CN102407933B - 本质安全型矿用救援飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种本质安全型矿用救援飞行器，包括充气壳体和设置在充气壳体下端的基座，基座的侧面设置有一对平衡杆，这对平衡杆位于同一条水平线上；每根平衡杆上设置有两个螺旋桨，一个螺旋桨呈横向设置，另一个螺旋桨呈纵向设置。由于本发明整个装置的重量很轻，又是采用力平衡原理悬浮在空中，所以只要很小的力就可以使其在空中移动，故而耗电量很小，保证了飞行器的长时间续航。

Description

本质安全型矿用救援飞行器

技术领域

本发明属于救援侦查工具技术领域，具体涉及一种危险爆炸环境下使用的具有飞行能力的本质安全型矿用救援飞行器。

背景技术

在危险爆炸环境下,对危险区域的侦查通常有很大的危险，对侦查人员要求高，滞留观察时间短。特别是很多区域由于地域条件，或进入人员能力的要求限制等原因，无法进行有效侦查和持续侦查，对危险爆炸环境的救援有很大制约作用。目前矿用救援技术领域还没有可用的飞行器，利用小型履带车和遥控技术进入危险区域也还是处于试验阶段。而现有的救灾机器人只能采用履带形式，履带式遥控车辆对地形有较高的要求，且体积大、重量大、续航时间短；另外，地面行驶功率消耗比较大，对地形要求高，很多灾区进不去，且操作复杂；而且履带式遥控车无法做成本质安全型，所以必须以隔爆形式才能进入灾区，就需要在其外部装有较大的钢板防爆外壳，设备就无法控制体积，因此在实际救灾过程中，具有爆炸性气体环境中基本没有可用的机器人能进入灾区进行救援。

发明内容

本发明的目的是提供一种本质安全型矿用救援飞行器，以解决现有的救灾地面履带机器人不能适应危险环境中的复杂地形，且体积重量比较大，救援距离短，且无法制作成本质安全型的问题。

本发明所采用的技术方案是，本质安全型矿用救援飞行器，包括充气壳体和设置在充气壳体下端的基座，基座的侧面设置有一对平衡杆，这对平衡杆位于同一条水平线上；每根平衡杆上设置有两个螺旋桨，一个螺旋桨呈横向设置，另一个螺旋桨呈纵向设置。

其中，螺旋桨包括桨叶、桨毂和防爆直流电机；防爆直流电机由磁环转子、定子和电路板组成；桨毂由连为一体的底板和设置在底板上的环形侧壁组成；桨毂环形侧壁的外圆周表面上固定有多个桨叶，内圆周表面固定有环形的磁环转子，磁环转子内部设置有定子和套筒，套筒的外侧端设置有外支板，外支板上设置有电路板；定子包括四根铁芯，这四根铁芯呈“十”字形固定在套筒的外圆周面上，每根铁芯的一端固定在套筒的外圆周面上，另一端固定有一个弧形铁板，四个弧形铁板沿着磁环转子的内圆周面设置，且与磁环转子的内圆周面之间留有空隙；每根铁芯上缠有线圈，线圈的两端连接在电路板上；套筒内设置有转轴，转轴的端部固定在桨毂的底板里；桨毂、磁环转子、套筒和转轴共用一条中轴线。

其中，套筒内侧端的外圆周面上设置有内支板，铁芯位于外支板和内支板之间，四个弧形铁板固定在内支板上。

其中，套筒与转轴之间设置有轴承。

其特征还在于，四个线圈分别为线圈A、线圈B、与线圈A相对设置的线圈C、与线圈B相对设置的线圈D。

其特征进一步在于，电路板上的电路包括驱动磁环转子转动的驱动电路；驱动电路包括一个霍尔感应器U1和两个NPN三极管；两个NPN三极管分别为第一三极管Q1和第二三极管Q2；第一三极管Q1的基极直接接霍尔感应器U1的引脚3，第一三极管Q1的基极还通过第七电阻R7同时与霍尔感应器U1的引脚1和驱动电路的输入端连接；第一三极管Q1的发射极与霍尔感应器U1的引脚2连接；第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极和第二三极管Q2的集电极同时依次通过线圈D、线圈B和第六电阻R6接霍尔感应器U1的引脚1；第二三极管Q2的集电极还依次通过线圈C、线圈A和第六电阻R6接霍尔感应器U1的引脚1；第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极接地。

其中，电路板上的电路还包括纳秒级过流保护电路；纳秒级过流保护电路包括第三二极管Q3和MOS管Q4，第三二极管Q3的发射极接12V电源电压，第三二极管Q3的基极通过第四电阻R4接驱动电路输入端，第三二极管Q3的集电极通过第二电阻R2和第三电阻R3接地；MOS管Q4的源极接12V电源电压，栅极通过第三电阻R3接地，漏极通过第一电阻R1接驱动电路输入端。

本发明的有益效果是，形体小巧，具有灵活的飞行能力，不受灾区地形限制，且本质为安全型能在危险爆炸环境中长时间滞留。

附图说明

图1是本发明矿用救援飞行器的结构示意图。

图2是本发明螺旋桨的结构示意图。

图3是本发明螺旋桨的磁环转子和定子的结构示意图。

图4是本发明螺旋桨的电路结构图。

图中，1.充气壳体，2.基座，3.平衡杆，4.螺旋桨，5.桨叶，6.底板，7.环形侧壁，8.外支板，9.套筒，10.内支板，11.磁环转子，12.电路板，13.铁芯，14.弧形铁板，15.线圈，16.转轴，17.轴承，18.天线，19.红外摄像仪，20.支架。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种本质安全型矿用救援飞行器，包括充气壳体1和设置在充气壳体1下端的基座2，基座2的侧面设置有一对平衡杆3，这对平衡杆3位于同一条水平线上；每根平衡杆3上设置有两个螺旋桨4，一个螺旋桨4呈横向设置，另一个螺旋桨4呈纵向设置。横向设置的螺旋桨4控制飞行器飞行的横向距离，纵向设置的螺旋桨4控制飞行器的飞行高度。基座2外表面设置有天线18和红外摄像仪19，基座2下端设置有支架20；基座2内设置有网络视频服务器，ADAM4050模块和工业MOSH无线路由器，用来采集和传输图像声音。设置在基座2外表面的红外摄像仪19及设置在基座2内的设备均采用电池供电。这样的结构的飞行器在灾区不受地形限制灵活飞行，体积减小，重量轻（1Kg）。

本发明提供的矿用救援飞行器以惰性安全轻质气体氦气作为充气壳体1的填充气体，充气壳体1采用阻燃抗静电的聚乙烯材料制作。整个救援飞行器要求基座2、基座2上和基座2内的设备、支架20的重量之和与填充有惰性气体的充气壳体1的浮力平衡，当整机质量与惰性气体浮力相同时两者平衡，即飞行器整体重量与本惰性气体产生的浮力基本相同。采取悬浮式可以减小飞行器移动时的所需要的动力，因为飞行器本身不需要外力就可以悬浮，那么在飞行器移动时，只需要很小的动力就可以，减小了能量的消耗，大大提高了救援时间。

如图2和图3所示，螺旋桨4包括桨叶5、桨毂和防爆直流电机；防爆直流电机由磁环转子11、定子和电路板12组成；桨毂由连为一体的底板6和设置在底板6上环形侧壁7组成；桨毂环形侧壁7的外圆周表面上固定有多个桨叶5，内圆周表面固定有环形的磁环转子11，磁环转子11内部设置有定子和套筒9，套筒9的外侧端设置有外支板8，外支板8上设置有电路板12，套筒9内侧端的外圆周面上设置有内支板10；定子包括四根铁芯13，这四根铁芯13呈“十”字形固定在套筒9的外圆周面上，铁芯13位于外支板8和内支板10之间；每根铁芯13的一端固定在套筒9的外圆周面上，另一端固定有一个弧形铁板14，四个弧形铁板14沿着磁环转子11的内圆周面设置，且与磁环转子11的内圆周面之间留有空隙；每根铁芯13上缠有线圈15，线圈15的两端连接在电路板12上，四个弧形铁板14固定在内支板10上；套筒9内设置有转轴16，转轴16的端部固定在桨毂的底板6里，套筒9与转轴16之间设置有轴承17。桨毂、磁环转子11、套筒9和转轴16共用一条中轴线。

如图4所示，电路板12上的电路包括驱动磁环转子11转动的驱动电路和纳秒级过流保护电路。

驱动电路包括一个霍尔感应器U1（型号6851）和两个NPN三极管；两个NPN三极管分别为第一三极管Q1（型号3904）和第二三极管Q2（型号3904）；第一三极管Q1的基极直接接霍尔感应器U1的引脚3，第一三极管Q1的基极还通过第七电阻R7同时与霍尔感应器U1的引脚1和驱动电路的输入端连接；霍尔感应器U1的引脚1与第七电阻R7之间设置有第五电阻R5，驱动电路输入端与第七电阻R7之间设置有二极管D1；第一三极管Q1的发射极与霍尔感应器U1的引脚2连接；第一三极管Q1的集电极、第二三极管Q2的基极和第二三极管Q2的集电极同时依次通过线圈D、线圈B和第六电阻R6接霍尔感应器U1的引脚1；线圈D与第二三极管Q2基极之间设置有第八电阻R8，线圈D与第二三极管Q2集电极之间设置有电容C1；第二三极管Q2的集电极还依次通过线圈C、线圈A和第六电阻R6接霍尔感应器U1的引脚1；第二三极管Q2的发射极与霍尔感应器U1的引脚2连接；第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极还同时接地。

纳秒级过流保护电路包括第三二极管Q3（PNP三极管，型号3906）和MOS管Q4（型号FDS4435），第三二极管Q3的发射极接12V电源电压，第三二极管Q3的基极通过第四电阻R4接驱动电路输入端，第三二极管Q3的集电极通过第二电阻R2和第三电阻R3接地；MOS管Q4的源极接12V电源电压，栅极通过第三电阻R3接地，漏极通过第一电阻R1接驱动电路输入端。

螺旋桨的工作原理为：通电后，当霍尔感应器U1表面有某磁极的磁场通过，霍尔感应器U1工作，霍尔电流经过内部的放大整流后驱动引脚3，使其为低电平，第一三极管Q1截止，第二三极管Q2导通，线圈A和线圈C上有电流通过，这两个线圈对应的铁芯13和弧形铁板14被磁化，和磁环转子11产生排斥力，磁环转子11旋转，当磁环转子11旋转90°后，霍尔感应器U1表面的磁场发生改变，使引脚3成高电平，这时第一三极管Q1导通，第二三极管Q2截止，线圈B和线圈D上有电流通过，这两个线圈对应的铁芯13和弧形铁板14被磁化，和磁环转子11上的磁极产生斥力，使得磁环转子11继续旋转。这样，在两对线圈的推动下磁环转子11不停地旋转。磁环转子11旋转时就带动桨毂及桨叶5旋转，桨毂的底板6绕着转轴16旋转，而套筒9、外支板8、内支板10、铁芯13、弧形铁板14及线圈15是不动的。整个电路电流的流动方向由霍尔感应器U1来控制的。

本发明还采用了纳秒级过流保护电路保证飞行器动力安全，通电后，MOS管Q4，电流通过MOS管Q4和第一电阻R1（取样电阻）给驱动电路供电；当纳秒级过流保护电路的总回路电流大于1A时第一电阻R1上压降大于0.33V，在第三三极管Q3的基极和发射极之间形成了导通电势，第三三极管Q3导通，将MOS管Q4的栅级电势抬高，MOS管Q4关断，以至于整个回路关断，从而起到了过流保护的效果。采用这种保护电路可以有效的防止电路元件意外损坏造成的短路起火花现象。由于电路短路后回路可以很快速的关断，释放的能量很小，达不到井下瓦斯的爆炸点，从而保证安全救援。

由于本发明整个装置的重量很轻，又是采用力平衡原理悬浮在空中，所以只要很小的力就可以使其在空中移动，故而耗电量很小，保证了飞行器的长时间续航。

Claims (5)

1.本质安全型矿用救援飞行器，其特征在于：包括充气壳体（1）和设置在充气壳体（1）下端的基座（2），基座（2）的侧面设置有一对平衡杆（3），这对平衡杆（3）位于同一条水平线上；每根平衡杆（3）上设置有两个螺旋桨（4），一个螺旋桨（4）呈横向设置，另一个螺旋桨（4）呈纵向设置；所述螺旋桨（4）包括桨叶（5）、桨毂和防爆直流电机；防爆直流电机由磁环转子（11）、定子和电路板（12）组成；桨毂由连为一体的底板（6）和设置在底板（6）上的环形侧壁（7）组成；所述桨毂的环形侧壁（7）的外圆周表面上固定有多个桨叶（5），内圆周表面固定有环形的磁环转子（11），磁环转子（11）内部设置有定子和套筒（9），套筒（9）的外侧端设置有外支板（8），外支板（8）上设置有电路板（12）；所述定子包括四根铁芯（13），这四根铁芯（13）呈“十”字形固定在套筒（9）的外圆周面上，每根铁芯（13）的一端固定在套筒（9）的外圆周面上，另一端固定有一个弧形铁板（14），四个弧形铁板（14）沿着磁环转子（11）的内圆周面设置，且与磁环转子（11）的内圆周面之间留有空隙；每根铁芯（13）上缠有线圈（15），线圈（15）的两端连接在电路板（12）上；套筒（9）内设置有转轴（16），转轴（16）的端部固定在桨毂的底板（6）里；桨毂、磁环转子（11）、套筒（9）和转轴（16）共用一条中轴线。

2.根据权利要求1所述的矿用救援飞行器，其特征在于：所述套筒（9）内侧端的外圆周面上设置有内支板（10），铁芯（13）位于外支板（8）和内支板（10）之间，四个弧形铁板（14）固定在内支板（10）上。

3. 根据权利要求1所述的矿用救援飞行器，其特征在于：所述套筒（9）与转轴（16）之间设置有轴承（17）。

4. 根据权利要求1所述的矿用救援飞行器，其特征在于：所述定子的四个线圈（15）分别为线圈A、线圈B、与线圈A相对设置的线圈C、与线圈B相对设置的线圈D。

5. 根据权利要求4所述的矿用救援飞行器，其特征在于：所述电路板（12）上的电路包括驱动磁环转子（11）转动的驱动电路和纳秒级过流保护电路； 

所述驱动电路包括一个霍尔感应器（U1）和两个NPN三极管；两个NPN三极管分别为第一三极管（Q1）和第二三极管（Q2）；第一三极管（Q1）的基极直接接霍尔感应器（U1）的引脚3，第一三极管（Q1）的基极还通过第七电阻（R7）同时与霍尔感应器（U1）的引脚1和驱动电路的输入端连接；霍尔感应器（U1）的引脚1与第七电阻（R7）之间设置有第五电阻（R5），驱动电路输入端与第七电阻（R7）之间设置有二极管（D1）；第一三极管（Q1）的发射极与霍尔感应器（U1）的引脚2连接；第一三极管（Q1）的集电极、第二三极管（Q2）的基极和第二三极管（Q2）的集电极同时依次通过线圈D、线圈B和第六电阻（R6）接霍尔感应器（U1）的引脚1；线圈D与第二三极管（Q2）基极之间设置有第八电阻（R8），线圈D与第二三极管（Q2）集电极之间设置有电容（C1）；第二三极管（Q2）的集电极还依次通过线圈C、线圈A和第六电阻（R6）接霍尔感应器（U1）的引脚1；第二三极管（Q2）的发射极与霍尔感应器（U1）的引脚2连接；第一三极管（Q1）的发射极和第二三极管（Q2）的发射极接地；

所述纳秒级过流保护电路包括第三二极管（Q3）和MOS管（Q4），第三二极管（Q3）的发射极接12V电源电压，第三二极管（Q3）的基极通过第四电阻（R4）接驱动电路输入端，第三二极管（Q3）的集电极通过第二电阻（R2）和第三电阻（R3）接地；MOS管（Q4）的源极接12V电源电压，栅极通过第三电阻（R3）接地，漏极通过第一电阻（R1）接驱动电路输入端。

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