北航新闻网5月6日电（通讯员 宋婉姮）近期，《Nature Communications》以在线全文Article的形式发表了我校机械工程及自动化学院蒋永刚教授课题组等在超高分辨柔性流场感知系统的最新研究成果“Flexible calorimetric flow sensor with unprecedented sensitivity and directional resolution for multiple flight parameter detection”，公正博士为第一作者，蒋永刚教授为通讯作者，北京航空航天大学机械工程及自动化学院为第一完成单位，项目得到了航空科学与工程学院向锦武院士团队在无人机飞行实验方面的合作支持。
如何让微小型无人机像鸟类一样感知和操纵气流一直是航空和传感器领域的难题。面向微小型无人机的飞行参数测量，蒋永刚教授课题组研制出一种基于氧化钒的高灵敏度柔性流速传感器，实现了0.11 mm/s和0.1°的超高流速和角度分辨力，实验验证了攻角、侧滑角和空速的多参数感知能力；联合航空学院李道春教授、向锦武院士团队，完成了微小型无人机飞行速度以及机翼微振动的测量，为微小型无人机提供了低成本、高精度的大气参数传感方案。
图1.柔性量热式流速传感器及其无人机飞行参数估计方法
与高速飞行的飞机不同，微小型无人机体积小，重量轻，飞行速度低，更容易受到环境湍流的影响，需要高灵敏度的小型气流传感器提供全面的空气动力学信息。为此，研究团队研制出了一种具有高灵敏度和方向性的柔性流速传感器(图1)。该传感器基于量热式原理，由中心微加热器产生恒定温差，四周的热敏电阻阵列测量温度分布，根据热敏电阻阵列测得的温度差准确反映流速大小及方向。采用悬空型隔热结构以及高电阻温度系数材料氧化钒作为热敏电阻以增大传感器的测量灵敏度。在聚酰亚胺基底上通过MEMS工艺加工了总厚度90μm的超薄柔性流速传感器，实现了微小型无人机的曲面贴附功能。经风洞测试，流速传感器的理论分辨力达0.11 mm/s,流速测量重复精度约为测量值的0.5%，响应时间约为20ms。在10 m/s时，流速传感器的最大角度灵敏度为36.7 mV/deg，噪音水平为1.78 mV，根据2σ准则计算出其理论角度分辨力为0.1°。
图2.飞行速度估计与机翼微振动感知
研究团队进一步将两个流速传感器装载到一个微小型无人机平台上进行飞行参数感知应用（图2）。结果表明平均飞行速度的估计误差低于0.2 m/s。由于流速传感器的高灵敏度特性，它甚至捕捉到了机翼的微振动信息，并与外置IMU模块显示了相同的机翼振动频率。这项研究展示了一种柔性高灵敏度流速传感器，拓宽了流场感知在微小型无人机姿态检测、空速估计以及飞行安全监测方面的应用，为无人机的飞行参数测量提供了创新的设计思路与发展前景。
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
（审核：张志刚）
编辑：贾爱平
