CN102858630B - 用于图像采集或监视的无人机 - Google Patents
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Abstract
一种适合于图像采集、监视或其它应用的无人机(400)的单翼由肋形框架(100)和泡沫(200)组成，考虑到刚度和强度，在模塑期间在泡沫(200)中集成肋形框架(100)。泡沫(200)具有容纳电气和/或电子组件的容器(301,302,303)。泡沫(200)在撞击侧(204,205,206)，构成所述无人机(400)的外层。所述机翼能够大批量地低成本并且低复杂性地生产，增大当用在民用领域时的抗冲击性和安全性，并且可拆卸和随意处理，从而能够实现电气和/或电子组件的重新使用。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于图像采集应用，比如数字地形建模，即，用于诸如矿山之类的基础设施规划，诸如贫矿床之类的大型矿床的储量计算，城建规划，土地复垦或农业产业中的植被监测等的地形图的数字制作的无人机。具有按照本发明的机翼的无人机也可用于其它应用，比如实时监视。本发明尤其涉及用于这种无人机的安全、抗冲击并且可随意处理的机翼的高效生产。
背景技术
对于各种应用中的规划和决策来说必不可少的地形数据可人工通过利用全球定位系统(GPS)收发器，摄影测绘术，地形扫描仪，LIDAR技术的现场测量来收集，或者可通过利用小型无人机系统(UAS)的机载高分辨率数字照相机的图像采集来收集。通常，需要具有分米精度或更高精度的网格密度。
尽管存在限制，不过地面勘测目前仍然是收集待模拟的地形的高程数据的常见方法。利用现有的GPS技术，地面勘测员一天能够测量数十个点或者甚至数百个点。不过，这种人工的现场勘测要求人类可以接近的地形，从而可能危险。勘测员的在场可能与正在进行的操作冲突，和/或由于地形的性质，例如，矿区、施工区、存在由爆炸引起的倒塌建筑物的地带等，勘测员可能处于危险之中。由于可测量点的数目天生受限，因此利用地面地形勘测可获得的分辨率有限。分辨率或细节层次只能通过增加人工测量来增大。当工程需要测量数千个点或者更多的点时，这些人工测量一般碰到可量测性的边界。数据采集工作量随预期的分辨率，以及随勘测的区域的大小而线性增大。结果，在许多情况下，人工现场勘测变得费用太高和太费时。
LIDAR或者说光探测和测距是测量散射光的性质，以便得到远程目标的距离的光学遥感技术。地面LIDAR技术，例如，固定扫描仪或移动扫描仪束缚于和地面勘测员相同的限制。此外，归因于捕捉数据的角度，用于数字地形建模的图像提取相当困难。利用飞机或直升机作为移动平台，LIDAR允许3D地形测绘。对诸如精确的惯性导航系统之类的贵重设备的需求，以及所述设备在飞机中的集成限制了LIDAR的适用性和市场占有率。
如上所述，人工现场测量的备选方案在于利用装备高分辨率照相机的无人机系统(UAS)的图像采集。这种无人机能够扫描预定的区域，并实时传送拍摄的图像(例如监视的情况下)，或者本地保存拍摄的图像，以便以后处理。从起飞到着陆，可以完全自动地进行飞行。无人机一般具有100-300米的飞行高度，一般具有几平方公里的作用范围，具有能够利用分米分辨率模拟地形的机载数字照相机。结果，在例如30分钟的单次飞行期中，无人机可收集数十万个测量点的数据。无人机通过平行扫描和连续交叠的照相机拍摄，扫描必须被建模的地形。地面控制站能够监测飞行，最后还进行远程图像质量检查。在地形测图的情况下，收集的数据是标有拍摄照片的相应位置的GPS坐标的一组照片。照片的数目显然取决于地形的大小和要求的分辨率。
用于图像采集应用的小型无人机的设计人员要解决的技术问题是考虑到批量生产的大小和重量，坚固性，气候和风敏感度，抗冲击性，寿命，成本和复杂性。
用于远程图像采集的现有无人机是Air Robotics的AirborneVehicle System(AVS)。从2009年8月5日起，在各种新闻稿中记述和描绘了AVS。可通过以下URL，从因特网检索到这些新闻稿：
http：//airrobotics.wordpress.com/
AVS可以携带光电、红外和化学传感器，为监视和侦查应用提供某个区域的实时图像。为了使AVS耐冲击，Air Robotics开发了用重量轻的能量耗散材料制成的机身和尾翼组。如2009年8月7日的新闻稿举例所示，AVS由剪裁(即，无模施工方法)的泡沫芯和保护板或保护层组成。重量轻的泡沫使AVS能够携带更重的有效负载，而免于坠落。
由于几个原因，Air Robotics的AVS存在缺陷。首先，如AirRobotics的无模施工方法中要求的，剪裁泡沫芯需要费时的人工生产步骤。换句话说，不能大批量地高效制造Air Robotics的AVS。特别地，覆盖AVS的泡沫芯的保护板或保护层的应用是使制造过程复杂的费时步骤。此外，当在民用领域中使用时，这种层叠或保护遮盖物使AVS不安全。虽然Airborne的无人机看来通过了撞毁测试，不过在坠落的情况下，被AVS击中的人、动物或物体会由于坚硬外层的碰撞而不能幸存，或者至少严重受伤。此外，Airborne的层叠泡沫芯不允许回收内部的昂贵电子设备，例如，高分辨率数字照相机、电池等。机翼的寿命预期局限于数十次飞行，例如20-50次飞行，然而无人机携带的昂贵电子设备一般具有至少10倍于此的寿命。由于电池可被重新充电超过1000次，数字照相机具有超过几千小时工作时间的耐用期，而控制电子设备具有10000小时或者更长的寿命，因此用于图像采集应用的无人机内的电子设备目前能够安全地经受住数百次，甚至可能数千次的飞行。
总之，Air Robotics的AVS既复杂又制造费用高，在民用环境中不能安全地使用，并且不允许回收内部的昂贵电子设备，以便重新使用(只要所述电子设备的寿命允许的话)。
2004年7月22日公布的佛罗里达大学的PCT专利申请WO2004/060743，“Bendable Wing for Micro Air Vehicle”描述另一种用于设计成装备有供军用图像采集之用的静态画幅照相机和摄像机的无人机的机翼。如WO 2004/060743的图1图解所示，该机翼由被覆盖一层或一片弹性材料，比如胶乳的肋形支承结构组成。这样，该机翼被设计成抵抗飞行期间的向上挠曲，并且可按照飞机可被存放在军事人员携带的紧凑的圆柱形体积中，例如存放在他们的背包中的方式向下弯曲。
正如Air Robotics的AVS一样，WO 2004/060743的机翼复杂，难以制造。支承结构的每根肋条必须描述飞机的准确形状，于是必须人工生产。虽然基于该机翼的无人机可以折叠，不过它不耐冲击，并且对在民用环境中应用来说也不安全。薄的胶乳层或者替代的弹性层不能保护被坠落的飞机击中的人或任何其它物体免受严重伤害。此外，该机翼不能容易地取下，从而取回飞机内的昂贵电子组件，以便重新使用。
美国专利申请US 2004/0195438描述一种用发泡聚丙烯(EPP)制造的轻型、抗冲击的飞翼玩具。通过嵌入EPP翼内的一个或多个翼梁轴，例如，安装在翼内的细长的翼加强梁20，增大机身刚度。
US 2004/0195438的飞翼玩具相当复杂，难以制造。一般来说，在费时并且劳动密集的无模步骤中，从EPP芯剪裁机翼。之后，如在US 2004/0195438的段落[0044]中所述，在EPP翼中钻出多个小孔，以便能够安装加强梁20。钻孔和梁的安装构成使飞翼玩具的批量生产复杂的额外步骤。在EPP中钻孔和使梁穿过小孔的另一个缺陷在于EPP颗粒和梁之间不可避免地缺乏附着力。结果，梁能够回转或者旋转，导致飞翼玩具的强度、刚性和扭转刚度不是最佳。
另外注意，US 2004/0195438的飞翼玩具不适合于图像采集或监视应用。它没有容纳图像采集或监视电子设备的容器，于是生性更轻，从而不受可与用于图像采集和监视应用的无人机面临的那些约束比较的安全性和抗冲击性约束。
这种飞翼玩具不适合于图像采集或监视应用的事实的另一种后果在于US 2004/0195438的飞翼玩具未被设计成是可拆卸和可替换的，以便重新使用电子设备。
法国专利申请FR 2920745，“Drone Modulaire a Sous-EnsemblesDétachables”描述一种无人机，所述无人机包含由发泡聚丙烯制成的机翼(图1中的2)和细长的刚性条(图2中的34)。具有用于容纳图像采集电子设备的容器(图2中的5)的该无人机用于图像采集应用。FR2920745的飞机包含多个组件，其中的一些组件可以拆卸，以便运输，例如机翼。这些可拆卸组件使飞机不太坚固，并且制造复杂。
飞机的制造过程通常既复杂又费时。正如US 2004/0195438的飞翼玩具一样，一般通过热丝工艺，从EPP芯剪裁机翼，在EPP机翼中钻出小孔之后，放置刚性条。这些步骤一般需要人工处理，于是不适合于批量生产。
细长的刚性条34增大飞机的扭转刚度，但是不构成防止各种变形的支承结构。作为该生产过程的结果，刚性条和机翼的EPP颗粒之间的附着力较差。于是，刚性条可以回转或旋转。
本发明的目的是提供一种用于图像采集应用的无人机的机翼，所述机翼克服了现有解决方案的上述缺陷。更具体地说，本发明的目的是公开一种能够大批量地低成本并且低复杂性地生产的机翼。本发明的另一个目的是公开一种耐冲击并且安全地供民用领域使用的机翼和无人机。本发明的另一个目的是公开一种可容易地拆卸和随意处置，从而能够实现寿命一般比机翼大的昂贵电子组件，比如照相机、电池等的重新使用的低成本机翼。
发明内容
按照本发明，通过如权利要求1所述的适合于图像采集或监视的无人机的单翼，实现了上述目的和解决了现有解决方案的缺陷，所述单翼包含：
-肋形框架；和
-考虑到刚度和强度，在模塑期间在其中集成肋形框架的泡沫，所述泡沫具有容纳电气和/或电子组件的容器，所述泡沫至少在撞击侧，构成无人机的外层。
从而，按照本发明的机翼是一种由提供刚度和强度的肋形框架，和充当电子设备的保护容器的泡沫组成的轻型结构。由于按照泡沫构成撞击侧，即飞机机身的前侧和飞机机翼的前侧的外层的方式，把肋形框架集成在泡沫中，因此泡沫增强了飞机的抗冲击性，即，抵抗着陆期间，粗糙地面的撞击，或者飞行期间，撞到的飞鸟或小型物体的撞击的能力。更重要的是，冲击吸收泡沫还使机翼安全，从而供民用领域之用。与在撞击侧具有硬质表面材料的传统无人机相比，在被具有按照本发明的机翼的飞机碰撞(例如，在坠落之后)的情况下，人或动物受到致命伤或者严重受伤的机会，以及建筑物或物体遭受相当大的破坏的机会被显著减少。以按照本发明的机翼为基础的本质上安全的无人机使严重破坏或伤害的风险降至最小。这是为民用或商业任务获得飞行许可和保险的关键要求。
在生产中，架设肋形框架。之后，利用模具，压铸泡沫，以围绕和集成肋形框架和形成容器。这样，生产过程变得不复杂，经济有效，适合于批量生产。
按照本发明的单翼适合于其中利用静态数字照相机拍摄稍后处理的图像的图像采集应用，或者其中拍摄并实时传送运动图像的监视应用。
按照如权利要求2所述的机翼的一个可选特征，所述单翼是可拆卸和可更换的，而不处置所述电子组件。
事实上，通过例如切割泡沫，能够除去和更换按照本发明的机翼的优选实施例，而不存在电子组件的损失。具有肋形框架和泡沫的机翼具有数十次飞行的平均寿命，然而昂贵的电子设备，比如照相机、电池等的寿命至少大一个数量级。通常，这些电子组件具有1000次飞行或者更多次飞行的寿命。尽管当前的无人机必须被整体处置，不过按照本发明的机翼的容器结构使得能够除去和处置相对廉价的机翼，并替换以新机翼，从而回收昂贵的电子设备。
按照本发明的机翼可包含容纳容器的相当大的中央部分，和各自的前侧构成泡沫的一部分的两个侧部。
由于其较大的中央部分，在坠落的情况下的撞击面较宽，其结果是局部撞击被进一步降低。弹性泡沫和较宽的撞击面的组合效果从而进一步提高了当机翼用在民用领域时的安全性，另外显然改善了当在飞行期间被物体撞击时，无人机的抗冲击性。
如权利要求3中所述，按照本发明的单翼中的容器视情况包含至少3个分隔间：
-容纳电池的前部；
-容纳照相机的中部；和
-容纳电子控制电路的后部。
这3个部分最好形成无人机的中央部分或者机身。通过把电池放置在前部中，把照相机放置在中部中，和把控制电路放置在后部中，显著改善无人机的稳定性。具有按照本发明的机翼的无人机可在蒲福风级(Beaufort)高达6级的风中进行勘测操作。以按照本发明的吸收撞击的坚固机翼结构为基础的无人机的重量一般小于2千克，装备有电动推进器。于是，容器可以包含容纳电动机的第四部分，或者电动机可以和电子控制电路一起被放置在后部中。
按照权利要求4限定的另一个可选特征，按照本发明的单翼中的容器包含能够接近电子组件的盖子。
这样，能够方便地修理或更换电子组件。通过螺丝钉、铰链、片状铰链、扣钩、夹具、弹簧等，或者它们的组合，可打开和关闭所述盖子。
如权利要求5中所述，按照本发明的单翼中的肋形框架可包含以下材料中的一个或多个：
-碳；
-铝；
-玻璃纤维；
-塑料；
-木材；和
-复合材料。
肋形框架的材料的选择取决于重量限制、期望的坚固性、刚度、刚性、扭转刚度等。肋条可具有圆形、椭圆形、矩形、I形或T形剖面。剖面的选择受扭转刚度或抗挠刚度要求影响。例如就I或剖面来说，将围绕肋形框架固定模塑泡沫，从而不再能够旋转或回转。
如权利要求6所述，按照本发明的机翼中的泡沫可包含下述材料中的一个或多个，或者它们的混合物：
-聚苯乙烯；
-聚丙烯；
-发泡聚丙烯(EPP)。
泡沫材料的选择将取决于重量限制、其弹性或冲击吸收能力、在注射模塑工艺中使用该材料的能力、其耐候性(weather resistance)、预期寿命。通过利用不会丧失泡沫的弹性、冲击吸收性的材料，刷涂或覆盖表面，可以增强泡沫的耐候性。
除了按照权利要求1所述的机翼之外，本发明还涉及一种按照权利要求7所述的无人机，所述无人机包含按照本发明的单翼，还在容器中包含：
-电池；
-图像采集电子设备；
-控制电子设备；
-引擎。
事实上，按照本发明的无人机一般具有利用电池驱动的电动推进器。图像采集电子设备可由各种传感器组成。一个例子是高分辨率数字静态照相机，不过本发明显然并不局限于此。控制电子设备应控制飞机的引擎和飞行方案，以及图像采集电子设备。
附图说明
图1图解说明按照本发明的机翼的实施例中的肋形框架；
图2图解说明按照本发明的机翼的实施例中的泡沫；
图3图解说明按照本发明的机翼的实施例中的肋形框架和泡沫的集成；
图4图解说明按照本发明的无人机的实施例。
具体实施方式
图1表示为按照本发明的机翼的实施例提供坚固性、扭转刚度和刚性的肋形框架结构100。肋形框架100由通过在相应接合点中的塑性T形件互连的圆形剖面的碳质肋条(carbon rib)组成。特别地，图1中所示的肋形框架100由机头肋101，通过塑性接合点连接到机头肋101的前右舷肋102和前左舷肋103组成。肋形框架100还包含都通过塑性T形件，与前右舷肋102互连的右翼肋104和后右舷肋106。类似地，肋形框架100包含都通过第二塑性T形件，与前左舷肋103互连的左翼肋105和后左舷肋107。为了改善肋形框架100的扭转刚度和刚性，右翼肋104和左翼肋105通过另外的碳质肋条108互连。另外，右翼肋104和左翼肋105都由通过第三和第四T形件互连的两部分构成。这些T形件能够安装所述另外的肋条108。
在机翼的生产过程中，利用塑性接合点和T形件装配肋条，以便产生肋形框架100。之后，在将在注射模塑工艺中使用的模具中架设肋形框架100，在所述注射模塑工艺中，肋形框架100被集成到泡沫机翼中。
图2中表示单块泡沫200。单块泡沫200由相对较宽的中央部分或机身201，右侧部分202和左侧部分203组成。通过模塑工艺，机身201、右侧部分202和左侧部分203形成单块泡沫。本发明的备选实施例可被认为至少在冲击侧面上，即，机身201的前端204，右侧部分202的前边205和左侧部分203的前边206上，具有有弹性的基于泡沫的外表面，所述外表面使机翼抗冲击和安全，从而供民用领域之用。
图3图解说明模塑工艺的结果，即，肋形框架100在单块泡沫200中的集成。图3中看得见右翼肋104，左翼肋106，后右舷肋106和后左舷肋107。此外，图3表示通过模塑工艺，在机翼200的机身中形成的3个分隔间或舱室。前舱室301将充当飞机的电池的容器。中舱室302将充当照相机或传感器的容器。后舱室303将充当飞机的控制电子设备和电动推进器的容器。通过模塑实现的机翼的容器原理在碰撞或坠落的情况下，更好地保护昂贵的电气和电子组件，在故障或损坏的情况下，允许接近、修理和替换这些组件，并且在机翼受损或者达到其寿命的情况下，能够回收电子设备，以用在另一个机翼中。如上概述的3个分隔间和电池、照相机和控制电子设备的相对位置还改善了预定用于图像采集应用的无人机的稳定性。
图4至少表示按照本发明的以具有泡沫200和集成的肋形框架的机翼为基础的无人机400。集成框架对应于图1中的框架100，具有如上关于图1所述的通过塑性接合点和T形件互连的肋条101，102，103，104，105，106，107和108。框架被嵌入具有用于电子设备的容器的泡沫200中。容器由容纳电池的第一舱室301，容纳照相机的第二舱室302和容纳电动机和控制电子设备的第三舱室303组成。第二舱室302具有在泡沫底部的用于照相机的镜头的圆形小孔401。小孔401也是在模塑工艺中形成的，从而不会使制造过程复杂。
虽然参考具体实施例，说明本发明，不过对本领域的技术人员来说，显然本发明并不局限于上述例证实施例的细节，可以用众多的变化和修改来具体体现本发明，而不脱离本发明的范围。于是，在各个方面，当前的实施例都应被视为是例证性的，而不是对本发明的限制，本发明的范围由附加的权利要求限定，而不是由上面的说明限定，在权利要求的等同物的含意和范围内的所有变化意图包含在权利要求中。换句话说，预期覆盖在基本原理的范围之内，并且在本专利申请中要求保护其本质属性的任何修改、变化或等同物。另外，本专利申请的读者应明白用语“包含”不排除其它元件或步骤，用语“一个”不排除多个，并且诸如计算机系统、处理器或者另一个集成单元之类的单个元件可以完成权利要求中记载的几个装置的功能。权利要求中的任何附图标记不应被理解成限制所涉及的相应权利要求。当用在说明书中或者用在权利要求书中时，术语“第一”、“第二”、“第三”、“a”、“b”、“c”等用于区分类似的元件或步骤，未必描述顺序或时间先后次序。类似地，采用术语“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”等只是为了便于说明，未必表示相对位置。要明白在适当的情况下，这样使用的术语是可互换的，本发明的实施例能够依照本发明，按照其它顺序，或者按照与上面说明或例示的定向不同的定向工作。
Claims (7)
1.一种用于图像采集或监视的无人机(400)，所述无人机的机身(201)、右侧部分(202)以及左侧部分(203)形成通过注射模塑而获得的单块泡沫(200)，所述无人机(400)包括：
-肋形框架(100)；和
-所述单块泡沫(200)，在所述注射模塑期间在所述单块泡沫(200)中集成所述肋形框架(100)以获得刚度和强度，所述单块泡沫(200)具有容纳电气和/或电子组件的容器(301，302，303)，并且所述单块泡沫(200)至少在撞击侧(204，205，206)构成所述无人机(400)的外层，所述撞击侧(204，205，206)是所述机身(201)的前端(204)、所述右侧部分(202)的前边(205)以及所述左侧部分(203)的前边(206)，所述电气和/或电子组件包括图像采集电子设备。
2.按照权利要求1所述的无人机(400)，
在不去除所述电子组件的情况下，所述单块泡沫(200)和集成的肋形框架(100)是可拆卸并且可更换的。
3.按照权利要求1所述的无人机(400)，
其中所述容器(301，302，303)包含至少3个分隔间：
-容纳电池的前部(301)；
-容纳照相机的中部(302)；以及
-容纳电子控制电路和发动机的后部(303)。
4.按照权利要求1所述的无人机(400)，
其中所述容器包括使得能够触及所述电子组件的盖子。
5.按照权利要求1所述的无人机(400)，
其中所述肋形框架(100)包含以下材料中的一个或多个：
-碳；
-铝；
-玻璃纤维；
-塑料；
-木材；以及
-复合材料。
6.按照权利要求1所述的无人机(400)，
其中所述单块泡沫(200)包含以下材料中的一个或多个：
-聚苯乙烯；
-聚丙烯；以及
-发泡聚丙烯。
7.按照权利要求1-6中的任何一项所述的无人机(400)，在所述容器中还包含：
-电池；
-控制电子设备；以及
-发动机。
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