《Chemical Engineering Journal》：First integration of triboelectric sensing into flight control system for in-flight angle of attack monitoring and stall warning
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•一种基于静电纳米发电机的混合传感器，用于固定翼无人机的气动迎角监测与失速预警。•首次将静电传感器数据集成到无人机飞行控制器中，为该技术在航空领域的应用提供了可能。•通过结合硅胶橡胶的非接触式检测方式与兔毛的软接触式检测方式，提升了传感器的电压幅度与响应速度。•利用机翼失速时的空
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一种基于静电纳米发电机的混合传感器，用于固定翼无人机的气动迎角监测与失速预警。
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首次将静电传感器数据集成到无人机飞行控制器中，为该技术在航空领域的应用提供了可能。
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通过结合硅胶橡胶的非接触式检测方式与兔毛的软接触式检测方式，提升了传感器的电压幅度与响应速度。
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利用机翼失速时的空气动力学特性，通过湍流中的弦振现象来检测失速状态。
引言
作为一项新兴的战略产业，低空经济在全球范围内展现出强劲的发展势头与应用前景[1]、[2]。这一趋势同时也催生了对新一代飞行安全技术的迫切需求[3]、[4]。由于具有续航时间长、载荷能力强以及环境适应性好等优点，固定翼无人机越来越多地被应用于各类关键领域[5]、[6]。气动迎角是决定固定翼无人机空气动力学特性的重要参数，它直接影响到飞机的飞行效率[7]、[8]。而当气动迎角超过临界值时，就会发生失速现象，这是一种突然出现的空气动力学不稳定状态，也是导致无人机事故的主要原因之一[9]、[10]。尽管大多数载人飞机都配备了迎角传感器和失速预警系统作为必备或标准配置，但由于重量、尺寸和成本等方面的限制，这类系统在无人机上的应用至今仍主要局限于高端和专业型号上[11]、[12]、[13]。因此，开发重量轻、体积小且成本低廉的迎角监测与失速预警传感器，对于保障固定翼无人机的飞行安全、提升飞行控制性能、增强任务可靠性，进而推动低空经济的高质量发展具有重要意义[14]、[15]。
由王的研究团队率先提出的静电纳米发电机是一种创新的自供电传感技术[16]、[17]、[18]。该技术的特点是制造简单、重量轻、成本低，同时还能将各种形式的弱机械能转化为电能[19]、[20]、[21]。它已被证明是测量旋转角度或速度的有效方法[22]、[23]、[24]。材料科学和应用领域的不断进步进一步凸显了静电纳米发电机的巨大潜力[25]、[26]。这些优势推动了基于静电纳米发电机的传感器在航空领域的广泛应用，包括用于检测位置和姿态的传感器[27]、[28]、[29]，振动传感器[30]、[31]，电机转速传感器[32]、[33]、[34]，叶片损伤监测传感器[31]、[35]、[36]，以及风速风向检测传感器[37]、[38]、[39]和数字位移传感器[40]、[41]。值得一提的是，徐等人开发了一种轻便且可贴合机翼表面的静电纳米发电机系统，可用于检测飞机机翼上的气流分离现象，从而能够对载人飞机和无人机上的机翼气流分离情况进行直观和定量的分析[42]。盛等人则提出了一种将静电纳米发电机与仿生设计相结合的现场自供电湍流检测系统，该系统的响应时间可达4毫秒[43]。这些研究都充分体现了静电纳米发电机技术在提升固定翼无人机飞行安全方面的巨大潜力。不过，这一领域仍存在一些亟待解决的难题：目前尚未出现能够广泛适用于固定翼无人机、实现迎角综合监测与早期失速预警的传感器；此外，如何将静电纳米发电机产生的信号有效整合到飞行控制系统中，以实现实时监测与控制，也几乎还没有相关研究。
为了解决这些难题，本研究开发了一种用于固定翼无人机的集成型静电迎角监测与早期失速预警系统，该系统由静电迎角监测传感器和静电早期失速预警传感器两部分组成。该系统具有重量轻、成本低、具备自供电功能以及可直接集成到飞行控制系统中的优点。首先对这款系统的工作原理和结构设计进行了分析，通过实验确定了诸如静电迎角监测传感器的齿轮传动比、风向标形状以及材料选择等关键参数。为了确保传感器既能快速响应，又能保持较大的信号幅度且信号衰减较小，研究采用了硅胶橡胶实现非接触式检测，同时结合兔毛实现软接触式检测。静电迎角监测传感器能够快速响应气动迎角的突变，同时还能以0.2度的精度精准检测不同动态条件下的微小变化。流体动力学模拟结果表明，在不同的雷诺数条件下，静电早期失速预警传感器的检测角度与机翼的实际失速角度是一致的。随后根据实验结果设计了静电早期失速预警传感器的结构。此外，研究人员还构建了相应的信号处理系统，并在风洞中对这两种传感器分别进行了性能测试，结果证明它们都具有出色的迎角监测和失速预警能力。进一步地，通过在PX4系统中创建并使用自定义的MAVLink消息，实现了UART串行通信，从而使该传感系统的检测数据能够被整合到飞行控制系统中，并通过遥测无线电实时传输到地面控制站。最后，风洞试验和实际飞行试验都证明了该传感系统的实用性。这项研究首次提出了一个清晰且经过验证的框架，为将静电传感器系统化地集成到标准飞行控制系统中提供了指导。相信这一成果能够激励更多研究者将静电传感器的技术成果应用于飞行控制系统，或开展更广泛的闭环自主控制相关研究。
章节摘要
结构设计
气动迎角是固定翼无人机飞行过程中最重要的空气动力学参数之一。它指的是机翼的弦线与相对气流方向之间的夹角。这里的弦线是指连接机翼前缘和后缘的直线，而相对气流方向则表示飞行过程中空气相对于机翼的运动方向。图1a展示了所开发的传感系统的应用场景和工作流程。最初，当
结论
综上所述，本研究成功开发了一种重量轻、体积小且成本低廉的集成型静电迎角监测与早期失速预警系统，可用于固定翼无人机。该系统的静电迎角监测传感器结合了硅胶橡胶的非接触式检测方式与兔毛的软接触式检测方式，因此具有响应速度快、信号幅度大且信号衰减小的优点。经过实验评估，最终选择了50:10和60:10两种齿轮传动比，同时还采用了V形风向标结构。
实验部分
该集成型传感系统的制作：该系统由两种核心传感器组成，即静电迎角监测传感器和静电早期失速预警传感器。这两种传感器都被放置在一个由PLA材料通过3D打印技术制成的圆柱形外壳内，该外壳的半径为40毫米，高度为42毫米。静电迎角监测传感器由风向标、轴、齿轮组、转子以及印刷电路板这几部分构成。其中，轴是由不锈钢制成的，其规格分别为?3*10毫米和?2*10毫米。齿轮组中的齿轮则
作者贡献说明
刘一欣：负责论文的初稿撰写、验证工作、正式分析以及概念构思。王宽宽：负责论文的审阅与编辑工作、软件开发以及数据整理工作。潘志鹏：负责数据的可视化处理、验证工作以及相关研究分析。李晨熙：同样负责数据的可视化处理、验证工作以及相关研究分析。杨松：负责论文的审阅与编辑工作、资源协调以及概念构思工作。王志宏：负责数据的可视化处理、验证工作以及相关研究分析。姚永明：负责项目管理工作、研究方法的确定以及资金筹集工作。李天宇：负责论文的审阅与编辑工作，
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本项研究的部分经费得到了以下项目的支持：吉林省长白山实验室科技创新项目（项目编号：CBS2026006-01），吉林省预算中的基本建设资金（项目编号：2023C032-3），以及吉林大学青年教师和学生跨学科培养计划（项目编号：2023-JCXK-22）。
刘一欣|王宽宽|潘志鹏|李晨熙|杨松|王志宏|姚永明|李天宇
