第二永磁体为提升受限空间内电磁发电能量最大化。

6、优选的，第一负性薄膜的外侧壁上以及第二负性薄膜的外侧壁上设置有金字塔纳米微结构、纳米线微结构或四棱台纳米微结构。这些微结构是借助微米纳米加工工艺制备出来的。在第一负性薄膜的外侧壁以及第二负性薄膜的外侧壁上设置微结构以进一步增强比表面积，进而增强摩擦式发电的输出功率，提高发电量。

7、优选的，第一柔性线圈和第二柔性线圈均为单层线圈或多层堆叠线圈。具体可根据实际需要来选择。

8、优选的，所述筒体通过熔融沉积快速成型3d打印工艺并采用pu、pi、pla（聚乳酸）或tpu材料制成。具体可根据实际需要来选择，制备出刚度、柔度适中，且满足要求的筒体，以配合柔性薄膜，实现振动能量的高效采集。

9、优选的，所述柔性薄膜的左右两端与所述筒体中内棱处的固定方式为粘接。这样设置结构合理，还可以选择本领域技术人员熟知的其他固定连接方式。

10、本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下有益效果：本发明所述蜂窝状结构具有良好的形变特性和自恢复特性，因此赋予振动能量采集器件优异的可赋型性，可与异形机翼一体式集成，振动能量采集器能随异形机翼压缩、弯曲而产生响应形变；而且本发明中，每个筒体中均包括两个摩擦电能量采集器、两个压电式能量采集器以及两个电磁式能量采集器；因此能实现摩擦电式、压电式及电磁式三种换能机制相结合，能够将异形机翼的振动能高效采集并转换为电能，可为无人飞行器的通信、导航、传感等小型电子系统供电，将有效减小其固有供能单元的负荷，进而在保证高机动性条件下有望提升整体航时。