基于蜜蜂平衡棒的仿生MEMS导航传感器的设计与仿真_刘尧

项目来源: 国家 973 项目( 2012CB723404 ) 收稿日期: 2012－06－08 修改日期: 2012－08－24
上实现了自动驾驶。2000 年 美 国的 W． C． Wu 等 人 设计了一种压 电 单 晶 片 驱动 的平 衡 棒 航功能。 随着科学技术的新发展， 器件向着小尺寸、 低功 MEMS 耗、 可集成化的方向发 展，
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， 并将 其
应用在微型机器 果 蝇 ( MFI ) 上， 实现了对 MFI 的 导
( 微 机 电系统 ) 是
以微米纳米技术为基础， 对微型化的结构进行设计、 加工 ， 是 21 世纪 的 新 兴 科学， 推 动 现 有 机 械 结构 朝 着小 尺寸、 低 功 耗、 批 量 化、 低 成 本 的 方 向 发 展。 本 文通过对 蜜 蜂 平 衡 棒 的 仿 生 研 究， 结 合 MEMS 技 术， 设计仿 生 MEMS 三 维 角速 度 传 感 器， 解 决 传统 导航传感器体积大、 检测维数单一的缺点。
第 10 期
刘
尧， 唐
军等: 基于蜜蜂平衡棒的仿生 MEMS 导航传感器的设计与仿真 进行三维方向上角速度的分离。
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平衡 棒 所 受 到 的 哥 氏 力 均 指 向 X 轴 的 正 方 向， 使得 左右平衡棒同时向身体内侧弯曲， 具有相同的相位。 定义 翻滚 角速 度 Ω pitch 为 5 rad / s， 同 理 可 算出 左右 平衡棒所产生的 哥 氏 力， 得 到图 5 ( b ) 的 仿 真 结果， l和 可以 看 出， 左右 平 衡 棒 根 部 受 到 的 哥 氏 力 F cyF cyr 的频率都为 ω， 并且相位相同。
2 2* 2 2 LIU Yao1 ， ， TANG Jun1 ， ， LIU Jun1 ， ， CAO Weida1 ， ( 1 ． Key Laboratory of Instrumentation Science ＆ Dynamic Measurement( North University of China) ， Ministry of Education) Taiyuan 030051 ， China; 2 ． Science and Technology on Electronic Test ＆ Measurement Laboratory( North University of China) ， Ministry of Education) Taiyuan 030051 ， China)
kg， 定义竖直方向速度沿 Z 轴正方向为正，
水平方向速度以指向身体为正。得到 速 度 的水平分 量 Vh 与竖直速度分量 Vv 如图 3 所示， 从图 3 可 以 看 出， 水平 速 度 Vh 的 频 率 为 2ω， 竖 直 速 度 Vv ， 频率 为 ω。
图3
平衡棒振动速度仿真图
1． 2
图1 蜜蜂平衡棒结构示意图
－5 －7 N / ( ʎ· s －1 ) ， s －1 ) 。 偏航角速度产生的哥氏力为 7． 58ˑ10 N / ( ʎ·
关键词: 仿生 MEMS; 三维角速度传感器; 有限元分析; 蜜蜂平衡棒 中图分类号: TP212 文献标识码: A 文章编号: 1004 －1699 ( 2012 ) 10 －1395 －05 仿生学作为一 门 涉 及 多学科的 新 兴 学科， 一直 在为工程科学的 创 新 提 供源源 不断 的 活力， 通过 仿 生学的研究解决了工程应用问题中的一些关键科学 技术问题， 例如: 通过对 萤火虫 的 发 光 机 理 研究， 发 明了日光灯; 通过对电鱼放电的奥秘进行探究， 发明 了最早的伏特电池; 通过对 长 颈鹿 的 皮肤 构 造 进 行 —“抗 荷 服 ” ， 探究， 研制 了飞 行 服 正 是 因为 这 些创 新使得许多技术得到了快速发展。平衡棒是蜜蜂身 体的一个微小器官， 他具有敏感三维角速度的作用， 对蜜蜂起着姿态控 制 的作用， 很 早 以 前 人们 就 对 蜜 蜂平衡棒进行了仿 生 研究， 并 成 功研 制 出 了 振 动式 陀螺仪， 这种仪器目 前 已 经 应 用 在 火箭 和 高 速 飞 机
l 与 Fcxr 均 指 向 Y 轴 的 负 方 向。 产生的哥 氏 力 Fcxl与 此处定义指 向 身 体 内 侧 的 受 力 为 正。这 样 FcxFcxr 在根部所产生的信号相位正相反。定义翻滚角 速度 Ωroll 为 5 rad / s， 结合哥氏力公式: F = 2 mΩ ˑv ( 3)
v 分别表示平衡棒 的质 量、 式中 m、 Ω、 蜜蜂 身 体 转动 －6 角速度、 平 衡 棒 振 动 的 瞬 时 速 度， 将 m = 6 ˑ 10 kg， Ω roll = 5 rad / s， 结 合 前 面对 速 度进 行 分析的 V v 可求 l， l 与 F cxr相 得 F cx同时结 合 前 面分析 出 的 F cxr。 位相反， 可得到 F cx利用 MATLAB 得 到 如 图 4 ( b ) 的 仿 真 结果。 可 以看出， 左右平衡棒根部受到的哥氏力 频 率 都 为 ω， 但是相位相反。 同理通过分析， 俯仰角速 度 ( Pitch ) 产生 的 哥 氏 力也只与竖直速度分量 V v 相关， 通过分析 得 到 左右
基于 蜜蜂 平 衡 棒 的 仿 生 MEMS 导 航 传 感 器的设计 与 仿 真
刘
摘
1， 2 尧 ， 唐
*
军
1， 2*
， 刘
1， 科学与动态测试教育部重点实验室， 太原 030051 ; 2． 中北大学电子测试技术重点实验室， 太原 030051 )
Abstract : Aiming at the shortcoming of current angular velocity sensor that the dimension of detection is single and the volume always large， we established bionic model based on the bees halter． The navigation principle of its model a novel microsensor measuring threedimensional was analyzed detailedly． Combined with MEMS technology， angular rate was designed． The structure of the MEMS sensor was simulated and optimized by ANSYS， and the appropriate size of the structure was obtained． When the drive voltage is ʃ20 V， the vibration amplitude of the micro column can reach 7． 04ʎ． Through theoretical calculations， the coriolis force produced by the roll and pitch rate is －5 －1 2. 467 ˑ10 N / ( ʎ · s )， and coriolis force generated by azimuth rate is 7． 58 ˑ10 －7 N / ( ʎ · s －1 ) ． Key words: bionic MEMS; 3D angle velocity measurement; ANSYS analysis; bees halter EEACC: 7230M; 7230J doi: 10． 3969 / j． issn． 1004 －1699． 2012． 010． 014
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传 感 技 术 学 报 www． chinatransducers． com 为 6 ˑ10
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第 25 卷
1 平衡棒的生物学模型及导航原理分析
1． 1 平衡棒生物模型 蜜蜂类昆虫的后翅经过若干年的退化形 成了平 衡棒， 平衡棒作为昆虫的机械传感器， 当昆虫飞行时， 平衡棒以一定的频率进行机械振动， 当昆虫自身的姿 态 发 生 变 化 时， 平衡棒就会因受到哥氏力而发生侧 弯， 平衡棒根部的神经细胞会对感受到的哥氏力信息 进行解调， 然后传递 给 大 脑， 进 行 导 航 控 制。总 的 来 说平衡棒就是某些昆虫保持身体平衡的导航仪。
和沿水平方向的速度分量 V h 。
图2
蜜蜂在三维空间的结构简图
定义零时刻 平 衡 棒 与 水平面 XOY 所 成的 夹 角 A 表示平衡棒摆动的角幅度， 为 +A， ω 表示平衡棒的 摆动频率。则 平 衡 棒 在 某 时 刻 与 XOY 平面 所 成的 夹角 θ 可表示为: ( 1) θ = Acos( 2 πωt) 通过对式( 1 ) 中 t 求导， 可得到平衡棒振动 的 角 速度， 结合 平 衡 棒 的 长 度 R ， 以及该时刻平衡棒与 XOY 平面的 夹 角 θ， 可得 到 平 衡 棒 的 垂 直 速 度 分 量 V v 以及水平速度分量 V h 。 V h = Rθ' cos( θ) ; V v = Rθ' sin( θ) ( 2) 式中 θ' 表示 θ 对 t 求导。 在 G． Nalbach 对蜜蜂 平 衡 棒 的 研究 中 得 到 蜜蜂 平衡棒振动角幅度 A 约为 1． 047 2 rad， 振动频率 ω 为 130 Hz， 平 衡 棒 的 长 度 1 mm， 平衡棒质心质量
要: 针对目前角速度传感器检测维数单一、 体积大的缺点， 以蜜蜂平衡棒为 仿 生模 型， 详细 分析了平 衡 棒 的 导 航 原 理， 结
合 MEMS 技术， 设计了一种新型的三维角速度微传感器。利用 ANSYS 对传感器结构进行仿真、 优化， 得到了合适的结构尺寸， 在 ʃ20 V 的驱动电压下， 传感器结构中的微柱体摆动幅度可达到 7． 04ʎ ， 通过 进 一 步 理 论 计 算 得 到 翻滚、 俯仰 角速 度 产生 的 哥 氏力为 2． 467ˑ10