CN102381471A - 利用印刷电路板的无人驾驶飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用PCB的无人驾驶飞行器的结构体，其包括主板，用于控制电源供给和飞行操作；发动机，通过将电能转换成机械能来旋转推进器；PCB框架，将从远程控制器输出的信号转换成可以控制发动机的信号，并连接主板和发动机；推进器，通过发动机进行旋转，并产生推力；接收器，接收远程控制器的控制信号；以及远程控制器，控制四旋翼的发动机的旋转速度和方向转换。所述结构可以简化无人驾驶飞行器的结构，使无人驾驶飞行器变为小型化，提高了组装性，实现了轻量化。

Description

利用印刷电路板的无人驾驶飞行器
技术领域
本发明涉及一种无人驾驶飞行器，其结构体通过电子部件安装用印刷电路板(printed circuit board，以下称“PCB”)构成，从而使无人驾驶飞行器变为小型化或轻质，并降低生产成本。
背景技术
最近，无人驾驶飞行器在难以进行作业的环境中的需求逐渐增加。无人驾驶飞行器的应用也越来越广泛，例如在不容易接近的灾难或者灾害地区的空中图像获取、电力线检测、或者在战场上提供敌人隐藏信息或通过无人驾驶机执行侦查任务、监视任务等。
在现有无人驾驶飞行器的结构中，构成飞行器框架的本体和机翼由简单的复合材料或木质材料等组成，从而与用于控制飞行用电子装置的电气及电子结构体是独立的。这种无人驾驶飞行器的结构具有以下缺点：该结构增加了飞行器的重量，从而降低了飞行效率，并且由于重量增加引起主板、电池和推进器的大型化，使飞行器的结构变为复杂，从而使组装变为困难，导致生产成本增加。
图1显示现有无人驾驶飞行器的结构。
图1的无人驾驶飞行器包括：主板10，用于控制电源供给和飞行操作；发动机20，通过将电能转换成机械能来旋转推进器；变速器30，将从远程控制器中输出的信号转换成可以控制发动机的信号；推进器40，通过发动机进行旋转，并产生推力；框架50，用于连接及支撑无人驾驶飞行器中央的主板和外围的发动机；接收器60，用于接收远程控制器的控制信号；以及电池70等。
图1的无人驾驶飞行器在以主板10、接收器60和电池70为中心的四个方向上分别设置与框架50相连接的4个发动机20，并在所述发动机20上安装推进器40，且通过旋转推进器来获得推力，从而进行飞行运动。
尽管图1的无人驾驶飞行器的应用范围无穷无尽，但由于全部的电子模块集中在位于中央位置的主板10上，所以无疑会使主板10本身大小增加，电路结构变复杂。由于上述原因，无人驾驶飞行器整体上变为大型化，并且重量也增加，使驱动无人驾驶飞行器时消耗过多的电力，从而需要一定大小以上的功率，最终使发动机的可选种类受到限制。这种限制是增加无人驾驶飞行器的制作费用的因素。而且，由于复杂的电路结构，如果主板10的发热量增加，将引起故障频繁发生和误操作。
除此以外，如图1中所示，变速器30一般设置在框架50上，为了控制变速器30，主板10和变速器30需要通过电缆连接，这使飞行器的重量增加，其结构变为复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可通过简化结构来使飞行器变为小型化，组装性提高，重量变轻的无人驾驶飞行器。
本发明的另一目的在于提供一种可以防止飞行器扭曲，并在着陆时吸收外部冲击，以实现稳定着陆的无人驾驶飞行器。
本发明的又一目的在于提供一种可以确保飞行时稳定性的无人驾驶飞行器。
为实现上述目的，本发明的一实施例涉及的无人驾驶飞行器包括：位于中央的本体单元；多个框架单元，其一端连接于所述本体单元，并构成无人驾驶飞行器的整体形状；多个驱动单元，安装于所述多个框架单元的另一端，并产生用于飞行的推力，所述本体单元与所述框架单元由印刷电路板构成。
其中，所述本体单元可包括PCB形式的主板，所述主板上安装有用于控制飞行的控制器模块和与外部通信装置进行数据接收和发送的通信模块中至少一个。所述本体单元进一步包括给所述本体单元、所述框架单元和所述驱动单元供给电源的电池。
而且，所述框架单元可包括用于对所述驱动单元进行变速的变速器模块，所述变速器模块和所述主板的控制器模块可以通过印刷电路线相连接。
并且，所述框架单元进一步可以包括用于支撑所述飞行器的着陆装置，使所述无人驾驶飞行器的着陆位置与地面保持一定高度。
另外，所述框架单元进一步可以包括用于支撑所述飞行器的支撑装置，从而防止所述无人驾驶飞行器的框架单元因驱动单元的重量弯曲和扭曲。
在所述无人驾驶飞行器中，所述本体单元和所述框架单元中至少一个由FR4(Frame Retadent 4)材料的PCB组成。
根据本发明的实施例，将本体单元的主板上安装的各种模块以外的其它模块分散安装于框架单元上，从而可以使无人驾驶飞行器的结构变为简单，并使整体大小变为小型化。
而且，由于框架单元由PCB构成，从而可以去除主板上的各模块和框架单元上分散设置的模块之间的有线连接电缆，所以可以使无人驾驶飞行器的结构变为简单。
并且，由于框架单元由PCB构成，框架单元的重量变轻，从而使用较小的推力也可以飞行，所以不会受发动机特性的限制，可以使用各种发动机。并且，为了驱动轻质的无人驾驶飞行器，可以使用比较低廉的发动机和推进器，所以可以降低无人驾驶飞行器的制造成本。尤其是，与框架和变速器分别构成的结构相比，当在PCB上一体形成时，由于部件的单价降低，从而可以减少制造成本。
而且，由于框架单元变轻，使无人驾驶飞行器的总重量减少，所以作为减少的重量，可附加安装照相机、照明等辅助器材，从而本发明的无人驾驶飞行器可作为一种代替人的设备应用于各种领域。
附图说明
图1显示现有技术的无人驾驶飞行器的结构。
图2显示本发明一实施例涉及的无人驾驶飞行器的结构。
图3显示本发明另一实施例涉及的无人驾驶飞行器的结构。
图4显示附加安装有着陆装置的无人驾驶飞行器的结构的一实施例。
图5显示附加安装有着陆装置的无人驾驶飞行器的结构的另一实施例。
图6显示附加安装有支撑装置的无人驾驶飞行器的结构的一实施例。
图7及图8显示支撑装置的另一实施例。
图9显示附加安装有推进器防护罩的无人驾驶飞行器的结构的一实施例。
图10显示附加安装有推进器防护罩的无人驾驶飞行器的结构的另一实施例。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施例，以使本发明所属技术领域的技术人员容易实施。
通篇说明书中记载的“无人驾驶飞行器”是指即使无人直接驾驶飞行器，仍然可以远端控制的飞行器。具体包括具有3个推进器的三旋翼(Tri-Rotor)、具有4个推进器的四旋翼(Quad-Rotor)、具有5个推进器的五旋翼(Penta-Rotor)、具有6个推进器的六旋翼(Hexa-Rotor)、具有8个推进器的八旋翼(Octo-Rotor)。因此，以下为了方便说明本发明，例举四旋翼进行说明，但本发明的保护范围并不局限于此。根据推进器的个数和结构可以构成各种形状的无人驾驶飞行器。
图2显示本发明一实施例涉及的无人驾驶飞行器的结构。
图2中示出的无人驾驶飞行器包括一个本体单元100、4个框架单元200、以及4个驱动单元300，各框架单元200的一端上分别安装有所述驱动单元300，并且各框架单元200的另一端与中央的所述本体单元100连接。
框架单元200和本体单元100可通过螺栓和螺母连接，除此以外为了固定连接本体单元100和框架单元200，可以使用任意的连接装置。而且，为了给框架单元200上设置的各种模块传递电源和控制信号，框架单元200和本体单元100除了通过所述连接装置物理连接以外，以预定接点电性连接。
图2显示包括四个“|”形框架单元200的无人驾驶飞行器，但并不局限于此，还可以构成具有两个
Figure BSA00000366190900041
形框架单元的无人驾驶飞行器。就后者而言，
Figure BSA00000366190900042
形框架单元以各自的顶点为基准相互对称地安装在本体单元100上。
本体单元100的结构
本发明一实施例涉及的本体单元100可包括主板和用于给驱动单元300供给电源的电池。其中，所述主板上安装有主控制模块(未图示)、通信模块(未图示)、传感器模块(未图示)中的至少一个。所述主控制模块用于控制无人驾驶飞行器的飞行动作，所述通信模块从远程控制器接收控制信号或者与远端的控制中心进行数据接收和发送，所述传感器模块收集位置信息、图像信息、温度信息、风向信息、照度信息中的至少一个。
本体单元100的形状根据无人驾驶飞行器的种类会不同。即，就三旋翼而言，本体单元100可以由正三角形的面板构成，但如果是四旋翼，则可以由正方形面板构成。但，这仅仅是一个例子而已，还可以有多种变形。为了使旋翼广泛得到利用，还可以由圆形面板构成。
如图2所示，本体单元100的主板由独立的第一主板11和第二主板12构成，第一主板11和第二主板12由4个支撑轴13支撑，第一主板11和第二主板12之间的空间上设置有电池14。
在此，所述主控制模块、通信模块以及传感器模块既可以全部配置于第一主板11和第二主板12中的任何一个上，也可以分散配置于第一主板11和第二主板12上。
而且，图2只是针对本体单元100的一实施例而已，所以构成本体单元100的第一主板11、第二主板12和电池14可以由本发明所属技术领域的技术人员通过各种变形来实施。
另一实施例涉及的本体单元100可以只由主板构成，所述主板上安装有所述主控制模块、通信模块和传感器模块中至少一个。此时，框架单元200可以包括上述电池。
图3显示本发明另一实施例涉及的无人驾驶飞行器的结构。
从图3的实施例可以看出，本体单元100由单一的主板11构成，电池14安装于框架单元200的下端面上，还可以兼具无人驾驶飞行器的着陆装置(或者起落装置)的功能。此时，为了将无人驾驶飞行器的重量中心设计在靠近中央的位置上，电池14最好配置在框架单元200的下端面上靠近主板的那一侧。
框架单元200的结构
框架单元200由安装有其它模块的印刷电路板(printed circuit board，以下称“PCB”)构成。所述其它模块是指除了用于操作无人驾驶飞行器的各种模块中的所述控制器模块、通信模块和传感器模块以外的模块，例如变速器模块等。
如图2中所示，框架单元200整体上可以由“|”形(或者长方形)的PCB构成。优选地，为了区分安装驱动单元300的一端和固定于本体单元100上的另一端，可以将安装驱动单元300的一端形成为圆形。
框架单元200可以由轻木(balsa)、石绵木(wood rock，或者发泡聚苯乙烯)、碳、铝、PVC(Polyvinyl Chloride)材料构成，也可以由FR4(Frame Retadent4)材料的PCB(以下称“FR4 PCB”)构成。
轻木和石绵木具有重量轻并吸收一些震动的优点，而碳具有耐久性和柔韧性优秀的优点。而且，铝的耐久性优秀、耐冲击性强。
FR4PCB由玻璃和环氧树脂的混合材料构成，所以其柔韧性优秀，同时可以作为单面PCB或者双面PCB来使用，并且价格低廉，耐久性高。除此以外，通过减小绝缘胶层(adhesive layer)的厚度来降低热阻(thermal resistance)，从而热传递性优秀，并且由于两面特别涂敷有金属层，所以绝缘效果和散热效果突出。
当作为框架单元200材料使用FR4 PCB，并将现有无人驾驶飞行器中分别形成的变速器(图1中的30)和框架(图1中的50)一体构成为框架单元200时，本发发明的无人驾驶飞行器与现有无人驾驶飞行器的重量相比，可得到以下结果。
在一实验条件下进行的实施例中，无人驾驶飞行器的框架单元200使用厚度小于或等于2mm的双面FR4 PCB，同时构成为变速器和框架一体化的结构。
此时，如表1中所示，在现有无人驾驶飞行器中变速器和框架的重量为约56g，而本发明的变速器和框架的重量减少至约28g，从而可以确认变速器和框架的重量减少了约50％。
【表1】
Figure BSA00000366190900061
另外，框架单元200进一步可以包括着陆装置21，当无人驾驶飞行器着陆时，所述着陆装置21使框架单元200保持稳定姿势，并缓解着陆冲击。即，框架单元200由PCB构成，通常具有厚度薄，柔韧性好的特点。由于上述结构，可获得以下有益特性。
即，PCB材料的框架单元200由于其特有的柔韧性，可以解决框架(图1中的50)因小小冲击而断裂的缺点，并且由于框架单元200本身就能吸收推进器旋转时产生的发动机的震动，从而可以衰减传递到主板上的震动，使传感器的误差达到最小化。而且，当无人驾驶飞行器上安装照相机时，发动机的震动在经过框架单元200的过程中衰减，使传递到照相机上的震动达到最小化，从而可以获得高清晰度的图像和照片。
图4和图5分别显示附加安装有着陆装置的无人驾驶飞行器的实施例。
从图4中的实施例可以看出，着陆装置21可以由垂直圆筒形状构成。此时，圆筒形的着陆装置21安装于框架单元200的下端面上，同时为了有效分散无人驾驶飞行器的重量，最好配置于框架单元200长度方向的中间位置。
而且，如图5的实施例所示，着陆装置21可以是“∪”形框架结构或在“∪”形的中间位置上具有支撑架的框架结构。当然，不一定必须形成为框架形状，可以由“∪”形板构成。图5的着陆装置21也安装于框架单元200的下端面上，同时为了有效分散无人驾驶飞行器的重量，最好配置于框架单元200长度方向的中间位置上。
虽然图4和图5中未图示，着陆装置21可以由其它各种形状构成。即，将着陆装置21构成为
Figure BSA00000366190900071
形结构，使之与图4中圆筒形着陆装置相比增加了与地面接触的面积，从而不仅具有支撑框架单元200的作用，而且具有起落装置的作用，当无人驾驶飞行器着陆时，吸收外部冲击，从而能够使无人驾驶飞行器缓慢地着陆。
而且，着陆装置21的材料可以是聚苯乙烯泡沫、记忆泡沫或硬化海绵，以同时满足支撑力和冲击吸收力。这种材料特别适用于图4的着陆装置21。并且，就图5的着陆装置21而言，可以使用重量轻、强度高的PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)或FR4 PCB。
另外，由于框架单元200一端上安装的驱动单元300的重量，会发生所述框架单元200弯曲、或者因风吹或气体振荡而所述框架单元200扭曲的现象，而为了防止这种现象，可以进一步包括支撑装置22。
图6显示附加安装有支撑装置的无人驾驶飞行器的结构实施例。
如图6的实施例所示，支撑装置22可以是“▽”形或“V”形结构。此时，“▽”形或“V”形的支撑装置22安装在框架单元200的下端面，并为了给框架单元200提供最大的支撑力，最好使支撑装置22的下端顶点位于框架单元200的长度方向的中间位置。
图7及图8显示支撑装置22的另一实施例。
支撑装置22还可以是图7的“|”形和图8的形结构。
图7的支撑装置22仍然安装于框架单元200下端面，为了给框架单元200提供最大支撑力，所述支撑装置22最好配置于框架单元200长度方向的中间。而且，图8的支撑装置22也安装于框架单元200的下端面，并且最好使开放的两尾部与框架单元200在宽度方向的两端相对齐。
支撑装置22的材料可以是满足可支撑框架单元200的支撑力的同时重量较轻的PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)或FR4PCB。而且，支撑装置22并不局限于本发明的实施例，本发明所属技术领域的技术人员可以将支撑装置22构成各种形状。
驱动单元300的结构
驱动单元300包括发动机31和推进器32，所述发动机31用于将电能转换成机械能，所述推进器32接收发动机31的驱动力，并用于产生无人驾驶飞行器的推力。无人驾驶飞行器的推力产生原理和飞行控制原理与现有无人驾驶飞行器相同。
驱动单元300进一步可以包括推进器的防护罩。推进器的防护罩33不仅不影响推进器32的动作，而且保护推进器32不受周边障碍物的影响，同时具有保护推进器32周围人群的作用。
图9显示附加安装有推进器防护罩的无人驾驶飞行器的结构的一实施例。如图9所示，推进器的防护罩33是上侧开放的半球框架结构，可以固定于安装有发动机31的框架单元200的周围。此时，为了不给无人驾驶飞行器的整体重量带来较大影响，本发明的无人驾驶飞行器最好由最少数量的支撑框架构成。
图10显示附加安装有推进器防护罩的无人驾驶飞行器的结构的另一实施例。
即根据需要，可以把推进器的防护罩33从框架单元200中分离，并以图10所示的形状固定于无人驾驶飞行器的中央下端，作为着陆装置或起落装置来使用。
例如在室内飞行时，由于周边有很多障碍物，可以把防护罩33固定于安装有发动机的PCB框架的周边而作为推进器的防护罩来使用。当在室外飞行时，由于无人驾驶飞行器起飞或着陆的地面由土或者粗糙的柏油构成，此时可以把防护罩33固定于主板的背面，而作为着陆装置和起落装置来使用。
推进器的防护罩33可以由轻质、强度大的PC、碳、PVC等材料构成。而且，除了具有图9的形状以外，还可以是具有一支撑框架的环状或者四棱柱形状等的各种形状。
以上说明的实施例为主体单元100上至少安装有主控制模块、通信模块以及传感器模块中的一个，并且框架单元200上安装有除了上述模块以外的其它模块(例如，副控制模块、变速模块)的结构，但本发明并不局限于此。所述多个模块的安装位置是本发明所属技术领域的技术人员利用常规知识容易改变的。
尤其是，如电力用FET等的发热元件最好配置于在框架单元200中靠近推进器32的位置，从而通过推进器旋转产生的风来散发所述发热元件的热量。由此，可以防止因发热引起的PCB的故障和飞行控制的错误等，同时可以延长无人驾驶飞行器的寿命。
以上，对作为多旋翼的典型例子的四旋翼进行了说明，并对分开提供主体单元100和框架单元200的实施例进行了说明，但主体单元100和框架单元200也可以由一个PCB一体构成。此时，就四旋翼的实施例而言，只会区分为由一个基板构成的本体(未图示)和驱动单元(未图示)，其中本体具有正方形的十字架结构。
以上对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不限于在此示出的实施例。凡在本发明的精神和范围之内所作的各种修改、等同替换均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种无人驾驶飞行器，其特征在于，包括：
位于所述无人驾驶飞行器中央的本体单元(100)；
多个框架单元(200)，每一框架单元的一端分别连接于所述本体单元(100)，并构成无人驾驶飞行器的整体形状；
多个驱动单元(300)，安装于所述多个框架单元(200)的另一端，并产生用于飞行的推力，
所述多个框架单元(200)由印刷电路板构成。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述本体单元(100)包括印刷电路板形式的主板，所述主板上安装有用于控制飞行的控制器模块和与外部通信装置进行数据交换的通信模块中至少一个。
3.根据权利要求2所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述本体单元(100)进一步包括给所述本体单元(100)、所述框架单元(200)和所述驱动单元(300)供给电源的电池。
4.根据权利要求3所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述本体单元(100)包括多个主板，
所述多个主板分别由多个支撑轴支撑，且在相互间具有预定距离，所述多个主板之间位置上配置有所述电池。
5.根据权利要求2所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述框架单元(200)的一面安装有电池，其用于给所述本体单元(100)、所述框架单元(200)以及所述驱动单元(300)供给电源。
6.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述框架单元(200)包括用于对所述驱动单元(300)进行变速的变速器模块，所述变速器模块和所述主板的控制器模块通过印刷电路线相连接。
7.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述框架单元(200)进一步包括用于支撑所述飞行器的着陆装置(21)，使所述无人驾驶飞行器的着陆位置与地面保持预定高度。
8.根据权利要求7所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述着陆装置(21)由用于缓解着陆冲击的海绵材料、聚苯乙烯泡沫材料、记忆泡沫材料中的一种材料构成。
9.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述框架单元(200)的底面进一步安装有支撑装置(22)，其用于防止所述无人驾驶飞行器中框架单元(200)的弯曲和扭曲。
10.根据权利要求9所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述支撑装置(22)由聚碳酸酯和FR4中一种材料构成。
11.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
在所述框架单元(200)上安装有所述驱动单元300的方向一侧配置有电子元件，其具有预定大小以上的发热量。
12.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述本体单元(100)和所述框架单元(200)中至少一个由FR4材料的印刷电路板构成。
13.根据权利要求1所述的无人驾驶飞行器，其特征在于：
所述本体单元(100)和所述框架单元(200)由单一印刷电路板一体构成。
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