基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法

1.本发明涉及固态飞行器技术领域，具体涉及一种基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法。


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、扑翼式三种，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。离子风固态飞行器是一种无可动部件的新型飞行器，由于采用毕费尔德-布朗效应力作为推进动力，其具有能量转化效率高、机构简单、噪声小、可靠性高等特点。目前已有的离子风飞行器采用毕费尔德-布朗效应力发生器只作为动力源驱动机体滑翔飞行或悬停飞行，无法高效的实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态控制。
3.传统的离子风飞行器通常将毕费尔德-布朗效应力发生器作为推进动力推动固定翼构造的机身滑翔飞行，如2018年麻省理工学院团队打造了一架固定翼离子风推进器，翼展5米，重2.45公斤，在平均高度仅0.47米的情况下能持续飞行60米，是离子风飞行器里程碑式的突破，但目前仅通过离子风作为推进力，还无法实现姿态控制飞行。另一种离子风飞行器利用毕费尔德-布朗效应力发生器产生的净推力直接克服自身重力实现悬停或机动飞行，在这类应用方式中，毕费尔德-布朗效应力发生器产生的作用力是单维力，只能实现基本的俯仰、横滚控制，如中国专利cn 2874916y公开了一种静稳定飘升机，该飘升机只能实现俯仰，翻滚，上升三个自由度的控制，其使用场景受到了大大的限制；中国专利cn 113401343a公开了一种可多自由度控制的类四旋翼离子风飞行器，其提出使用了四个离子风驱动器及四个舵机，通过八个驱动器实现多自由度控制，但额外的驱动器大大浪费了飞行器的效率，提高了控制复杂度。美国伯克利大学研发了一种离子风飞行器，由四组基于针-网电极结构的力发生器构成，实现俯仰，横滚，平动三自由度可控飞行，但由于离子风力发生器没有螺旋桨，无法类似四旋翼利用角动量产生偏航力矩，而针-网电极结构也无法通过错位实现倾斜力效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法，该飞行器及其操控方法能够解决现有技术中的不足，通过四组离子风力发生器可以使机体产生向上飘升的推进力和使机体自旋的偏航力矩，从而实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态可控飞行。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.在本发明的第一方面，公开了一种错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行
器，该固态飞行器包括支架和安装在支架上的多个力发生器。
7.所述力发生器包括线电极板和位于线电极板上方且相互平行的多个针电极；
8.所述线电极板包括平行设置的多个线电极单元、将各个线电极单元的第一端连接在一起的第一固定件和将各个线电极单元的第二端连接在在一起的第二固定件；
9.所述多个针电极与多个线电极单元交错分布。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一固定件和所述第二固定件上均设有第一安装部。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极的两端分别通过针电极柱固定在线电极板的两侧。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极包括针电极板和设置在针电极板上的多个针电极单元。所述针电极和与其相邻的两个线电极单元之间的垂直距离不相等。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极柱包括针电极柱主体、设置在针电极柱主体上端的第二安装部和设置在针电极主体下端的第三安装部。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述针电极连接高压电源正极，所述线电极单元连接高压电源接地电极。
15.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述力发生器的数量为四个，分别为第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器；
16.所述第一力发生器位于第一象限，第二力发生器位于第二象限，第三力发生器位于第三象限，第四力发生器位于第四象限；
17.所述第一力发生器与第二力发生器对称设置，所述第三力发生器与第四力发生器对称设置。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一力发生器与第二力发生器的对称轴及第三力发生器与第四力发生器的对称轴均为roll轴；与所述roll轴垂直且与roll轴位于同一平面的坐标轴为pitch轴；所述roll轴与pitch轴的交点为机体的几何中心。
19.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支架包括平行设置的第一固定板、第二固定板和第三固定板，连接在第一固定板的中段与第二固定板的中段之间的第一连接板，连接在第二固定板的中段与第三固定板的中段之间的第二连接板；
20.所述第一固定板、第二固定板和第三固定板上均设有多个针电极柱安装部和多个线电极板安装部。
21.在本发明的第二方面，公开了一种上述固态飞行器的操控方法，该方法包括以下步骤：
22.(1)升力控制
23.向第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器施加相同的电压，同步增大或减少四个力发生器的施加电压，改变机体受到的升力大小，实现机体的升降运动。
24.(2)横滚控制
25.偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使机体roll轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕roll轴旋转的力矩，实现机体的横滚运动。
26.(3)俯仰控制
27.偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使机体pitch轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动。
28.(4)偏航控制
29.偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使第一力发生器及第四力发生器产生的偏航力矩大于或小于第二力发生器及第三力发生器产生的偏航力矩，从而使机体产生向右或向左的偏航力矩，实现机体的偏航控制。
30.和现有技术相比，本发明的优点为：
31.本发明提出了一种基于错位针-线电极结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法，设计了一种错位针-线电极结构产生毕费尔德-布朗效应用于离子风力发生器，机体通过四个离子风力发生器和操控方法可实现自旋式的多自由度可控飞行，突破了传统离子风飞行器无法实现自旋式的多自由度控制或通过四个以上驱动器才能实现自旋式的多自由度控制的局限，为新一代固态飞行器的设计和操控提供了新思路。本发明还提出了一种固态飞行器的操控方法，该操控方法基于上述离子风力发生器，只需同步调节四个离子风力发生器的电压，即可实现可自旋的全自由度可控，解决了目前离子风飞行器不加额外致动器下无法实现自旋的难点。
附图说明
32.图1是本发明中固态飞行器的结构示意图；
33.图2是本发明中固态飞行器的俯视图；
34.图3是本发明中固态飞行器的爆炸结构示意图；
35.图4是本发明中支架的结构示意图；
36.图5是本发明中线电极板的结构示意图；
37.图6是本发明中针电极柱的结构示意图；
38.图7是本发明中针电极的结构示意图；
39.图8是本发明中固态飞行器中第二力发生器2-2沿pitch轴的正视示意图；
40.图9是本发明中固态飞行器中第二力发生器2-2沿roll轴的正视示意图。
41.其中：
42.1、固态飞行器；2-1、第一力发生器，2-2、第二力发生器，2-3、第三力发生器，2-4、第四力发生器；3-1、针电极，3-2、针电极柱，3-3、线电极板，3-4、支架；4-1、针电极柱安装部，4-2、线电极板安装部，4-3、第一固定板，4-4、第二固定板，4-5、第三固定板；5-1、第一线电极单元，5-2、第二线电极单元，5-3、第三线电极单元，5-4、第四线电极单元，5-5、第一固定件，5-6、第二固定件；6-1、第二安装部，6-2、针电极柱主体，6-3、第三安装部；7-1、针电极板，7-2、针电极单元；8-1、第一针电极板，8-2、第一针电极板上的针电极单元，8-3、第一线
电极单元，8-4、第二线电极单元，8-5、第二针电极板上的针电极单元，8-6、各个线电极单元指向对应的针电极板的作用力的合力，8-7、合力沿pitch轴分力，8-8、合力沿yaw轴分力，8-9、第二针电极板，8-10、第三线电极单元。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明做进一步说明：
44.如图1所示，本发明提出了一种基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器1，该飞行器包括支架和安装在支架上的四组力发生器。所述力发生器为基于错位针-线电极结构的毕费尔德-布朗效应力发生器。毕费尔德-布朗效应是指用很高的电压将电能输入电容器就会于某个方向产生作用力。离子风是指在毕费尔德-布朗效应中由电晕引起的空气射流现象被称作离子风。固态飞行器指整机无需可动部件即可实现飞行的飞行器。通常飞行器自由度指笛卡尔坐标系下三个轴的平动自由度和绕三个轴旋转的偏航，翻滚，俯仰自由度。针-线电极结构：针电极和线电极组成的电极结构，通过施加高压电产生电晕放电会发生毕费尔德-布朗效应。
45.如图2所示，以机身几何中心为原点o，roll轴正方向为机身正方向，四组毕费尔德-布朗效应力发生器分别为第一力发生器2-1、第二力发生器2-2、第三力发生器2-3、第四力发生器2-4。所述第一力发生器2-1位于第一象限，第二力发生器2-2位于第二象限，第三力发生器2-3位于第三象限，第四力发生器2-4位于第四象限；所述第一力发生器2-1与第二力发生器2-2对称设置，所述第三力发生器2-3与第四力发生器2-4对称设置。所述第一力发生器2-1与第二力发生器2-2的对称轴及第三力发生器2-3与第四力发生器2-4的对称轴均为roll轴；与所述roll轴垂直且与roll轴位于同一平面的坐标轴为pitch轴；所述roll轴与pitch轴的交点为机体的几何中心。具体地说，第一力发生器2-1与第三力发生器2-3大小、结构相同，第二力发生器2-2与第四力发生器2-4大小、结构相同，且第一力发生器2-1与第二力发生器2-2关于roll轴对称。图2中的一组针-线结构的毕费尔德-布朗效应力发生器可以由四个针电极3-1、八个针电极柱3-2、一个线电极板3-3和用于固定该力发生器的支架构成。四组毕费尔德-布朗效应力发生器通过支架3-4和八个共用针电极柱连接。
46.如图1所示，各个力发生器均包括线电极板3-3和位于线电极板3-3上方且相互平行的多个针电极3-1。如图3和图5所示，线电极板3-3包括平行设置的多个线电极单元、将各个线电极单元的第一端连接在一起的第一固定件5-5和将各个线电极单元的第二端连接在在一起的第二固定件5-6。所述第一固定件5-5和所述第二固定件5-6上均设有第一安装部。所述线电极板3-3采用金属箔或金属板制成。线电极板3-3的边缘开设有四个榫头，与线电极板安装部4-2相互配合。在图1中，每个线电极板3-3有四个线电极单元。所述多个针电极与多个线电极单元交错分布。具体地说，一个线电极板3-3包括四个线电极单元，分别为第一线电极单元5-1、第二线电极单元5-2、第三线电极单元5-3和第四线电极单元5-4。各个线电极单元的同一端为第一端，另一端为第二端。所述针电极3-1连接高压电源正极，所述线电极单元连接高压电源接地电极。
47.具体地说，如图3所示，机身1由支架3-4、四个完全相同的线电极板3-3、二十四个完全相同的针电极柱3-2、十六个完全相同的针电极3-1构成。支架3-4与针电极柱分别通过针电极柱安装部4-1与第三安装部6-3过盈配合。支架3-4与线电极板3-3分别通过线电极板
安装部4-2与第一安装部过盈配合。针电极柱与针电极分别通过第二安装部6-1与针电极板的端部过盈配合。所述针电极柱安装部4-1、第二安装部6-1和线电极板安装部4-2均为榫槽。所述第一安装部和第三安装部6-3均为榫头。
48.如图3和7所示，所述针电极3-1包括针电极板7-1和设置在针电极板7-1上的多个针电极单元7-2。所述针电极3-1采用导电金属制成，针电极3-1的两端分别设有两个用于与针电极柱连接的榫头。所述针电极3-1的两端分别通过针电极柱固定在线电极板3-3的两侧。所述针电极柱包括针电极柱主体6-2、设置在针电极柱主体6-2上端的第二安装部6-1和设置在针电极主体6-2下端的第三安装部6-3。所述针电极柱采用轻质绝缘材料，如青木。所述第二安装部6-1为榫槽，与针电极3-1上的榫头相互配合。所述第三安装部6-3为榫头，与支架3-4上的针电极柱安装部相互配合。所述针电极柱安装部4-1为榫槽。
49.在图7中，每个针电极上有6个针电极单元。一个针电极3-1包括针电极板7-1和设置在针电极板7-1上的六个完全相同且平行设置的针电极单元7-2。针电极板7-1的两端为榫头，与针电极柱上的榫槽对应设置，用于连接针电极板与针电极柱。
50.在一些实施例中，所述支架3-4包括平行设置的第一固定板4-3、第二固定板4-4和第三固定板4-5，连接在第一固定板4-3的中段与第二固定板4-4的中段之间的第一连接板，连接在第二固定板4-4的中段与第三固定板4-5的中段之间的第二连接板；所述第一固定板4-3、第二固定板4-4和第三固定板4-5上均设有多个针电极柱安装部4-1和多个线电极板安装部4-2。具体地说，所述支架3-4的结构如图4所示，主体为轻质绝缘材料(如青木)，并开有二十四个榫槽分别与四组毕费尔德-布朗效应力发生器的共二十四个针电极柱的榫头6-3配合。其中，第一力发生器2-1、第三力发生器2-3共用四个针电极柱，第二力发生器2-2、第四力发生器2-4共用四个针电极柱。支架上还开有十二个榫槽分别与四组毕费尔德-布朗效应力发生器的线电极板共十二个榫头配合。
51.图8和图9以第二力发生器2-2为例介绍了线电极板与针电极之间的作用力关系。如图8所示，第二力发生器2-2包括四个针电极板，分别为第一针电极板8-1、第二针电极板8-9、第三针电极板和第四针电极板。如图9所示，第二力发生器2-2包括四个线电极单元，设四个线电极单元分别为第一线电极单元8-3、第二线电极单元8-4、第三线电极单元8-10和第四线电极单元。在第二力发生器2-2中，针电极板连接高压电源正极，线电极单元连接高压电源接地电极，即可发生毕费尔德-布朗效应，产生六个由线电极单元指向针电极单元的作用力，如图8中的8-6-1～8-6-6所示，进一步整体产生线电极单元指向针电极板的作用力，即如图8所示的各个线电极单元指向对应的针电极板的作用力的合力8-6。
52.如图9所示，在第二力发生器2-2中，设第一线电极单元8-3在pitch轴上投影与第一针电极板8-1在pitch轴上投影之间的距离为d，第一针电极板8-1与第二线电极板8-4在pitch轴上投影之间的距离为d，即两个相邻的线电极单元间距为(d+d)，在本发明的实施例中，要满足d《＜d，由于d远小于d，可不考虑针电极单元受相邻较远线电极单元的影响，此时产生线电极单元指向最近(投影间距为d)的针电极单元的作用力，比如说，在图9中，第二针电极板上的针电极单元8-5和第一线电极单元8-4离的近，和第二线电极单元8-10离的远，那么，第二针电极板上的针电极单元8-5与第二线电极单元8-10之间的作用力就忽略不计，只考虑第二针电极板上的针电极单元8-5与第一线电极单元8-4之间的作用力8-6-1。每组线电极单元和对应的针电极板之间会产生一个作用力，比如第二线电极板8-4和第二针电
极板8-9之间有作用力8-6-1，其余线电极单元和其对应的针电极板之间也会产生一个作用力，如图8所示，各个线电极单元和针电极板之间的作用力一共有六个，分别为图8中所示的8-6-1、8-6-2、8-6-3、8-6-4、8-6-5、8-6-6，这六个作用力共同组成的合力表示为8-6。此时在一组针-线电极结构的毕费尔德-布朗效应力发生器中，产生四组线电极单元指向最近的针电极板的作用力，比如图9中的第二线电极单元8-4指向最近的第二针电极板8-9的作用力8-6，该作用力会同时产生使机身飘升的升力(即合力沿yaw轴分力8-8)以及使机身自旋的力矩(即合力沿pitch轴分力8-7)，配合相应的操纵控制方案即可实现飞行。其他力发生器的受力原理与第二力发生器的受力原理相同。
53.本发明还公开了一种上述固态飞行器的操控方法。
54.在图2中，将离子风固态飞行器分为四组力发生器，分别为第一力发生器2-1、第二力发生器2-2、第三力发生器2-3和第四力发生器2-4，施加在四个力发生器上的电压大小分别设为a、b、c、d。先设定roll轴正向为离子风固态飞行器机首，机身几何中心为原点o。参照图1，绕轴roll、yaw、pitch旋转方向的正方向符合左手定则如箭头方向，由于改变施加在毕费尔德-布朗效应力发生器上的电压可以调节力发生器输出的推进力，所以可通过调压等方式实现对离子风固态飞行器的姿态控制。
55.该操控方法包括以下步骤：
56.(1)升力控制
57.向第一力发生器2-1、第二力发生器2-2、第三力发生器2-3和第四力发生器2-4施加相同的电压，同步增大或减少四个力发生器的施加电压，改变机体受到的升力大小，实现机体的升降运动。
58.具体地说，给定四个力发生器施加相同的电压，即a＝b＝c＝d。由于第一力发生器2-1、第三力发生器2-3和第二力发生器2-2、第四力发生器2-4关于roll轴对称，使得第一力发生器2-1、第三力发生器2-3产生的自旋力矩与第二力发生器2-2、第四力发生器2-4产生的自旋力矩抵消，剩下合推力即升力。通过同步增大或减少四个力发生器的施加电压，从而可以改变机体受到的升力大小，实现机体的升降运动。
59.(2)横滚控制
60.偏置施加在第一力发生器2-1、第二力发生器2-2、第三力发生器2-3和第四力发生器2-4上的电压，使机体roll轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕roll轴旋转的力矩，实现机体的横滚运动。
61.具体地说，通过偏置第一力发生器2-1、第三力发生器2-3和第二力发生器2-2、第四力发生器2-4上的电压，如使a＝c》b＝d，可使第一力发生器2-1、第三力发生器2-3的输出推进力大于第二力发生器2-2、第四力发生器2-4的输出；如使a＝c《b＝d，可使第一力发生器2-1、第三力发生器2-3的输出推进力小于第二力发生器2-2、第四力发生器2-4的输出，从而产生使机体绕roll轴旋转的力矩，实现机体的横滚运动控制。通过对横滚角的调节，能够产生横向分力，从而实现机体左、向右横向漂移运动。
62.(3)俯仰控制
63.偏置施加在第一力发生器2-1、第二力发生器2-2、第三力发生器2-3和第四力发生器2-4上的电压，使机体pitch轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动。
64.通过偏置第一力发生器2-1、第二力发生器2-2和第三力发生器2-3、第四力发生器2-4上的电压，如使a＝b》c＝d，可使第一力发生器2-1、第二力发生器2-2的输出推进力大于第三力发生器2-3、第四力发生器2-4的输出；如使a＝b《c＝d，第一力发生器2-1、第二力发生器2-2的输出推进力小于第三力发生器2-3、第四力发生器2-4的输出，从而产生使机体绕pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动控制。通过对俯仰角的调节，能够产生纵向分力，从而实现机体前、后纵向漂移运动。
65.(4)偏航控制
66.偏置施加在第一力发生器2-1、第二力发生器2-2、第三力发生器2-3和第四力发生器2-4上的电压，使第一力发生器2-1及第四力发生器2-4产生的偏航力矩大于或小于第二力发生器2-2及第三力发生器2-3产生的偏航力矩，从而使机体产生向右或向左的偏航力矩，实现机体的偏航控制。
67.由于第一力发生器2-1、第二力发生器2-2产生绕roll轴负方向的自旋力矩，第三力发生器2-3、第四力发生器2-4产生绕roll轴正方向的自旋力矩，即第一力发生器2-1、第四力发生器2-4产生使机体向右偏航(相对yaw轴正向看去顺时针旋转)的力矩，第二力发生器2-2、第三力发生器2-3产生向左偏航(相对yaw轴正向看去逆时针旋转)的力矩。通过偏置施加在第一力发生器2-1、第四力发生器2-4与第二力发生器2-2、第三力发生器2-3上的电压，如使a＝d》b＝c，可使第一力发生器2-1、第四力发生器2-4产生的偏航力矩大于第二力发生器2-2、第三力发生器2-3产生的偏航力矩；如使a＝d《b＝c或使第一力发生器2-1、第四力发生器2-4产生的偏航力矩小于第二力发生器2-2、第三力发生器2-3产生的偏航力矩，最终分别使机体产生向右、向左的偏航力矩，从而实现机体的偏航控制。
68.综上所述，本发明提出一种错位针-线电极结构及设计方法，可产生毕费尔德-布朗效应用于离子风力发生器，目前传统的离子风飞行器采用的离子风力发生器主要为线-板电极结构，针-板电极结构和针-网电极结构，可以产生升力，但无法产生自旋力矩，基于以上结构设计的固态飞行器通过增加额外致动器改变力发生器的作用力平面才能实现多自由度姿态控制。本发明提出的错位针-线结构通过使线电极和针电极错位产生一定角度差，使线电极和针电极产生的力倾斜，同时一组力发生器中有多组针-线电极可以增大升力效果，且需保证各组针-线电极有一定距离，防止互相干扰，使得整体力发生器产生升力和自旋力矩。
69.以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器，其特征在于，包括支架和安装在支架上的多个力发生器，所述力发生器包括线电极板和位于线电极板上方且相互平行的多个针电极；所述线电极板包括平行设置的多个线电极单元、将各个线电极单元的第一端连接在一起的第一固定件和将各个线电极单元的第二端连接在在一起的第二固定件；所述多个针电极与多个线电极单元交错分布。2.根据权利要求1所述的固态飞行器，其特征在于，所述第一固定件和所述第二固定件上均设有第一安装部。3.根据权利要求1所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极的两端分别通过针电极柱固定在线电极板的两侧。4.根据权利要求3所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极包括针电极板和设置在针电极板上的多个针电极单元；所述针电极和与其相邻的两个线电极单元之间的垂直距离不相等。5.根据权利要求3所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极柱包括针电极柱主体、设置在针电极柱主体上端的第二安装部和设置在针电极主体下端的第三安装部。6.根据权利要求4所述的固态飞行器，其特征在于，所述针电极连接高压电源正极，所述线电极单元连接高压电源接地电极。7.根据权利要求1～6任意一项所述的固态飞行器，其特征在于，所述力发生器的数量为四个，分别为第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器；所述第一力发生器位于第一象限，第二力发生器位于第二象限，第三力发生器位于第三象限，第四力发生器位于第四象限；所述第一力发生器与第二力发生器对称设置，所述第三力发生器与第四力发生器对称设置。8.根据权利要求7所述的固态飞行器，其特征在于，所述第一力发生器与第二力发生器的对称轴及第三力发生器与第四力发生器的对称轴均为roll轴；与所述roll轴垂直且与roll轴位于同一平面的坐标轴为pitch轴；所述roll轴与pitch轴的交点为机体的几何中心。9.根据权利要求7所述的固态飞行器，其特征在于，所述支架包括平行设置的第一固定板、第二固定板和第三固定板，连接在第一固定板的中段与第二固定板的中段之间的第一连接板，连接在第二固定板的中段与第三固定板的中段之间的第二连接板；所述第一固定板、第二固定板和第三固定板上均设有多个针电极柱安装部和多个线电极板安装部。10.根据权利要求7～9任意一项所述的固态飞行器的操控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)升力控制向第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器施加相同的电压，同步增大或减少四个力发生器的施加电压，改变机体受到的升力大小，实现机体的升降运动；(2)横滚控制偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使
机体roll轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕roll轴旋转的力矩，实现机体的横滚运动；(3)俯仰控制偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使机体pitch轴两侧输出的推进力大小不同，从而产生使机体绕pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动；(4)偏航控制偏置施加在第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器上的电压，使第一力发生器及第四力发生器产生的偏航力矩大于或小于第二力发生器及第三力发生器产生的偏航力矩，从而使机体产生向右或向左的偏航力矩，实现机体的偏航控制。

技术总结
本发明涉及一种基于错位针-线结构的可自旋式多自由度固态飞行器及其操控方法。该固态飞行器包括支架和安装在支架上的多个力发生器。力发生器包括线电极板和位于线电极板上方且相互平行的多个针电极；线电极板包括平行设置的多个线电极单元、将各个线电极单元的第一端连接在一起的第一固定件和将各个线电极单元的第二端连接在在一起的第二固定件；多个针电极与多个线电极单元交错分布。该固态飞行器包括支架和安装在支架上的四个力发生器。以此方式，通过四组离子风力发生器可以使机体产生向上飘升的推进力和使机体自旋的偏航力矩，从而实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态可控飞行。行。行。


技术研发人员：陈池来 吴青楠 马贺 潘敏 陈圳 田钰强 贡培艺
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2022.11.14
技术公布日：2023/4/25