CN101385903B - 系留式电动无人直升机及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系留式电动无人直升机及其系统，可以长时间滞留于空中，用于侦测等任务，其包括：机体，形成气流整流涵道，且所述气流整流涵道中设有支架；高频电机，设在所述支架上，所述高频电机的一端输出轴通过第一联接器与一组桨叶相连；一组伺服操作装置，分别包括由伺服电机控制的绞盘；以及至少一系留索，各所述系留索的一端通过对应的系留索联接器与所述机体连接，另一端绕在相应的所述绞盘上，其中，所述高频电机通过至少一系留索中的输电电缆连接至地面的电力供给装置。本发明的系留无人机还具有可在10-500米高度范围内精确定高定位；机动性好，设备展开迅速、简便；勤务性好，便于使用和保养维护等优点。

Description

系留式电动无人直升机及其系统

技术领域

本发明涉及一种系留式飞行器，尤其涉及一种系留式电动无人直升机及其系统。 

背景技术

系留式飞行器技术古来即有，中国自汉代之前即发明了风筝，三国时蜀国军队以人员搭乘系留升空的“孔明灯”对敌实施侦察，是这一技术在历史上第一次有记录的军事应用。“一战”期间，德国海军曾利用系留式气球作为潜艇的远程辅助通信设备。目前，意大利海军自90年代后期装备的“哨兵”无人直升机(系留/自由飞)、美国本世纪初研发的“区域导弹防御系统”预警分系统所采用的系留式无人飞艇等，都是这一技术概念在当代的运用和发展。 

由于无人直升机上需装设无线控制指令接收装置、大量的姿态传感器和信号发送装置、复杂的机械电器伺服机构以及蓄电瓶、燃油等能源，因而直升机的净载荷比较大，滞空时间比较短，通常在几小时，而且维修保养也很不方便。 

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种滞空时间长的系留式电动无人直升机及其系统(或简称系留无人机)。 

为达此目的，本发明一方面提高了一种系留式电动无人直升机，其至少包括：机体，其内形成气流整流涵道，且所述气流整流涵道中设有支架；高频电机，设在所述支架上，所述高频电机的一端输出轴通过第一联接器与第一组桨叶相连；其中，所述高频电机通过电缆连接至地面的电力供给装置。 

优选地，上述机体包括呈环形的主体部分和位于所述主体部分壳体下平面的若干起降撬，所述主体部分内形成整流涵道，所述主体部分的壳体内部形成搭载任务模块的腔室。 

优选地，上述支架包括动力舱和将所述动力舱固定在机体上的一组流线型片状撑杆，所述高频电机固定在所述动力舱中。 

优选地，上述机体主体部分的剖面为具有圆角的中空1/4圆形。 

优选地，上述高频电机的另一端输出轴还通过逆向传动器、第二联接器与第二组桨叶相连，从而其转动方向与所述第一组桨叶的转动方向相反。 

优选地，所述第一组桨叶和所述第二组桨叶通过联接器与高频电机相连，动力舱及支撑其的支架置于所述气流整流涵道内。 

本发明另一方面提供了一种系留式电动无人直升机系统，其至少包括：机体，其中：机体包括主体部分，所述主体部分内形成气流整流涵道，主体部分的剖面为近乎于有圆角的中空1/4圆形，在机体的中心处安装高频电机的动力舱，通过与之相连的支架的一组 片状撑杆固定在环形机体内形成的气流整流涵道内上，在机体的壳体下平面设有一组起降撬；升力装置，包括：高频电机，固定在所述动力舱中，所述高频电机的一端输出轴通过带整流罩的联接器与第一组桨叶相连，其另一端输出轴通过逆向联接器、带整流罩的联接器与第二组桨叶相连；以及一组系留索，分别与所述机体连接，其中，至少一根系留索中包括动力电缆，所述高频电机通过所述动力电缆获得电力。 

优选地，上述拉力索，一端通过系留索联接器与所述机体连接，另一端绕接在第一伺服操作装置的步进电机绞盘上；信号拉力索，至少由拉力索和数据传输线构成，一端通过系留索联接器与所述机体连接，另一端绕接在第二伺服操作装置的步进电机绞盘上；输电拉力索，至少由拉力索和所述动力电缆构成，所述输电拉力索通过系留索连接器与所述机体连接，另一端绕接在第三伺服操作装置的步进电机绞盘上。 

优选地，上述系留式电动无人直升机系统还包括运载车组，所述运载车组至少包括信息处理车和能源车，所述信息处理车的信息处理设备通过所述信号拉力索的数据传输线与所述机体承载的信号采集设备连接，所述能源车通过所述输电拉力索的动力电缆与所述升力装置的高频电机连接。 

本发明还提供了一种系留式电动无人直升机系统，其包括：机体，其环形内圆垂面形成气流整流涵道，且所述气流整流涵道中设有支架；高频电机固定于动力舱内，动力舱设在所述支架上，所述电机的一端输出轴与一组桨叶相连；一组伺服操作装置，各所述伺服操作装置包括由伺服电机控制的绞盘；一组姿态传感器，各所述姿态传感器包括设在所述绞盘的转轴一端的系留索拉力传感器；以及一组系留索，各所述系留索的一端与所述机体连接，另一端绕在相应的所述绞盘上，其中，所述高频电机通过系留索中的输电电缆连接至地面的电力供给装置。 

优选地，上述伺服操作装置还包括绞盘制动器，所述绞盘制动器在系留索放出至预定长度时对绞盘实施制动。 

本发明还提供了一种系留式电动无人直升机系统，其包括：机体，所述机体上壳体内形成气流整流涵道，且所述气流整流涵道中设有支架；高频电机固定于设在所述支架的中心位置，所述高频电机的输出轴通过一联接器与一组桨叶相连，所述支架和动力舱拴接在气流整流涵道内；以及至少一系留索，一端连接于机体，另一端系于地面装置，其中，所述高频电机通过系留索中的电缆连接至地面的电力供给装置。 

优选地，上述地面设备包括伺服操作装置，所述伺服操作装置包括由伺服电机控制的绞盘，所述系留索绕接在所述绞盘上。 

本发明还提供了一种系留式电动无人直升机，其包括机体和所述机体的升力装置，其中，所述升力装置包括高频电机和由所述高频电机带动旋转的桨叶，所述高频电机通过电动直升机的系留索中的动力电缆获得电力。 

与现有自由飞无人飞行器相比，系留无人机的发明效果体现在以下六个方面： 

一、通过调节系留索，可在10-500米高度范围内精确定高定位。 

二、大幅提升有效载荷(任务载荷)量，延长滞空时间。 

由于电动直升机A上不需装设常规的无线控制指令接收装置、大量的姿态传感仪和信号发送装置、复杂的机械电器伺服机构以及蓄电瓶、燃油等能源，故上述重量均可转为有效载荷，且因高频电机能源系地面提供，在能源装置油料得到保证或直接联接市电的情况下，系留无人机留空时间可大长于自由飞无人飞行器。 

三、能对较大幅员地域实施定点全程实时监视。 

从概念上讲，本系留无人机相当一根可竖达数十至数百米高的“天线”，或相当一颗“超低空”同步轨道卫星。当定位高度为500米时，其无线通信的半径距离约80千米(覆盖面积约20,000平方千米)；机载光学仪器直视可见的半径距离不小于30-50Km(可视幅员约7,800平方千米)，目标识别的半径距离接近30Km。 

四、通过加挂不同任务模块，便捷地进行功能转换。 

基于系留无人机具有较大载荷量的特点，将针对不同用户的需求配套设计侦察监视、目标识别、遥感遥测、通信转信和区域定位等任务模块，在使用过程中可随时依任务需求现地更换模块。 

五、勤务性好，便于使用和保养维护。 

系留无人机的升力载荷分系统的动力部分主要是一部高频电机，维修保养便捷；地面信息处理和操控设备的维护主要是各种计算机软件，可通过改写、重装和更新升级的方法进行维护。 

六、机动性好，设备展开迅速、简便。 

系留无人机整个系统体积小、重量轻，全套设备可由两辆普通越野车载运，包括信息处理设备、起吊设备、发电设备等。系统对场地无特殊要求，最大展开面积不超过100×100米，开设/撤收时间小于30分钟。 

应该指出，以上说明和以下详细说明都是例示性的，旨在对所要求的本发明提供进一步的说明。 

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点，下面将参照附图，对本发明的其它的目的、特征和效果作进一步详细的说明。 

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了优选实施例并与说明一起用来说明本发明的原理。附图中： 

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的系留式电动无人直升机的剖视图； 

图2示意性地示出了根据本发明的系留式电动无人直升机的逆向传动装置； 

图3示意性地示出了根据本发明系留式电动无人直升机系统的系留和伺服操作分系统的剖视图； 

图4示意性地示出了图3所示系留和伺服操作分系统的拉力传感器的剖视图； 

图5示意性地示出了系留式电动无人直升机系统的系留索； 

图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的系留式电动无人直升机系统；以及 

图7示意性地示出了电动无人直升机的位置校准。 

具体实施方式

以下结合图1至图7对本发明的系留式电动无人直升机和系留式电动无人直升机系统作详细描述。在各附图中，附图标记都是从01开始排序，虽然相同部件的附图标记在各附图中各不相同，然而在同一附图所表示出的一优选实施例中，相同的部件使用了相同的附图标记。 

本发明系留式电动无人直升机是一种在滞空方式和悬停姿态的控制方式上有别于目前各种无人机、无人直升机的新型航空器。 

根据本发明优选实施例的系留无人机全系统由浮空载荷分系统、系留与伺服操作分系统和地面控制分系统以及一组载运车组成。 

浮空载荷分系统即系留式电动无人直升机整体呈圆环状，可选地，外沿直径0.9-1.2m，内沿直径0.65-0.9m，高0.4-0.6m，由载运车组之中的设备载运车运载。 

系留与伺服操作分系统包括3根由输电线或数据线与轻质金属拉线绞合的系留索，3部可调控电动绞盘，其外形与常见钢索和绞盘大体相同，可分别安装在设备载运车、信息处理车和能源车后保险杠上。 

地面控制分系统(未示出)由外购之笔记本电脑、磁盘阵列机、通信器材等组成，集装在1-2个外形尺寸约0.6×0.4×0.4m的高强度聚合材料包装箱内，包装箱由载运车组之中的信息处理车运载。 

具体地，如图6所示，系留式电动无人直升机系统按功能和结构可分为电动直升机1、系留索2、伺服操作装置3、姿态传感器4、位置校验装置5、能源装置6、信息处理设备7、通信设备8、任务执行模块9和载运车组10、11、12。 

系统展开成工作状态时，电动直升机1搭载任务执行模9块升至空中，通过系留索2与地面载运车组各车上安装的伺服操作装置3相连，并在系留索的作用下呈定位悬停状态；伺服操作装置上的姿态传感器4随时将电动直升机空间姿态的变化数据送至载运车组之中的信息处理车10，经该车配备的信息处理设备处理后，发出信号指令使伺服操作装置产生相应动作，操纵电动直升机保持、恢复在原定位置。系统各耗电单元所需电力由能源装置提供，机载任务执行模块通过系留索上的数据线接受地面指令进行工作。 

下面针对各部件及其优选配置进行详细描述。 

一、电动直升机，其优选实施例如图1所示，机体1为环形薄壳结构，其剖面近乎于有圆角的中空1/4圆形，机身壳体内的空间为设备载舱；机体外壁开有若干光学设备出射窗口，各窗口覆盖透明有机玻璃起密封和保形之效，机体内部有安装搭载任务模块的支座3。机体内圆垂面形成气流整流涵道。 

机体的支架中心处为安装高频电机的动力舱4，一组流线型片状撑杆5将动力舱固定在机体上，动力舱内安装有一台同轴双向输出 动力的高频电机6，以及用于将输出动力变向的逆向传动器7。支架通过拴接方法安装在环形机体内圆垂面形成的气流整流涵道内。 

高频电机两端输出轴8、9通过带整流罩10、11的联接器12、13与一对浆叶14、15相连，工作中双浆反向转动以消除扭矩。 

环形机体壳体下平面上安装一组起降撬16、17、18，3个起降撬成120度分布安装。起降撬各装有系留索联接器19、20、21，其中起降撬上加装动力电缆接口22和激光发射器安装架23，起降撬上加装数据传输线接口24。 

电动直升机是搭载任务执行模块的空中平台，其升空高度和载荷量决定全系统的基本能力。 

图2示意性地示出了逆向传动器(或叫做逆向传动装置)的优选实施例，如图所示，高频电机1的一端输出轴通过成单数的一组锥形齿轮2、3、4所组成的逆向传动器、第二联接器与一组桨叶5相连，高频电机1的另一端则可以通过第二联接器直接与另一组桨叶相连，从而在高频电机转动时，这两组桨叶的转动方向相反。容易想到，可以使用两个高频电机，每一高频电机带动一组桨叶而实现两组桨叶相反转动的效果。 

二、系留索，其主要功能是将电动直升机定位在空间设定点上，同时还兼有数据传输线、动力电缆的附着体和操作控制线的作用。 

其优选实施例如图5所示，它以国产线制导反坦克导弹的信号缆为基础改进设计。分别为拉力索2、拉力索与数据传输线绞合为一股的信号拉力索1，拉力索与动力电缆绞合为一股的输电拉力索3。 

拉力索2一端通过系留索联接器11与电动直升机4固定，另一端绕接在第一伺服操作装置5的步进电机绞盘6上。 

信号拉力索1一端通过系留索联接器9与电动直升机4固定，数据传输线接入数据传输线接口7，另一端绕接在另一伺服操作装置的步进电机绞盘(未示出)上。 

输电拉力索一端通过系留索联接器10与电动直升机固定，动力电缆接入动力电缆接口，另一端绕接在又一伺服操作装置的步进电机绞盘(未示出)上。 

三、伺服操作装置，其包括三部由伺服电机控制系留索收放的绞盘。三部绞盘的功能、构造和部件组成可以完全相同。图3示出了以步进电机为伺服电机的伺服操作装置，其中，绞盘转轮1的转轴2安装在绞盘支架3的轴承座4、5，转轴一端为信号感知端，装有系留索拉力传感器6，通过数据线将拉力索的拉力变化数据实时传至信息处理设备；转轴的另一端为动力输入端，经传动齿轮箱7接受步进电机的动力；传动齿轮箱、步进电机和系留索拉力传感器均固定在绞盘支架上；步进电机绞盘优选地装于能源车的后保险杠上。 

当电动直升机受外力影响位置产生漂移时，拉力索、信号拉力索和输电拉力索上承受的拉力将产生变化，其变化数值被各自接地端的传感器感测并传至信息处理设备后，经计算处理自动生成控制指令使伺服操作装置的3个步进电机绞盘以不同的变化量收放系留索，依据“三点确定物体空间位置”的原理将电动直升机重新“拉”回原点。 

四、姿态传感器，再参照图3，姿态传感器包括三个系留索拉力传感器6。系留索拉力传感器6通过对应的绞盘轴制动器10(或者称为绞盘制动器)和/或对应的联接/离合器装设在步进电机绞盘的转轴信号感知端处。联接/离合器的功能一是将姿态传感器固定在绞盘支架上，二是起到步进电机驱动绞盘转轮大变量转动时，将传感器扭力感知触点与绞盘转轴分离的保护作用。绞盘轴制动器的功能，是当系留索放出至预定长度时，对绞盘实施制动，其制动力的大小与电动直升机经系留索传递到绞盘轴上的拉力大小保持平衡，处于一种“虚刹”状态；在外力影响下电动直升机的位置漂移将打破力的平衡，从而被拉力传感器感测。 

下面结合图4对系留索拉力传感器的优选实施例进行详细说明。在本优选实施例中，拉力传感器是与绞盘制动器联为一体的，圆盘1用键和定位螺4固定在磁铁轴2上，圆盘装有线圈3，电流从电刷5经导电环6进入线圈。 

盘形衔铁7通过键沿轴向装在绞盘轴11上，不工作时在顶簧10的推力作用下和圆盘1离开一个距离，当线圈3通上电流后产生磁场，盘形衔铁7受磁力吸引使摩擦盘8与圆盘1靠紧，由于磁铁轴2固定不动，于是圆盘与盘形衔铁产生摩擦并使绞盘轴产生制动力，这一制动力的大小与电动直升机A通过系留索B传递到绞盘轴上的大小平衡，处于一种“虚刹”状态。 

改变线圈的激磁电流，可以调节所传递扭力大小；反之当绞盘轴所受力打破平衡时，必然使线圈的激磁电流产生相应变化，该变化值经微电量转换后，即为拉力传感器感知的电动直升机漂移量。 

五、位置校验装置，其分为地理位置校验装置和系统位置校验装置。 

地理位置校验装置主要是一部GPS/北斗双模式卫星定位导航仪，与其它信息处理设备同处配置。 

系统位置校验装置为一台激光准直仪(如图5所示)，激光发射器71装于电动直升机的起降撬激光发射器安装架内，其上的工作电源接口与起降撬上动力电缆接口分出的导线相连。激光接收器73置于电动直升机正下方地面，对正激光发射器的光束轴线，通过工作电源接口以导线联接能源装置，通过数据接口和数据导线将电动直升机的位置数据传送给信息处理设备。 

位置校验装置负责实时比对电动直升机当前位置与预定点的偏差量，作为校验数据反馈给信息处理设备，供作计算机控制指令进行调整、修正的重要参数。 

六、能源装置由汽油发电机、配电器、监控仪表电缆收放装置组成，其中汽油发电机亦可用载运车组中的能源车发动机替代。 

能源装置安装在能源车内，为全系统各用耗单元提供适用电力。 

七、信息处理设备分为硬、软件两部分。 

硬件设备包括双CPU、大内存的笔记本计算机、大容量磁盘列阵、局域网网络路由器、断电保护器和彩色激光打印机等，以上设备机动时收拢于信息处理车运载的高强度聚合材料包装箱内，工作时在同一车内展开。 

除计算机系统操作平台和数据库软件外，自行开发的软件主要区分为下列5组，其中，(1)通用软件：图形、图像信息处理软件，地理信息处理软件。(2)电动直升机操控软件：电动直升机姿态信息采集处理软件，伺服操作装置控制软件。(3)系统能源分配与输送控制软件。4)计算机系统维护软件：系统运行状况监控软件；系统安全和保密软件。5)对应任务执行模块的专用软件：侦察、监视信息处理软件；遥感、遥测信息处理软件；目标识别信息处理软件；通信、转信信号处理软件；用户定位信息处理软件。 

八、通信设备H主要用于与派出机构进行远程通讯以及信息传输，通常由派出机构配给，此不赘述。 

九、任务执行模块的具体设计可以根据需要确定，此处仅对其体积、重量和基本功能的要求简述如下： 

各模块在设计上分解为升空和置地两个子模块，其中升空子模块的体积控制在0.3-0.4×0.3-0.4×0.2-0.25m之内，重量不超过15-20Kg。 

侦察、监视模块：功能包括目标搜索、发现、跟踪、定位和锁定等，光学可视距离不小于30-50Km。 

遥感、遥测模块：功能包括红外热成像遥感、声波遥感、无线电波遥感等，并能进行目标形体及地域、地段的幅员等数据测量，感测距离不小于60-80Km。 

目标识别模块：具有对目标的高解析度分辨率和纹理色彩还原率，能以影像、图像两种模式将目标信息传至地面进行识别处理，对1m×1m幅员的目标准确识别距离不小于30Km。 

通信、转信模块：功能视用户具体要求而定。 

区域定位模块：依据无线电测向原理，采用“极坐标”或“后方交汇”的方法，为置于1-2个本系统作用范围内的用户提供区域二维定位信息。 

十、载运车组，车型视情选定，需有较大的车内空间和高机动越野性。本设计中拟以国产北京“勇士”牌高机动越野车为第一优选，按任务区分为信息处理车、设备载运车和能源车。三项任务亦可优化配置于两辆车上，此时需另行设计一套伺服操作装置地面固定装置。 

当系留式电动无人直升机系统按两套一组，间隔50-80Km配置、升空高度设定为300-500m时，可获得最佳工作效果。此时系统有效覆盖地幅可达1.5万平方千米左右，在此范围内系统除可完成侦察、监视、通信转信等任务外，还能实现区域定位。 

在本发明的其它实施例中，可以只包括以上所述特征的一部分，从而实现优选实施例的部分目的或功能。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、变化和省略。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种系留式电动无人直升机系统，其特征在于：

机体，其内形成气流整流涵道，且所述气流整流涵道中设有支架；

高频电机固定于所述支架上，所述高频电机的一端输出轴与一组桨叶相连；

一组伺服操作装置，各所述伺服操作装置包括由伺服电机控制的绞盘；

一组姿态传感器，各所述姿态传感器包括设在所述绞盘的转轴一端的系留索拉力传感器；以及

一组系留索，各所述系留索的一端与所述机体连接，另一端绕在相应的所述绞盘上，

其中，所述高频电机通过系留索中的输电电缆连接至地面的电力供给装置。

2.根据权利要求1所述的系留式电动无人直升机系统，其特征在于，所述一组系留索至少包括：

拉力索，一端通过系留索联接器与所述机体连接，另一端绕接在第一伺服操作装置的伺服电机绞盘上；

信号拉力索，至少由拉力索和数据传输线构成，所述信号拉力索一端通过系留索联接器与所述机体连接，另一端绕接在第二伺服操作装置的伺服电机绞盘上；

输电拉力索，至少由拉力索和所述输电电缆构成，所述输电拉力索通过系留索联接器与所述机体连接，另一端绕接在第三伺服操作装置的步进电机绞盘上。

3.根据权利要求1或2所述的系留式电动无人直升机系统，其特征在于，还包括绞盘制动器，所述绞盘制动器在系留索放出至预定长度时对绞盘实施制动。

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