CN103459250A - 包括用于在地面上行进、竖直起飞与降落的系统的遥控微米/纳米级飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微米级无线电控制飞行器，该微米级无线电控制飞行器具有包括推进装置（23，24）的一个固定机翼（与旋转机翼相对），所述飞行器包括用于在地面上行进的一个装置，该装置被附接到该机翼的一个区段（18）的多个侧端上，多个轮（25）的旋转轴线Y1位于该微型无人机（40）的重心（31）前面，该微型无人机（40）的该重心（31）位于该微型无人机的气动中心（32）前面，这些轮（18）的旋转轴线Y1与这些推进装置（23，24）的推力轴线对准，并且行进装置（25）包括多个轮（25），这些轮（25）的大小被设定成使得它们的半径D/2大于这些轮的旋转轴线Y1与该机翼的后缘之间的距离。

Description

包括用于在地面上行进、竖直起飞与降落的系统的遥控微米/纳米级飞行器

本发明涉及一种包括用于滑行、竖直起飞与降落的系统的遥控微米/纳米级飞行器。

发明内容与所解决的问题

微米/纳米级飞行器越来越多地被用于例如在建筑物内进行遥控监视或侦查任务。这些装置是重量仅仅为数十克至数百克的飞行器，这些装置常常具有通过电动机驱动的螺旋桨。

室外任务与建筑物内的任务的具体要求很是不同，其中在建筑物内要求静止或精确飞行，而在室外需要快速飞行从而克服风的影响。因此，用于户外飞行的微型无人机（microdrone）常常为固定机翼型，而在封闭空间中用于侦查的微型无人机常常为旋转翼型。在本领域中为尤其已知的是具有四个管式水平旋翼的飞行器，这些管式水平旋翼通过刚性翼梁被连接到一个中央本体上。

如今出现了多任务的需求，而这些常规配置没有一个能够完全令人满意。

发明概述

为了提出一种多任务微型无人机，在第一实例中，本发明涉及一种微米级飞行器，该微米级飞行器包括一个遥控固定机翼微型无人机、具有一个纵向竖直对称平面XZ，所述微型无人机包括推进装置。

该微米级飞行器包括附接到该微型无人机的该固定机翼表面的一个机翼的横向末端上的多个轮，这些轮的旋转轴线Y1平行于该微型无人机的横向轴线Y，这些轮的这个旋转轴线Y1位于该机翼的前部，

这些轮具有一个直径D，使得这些推进装置以及该固定机翼表面不会伸出由这两个轮限定的圆柱体之外。

因此，除了这些轮的滑行功能之外，这些轮还用作该微型无人机的保护结构。

根据不同实施例，以下可以结合使用：

-这些轮的旋转轴线Y1相对于纵向轴线X被安排在该微型无人机的重心前面，从而当这些推进装置不提供推力时，该微型无人机自身的重量趋向于使其位于垂直平面内，也就是说位于垂直起飞位置。

-该微型无人机的重心相对于纵向轴线X位于该微型无人机的气动中心前面，从而在水平飞行中为该微型无人机提供静态稳定性。

-这些轮的旋转轴线Y1与推进装置的推力轴线对准，从而避免在这些推进装置运转时作用在该飞行器上的力矩。“对准”应理解为两轴相交。

-可以简单地通过在轮毂上拉动而将侧轮移除。因此，该微米级飞行器可以容易地被适配成用于不同任务，不论是涉及还是不涉及滑行阶段或在地面上等待的阶段。

-这些轮的旋转轴线Y1位于该机翼的前部，与前缘的距离在该机翼翼弦的5%与20%之间。

根据一个有利实施例，各个侧轮通过多个辐条被连接到其轮毂上，其中这些辐条向内弯曲，各个侧轮位于靠近一个推进装置的纵向轴线的纵向平面XZ上，这些辐条的曲率与该机翼的轮廓匹配，从而这个轮廓不会伸出这些辐条的该曲率之外。

根据另一个实施例，各个侧轮通过多个辐条被连接到其轮毂上，其中这些侧轮是大体上平面的，它们的辐条是共面的。这个安排提升了该微米级飞行器在地面上移动时的稳定性。

根据一个优选实施例，该机翼包括两个升降副翼，这两个升降副翼位于该微型无人机的纵向平面XZ的两侧、被附接到该机翼的后部上，并且围绕同一个横向轴线被铰接。

于是该微米级飞行器优选地包括用于彼此独立地控制这些升降副翼的装置，从而使得控制起来更简单。

更具体地说，这些升降副翼中的每一者都被固定到一个竖直稳定器上，该竖直稳定器垂直于该机翼的平面，这些竖直稳定器在相反的方向上延伸，从而这些升降副翼的移动使得这些竖直稳定器偏转。

在这种情况下，根据一个有利实施例，该微型无人机的这些竖直稳定器的尺寸被设定成使得当它们处在中性位置（即，不偏转）时，这些竖直稳定器中的每一者的末端略微地在相反方向上伸出由这些轮限定的圆柱体之外。

更具体地说，在这种情况下，这些末端位于与由这些轮限定的圆柱体相切的一个平面内。

在一个优选实施例中，这些推进装置包括两个反向旋转的螺旋桨，这些螺旋桨相对于纵向轴线X被安排在该机翼的前部、位于该微米级飞行器的纵向竖直对称平面XZ的两侧上。

该微米级飞行器优选地包括用于彼此独立地控制这些螺旋桨的操作的装置，从而使得在飞行中与地面上的控制更简单。

在第二个实例中，本发明涉及一种用于在地面上时控制所披露的一个微米级飞行器的方法，所述方法包括：

-偏转这些升降副翼从而使机身倾斜，

-启动这些推进装置。

本发明还涉及一种用于沿任何倾斜表面（尤其是墙壁或天花板）控制所披露的一个微米级飞行器的方法，该方法包括保持这些推进装置的推力的一个分量指向这个表面的一个控制步骤。

最后，本发明涉及一种用于改装遥控固定机翼微型无人机的套件，该套件具有一个纵向竖直对称平面XZ，所述微型无人机包括推进装置。

该套件包括：

-被称为侧轮的部件，

-用于将所述侧轮附接到该微型无人机的该固定机翼表面的一个机翼的横向末端上的装置，这些侧轮的旋转轴线Y1平行于该微型无人机的横向轴线Y，

这些侧轮具有一个直径D，使得该微型无人机的推进装置以及该固定机翼表面在被安装在该微型无人机上时不会伸出由这些侧轮限定的圆柱体之外。

附图简要说明

完全作为本发明的实施例的实例给出的以下说明涉及多个附图，在附图中：

-图1为具有一个滑行装置的微米级飞行器的透视图；

-图2为与图1相似的图，其中有一个单个翼尖轮处于组装位置；

-图3为与图1相似的透视图，其中多个水平控制表面在相反的方向上偏转，从而示出各水平控制表面如何与竖直稳定器连接；

-图4为图1中微米级飞行器的侧视图，该微米级飞行器被竖直竖立地安排在地面上并且准备起飞；

-图5为与图4相似的图，其中微米级飞行器正开始滑行。这些水平控制表面对称地偏转；

-图6为与图4和图5相似的图，其中该飞行器沿地面朝图的左边移动；

-图7为图1所示的微米级飞行器的俯视图；

-图8为图1所示的微米级飞行器的后视图；

-图9为具有另一种形式的滑行结构的微米级飞行器变体的透视图；

-图10为具有不同机翼形状的另一个变体的透视图；

-图11为本发明的另一个实施例的透视图；

-图12为如图11所示的实施例的透视图，其中没有滑行结构。

本发明的至少一个优选实施例的详细描述

如图1和图2所示，根据本发明的滑行无人机16主要包括一架微型无人机40，一个滑行与保护装置39被配合到该微型无人机上。

在本文中，微型无人机应理解为遥控或自主飞行器，并且通常具有数十厘米的翼展。以下描述也适用于纳米无人机的情况，该纳米无人机的翼展通常小于十厘米。

为说明书的剩余部分定义以下内容：

-位于水平面内并且与微型无人机40的移动方向一致的纵向轴线X；

-位于水平面内并且垂直于纵向轴线X的横向轴线Y；

-使这个参考系完整的垂直轴Z。

“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等术语将在说明书的剩余部分参考这些轴来限定。

微型无人机40首要地包括一个机身17，该机身被设计成用于容纳（例如）一台摄像机或专用于所计划任务的其他设备。微型无人机40进一步包括一个机翼18，该机翼的前部被固定到机身17上。作为一个非限制性实例，机翼18的翼展在这种情况下为大约三十厘米，并且翼弦长度为大约十五厘米。该机身与该机翼由轻质材料以微型无人机领域的技术人员已知的方式制成。

机翼18的前部支撑着两个螺旋桨23、24，这两个螺旋桨由马达驱动（例如电动机），其中这些螺旋桨23、24在机身17的两侧被安排在机翼18的正面。在这种情况中，这些螺旋桨23、24是反向旋转的。

用于螺旋桨23、24的这些马达被独立地控制，使得有可能依靠这些螺旋桨被安排在微型无人机的纵向对称平面的两侧，通过使用由各个螺旋桨生成的推力，而在水平飞行中确保该飞行器保持其航向，并且在地面上时操纵该飞行器。在纵向对称平面的两侧的这种安排还实现简单组装，这一点与包括被安排在同一个轴上的两个螺旋桨的安排形成对比，因为后一种安排尤其需要空心轴的使用以及复杂并且易坏的驱动机构。

通过电池向螺旋桨23、24的这些马达供应能量；这些马达由电子器件控制，该电子器件自身在本发明的外围之外，并且因此本文不会更详细地对其进行解释。

机翼18包括两个升降副翼19、21，这两个升降副翼位于微型无人机40的纵向轴线X的两侧、被附接到该机翼的后部上，并且围绕同一个横向轴线被铰接。这些升降副翼19、21被独立地控制。控制这些升降副翼19、21的移动使得有可能以一种本身已知的方式控制微型无人机40的俯仰和翻滚。该微型无人机的控制逻辑在本发明的范围之外。

这些升降副翼19、21中的每一者都被固定到竖直稳定器上，在本实例中，该竖直稳定器垂直于机翼18的平面（并且更一般地，不平行于该平面）。左升降副翼19被固定到一个“上”竖直稳定器20上，该竖直稳定器位于机翼18的平面的上方，而右升降副翼21被固定到一个“下”竖直稳定器22上，该竖直稳定器位于机翼18的平面的下方。因此，升降副翼19、21的不同移动使得竖直稳定器20、22偏转，如图3所示。

滑行无人机16的滑行与保护装置39包括两个侧轮25。这些侧轮25中的每一者都通过一个轮毂27以及被插入到在机翼18的厚度内形成的一个壳体29中的一根轴杆30而被附接到机翼18的一个横向末端上。各侧轮25可以（例如）通过被安排在所述壳体29内的滚珠轴承在其壳体29中自由旋转。在此处所考虑的实施例中，可以简单地通过在轮毂27上拉动而将侧轮25移除。

轮25的旋转轴线Y1因此平行于横向轴线Y。轮25的这个旋转轴线Y1位于机翼18的前部，在本实例中，与附近的前缘的距离大约为机翼18的翼弦的10%。

更一般地，轮25的旋转轴线Y1被安排在微型无人机40的重心31前面，从而当螺旋桨23、24不产生推力时，微型无人机40自身的重量趋向于使其位于垂直平面YZ上，也就是说位于垂直起飞位置。

此外，微型无人机40的重心31位于该微型无人机的气动中心32前面，从而在水平飞行中为该微型无人机提供静态稳定性。

最后，轮18的旋转轴线Y1与螺旋桨23、24的推力轴线对准，从而避免在这些螺旋桨运转时作用在该飞行器上的旋转力矩。

在这种情况下，轮25的直径D为大约三十厘米。如图4所示，这个直径D被选择成使半径D/2大于轮的旋转轴线Y1与升降副翼19、21的后缘之间的距离。相似地，这个直径D优选地使得螺旋桨23、24不会伸出由两个轮25限定的圆柱体之外。

因此，在微型无人机40撞上障碍物的情况下，轮25会保护螺旋桨23、24和机翼18。

各轮25通过多个辐条26被连接到对应的轮毂27上，在这个实施例中为四个辐条，辐条的数目绝不是限制性的。

如图7和图8所示，在本实例中，这些辐条26向内弯曲，其中各轮25位于靠近螺旋桨23、24的轴的纵向平面XZ上。

辐条26的曲率与机翼18的轮廓匹配，从而后者不会伸出此曲率之外（见图7）。

为了最小化该微型无人机的重量，轮25和辐条26在这种情况下由碳纤维或任何其他轻质材料制成。

在本实施例中，微型无人机40的竖直稳定器20、22的尺寸被设定成使得当它们处在中性位置（即，不偏转）时，这些竖直稳定器中的每一者的末端34、35略微地在相反方向上伸出由各轮25限定的圆柱体之外，在这种情况下伸出若干厘米。此外，这些末端34、35位于与由各轮25限定的圆柱体相切的平面内（见图4）。

以此方式，在中性位置，在滑行无人机16位于水平平面上的情况下，当该机身被安排在垂直轴Z上并且竖直稳定器20、22通过它们的末端34、35而搁置在该水平平面上时，会建立一个稳定的平衡位置。

操作方式

如图4所示，从大体上水平表面33上的静止位置开始，滑行无人机16显然可以通过使用其螺旋桨23、24来垂直起飞。

也有可能偏转升降副翼19、21从而使机身17倾斜（图5）。之后，启动螺旋桨23、24，与升降副翼的这个偏转一起实现微型无人机40的额外的倾斜（图6），从而允许它在螺旋桨推力的作用下滑行。

以相同的方式，有能够通过保持螺旋桨23、24推力的一个分量指向这个表面，来命令该微型无人机移动越过任何平面或表面，尤其是墙壁或天花板。

只要机翼具有足够的刚度，通过向该机翼的末端添加该滑行系统，这个思路可以被应用于许多垂直起飞的微型无人机。因此，本发明还涉及一种用于将这种微型无人机改装为能够滑行的飞行器的套件。

本发明的优点

应理解，该装置与现有技术相比提供了显著的优点。

本发明涉及一种多任务微米级飞行器。它包括多个元件，这些元件允许微米级飞行器移动或翻滚越过一个平面（尤其是在地面上），并且使它能够从地面再次起飞。

当飞行器飞近例如墙壁的障碍物时，以及当它掉落到地上时，本发明的“滑行结构”部分保护该飞行器。

螺旋桨被安排在微型无人机的纵向对称平面的两侧，使得在地面上与飞行中的无人机易于控制。

在例如建筑物内的任务的特定场合中，在空中平移的能力是不必要的。

在这种情况下，使用较少能量的在地面上的平移足以完成任务。在地面上移动的能力能够节省能量，并且因此增加飞行器的任务次数。

此外，不论在地面上什么位置，所描述的配置使得有可能在掉落之后再次起飞。

所描述的微型无人机具有在水平和垂直飞行之间切换的能力。这部分归因于反向旋转的螺旋桨。此外，通过在牵引式配置中使用螺旋桨，有能够补偿接近静止的垂直飞行（因为该飞行器的空速为零）中的控制表面的效率损失，因为这些螺旋桨在这些控制表面上产生空气流。

本发明的替代形式

本发明的范围不被限制于被认为是举例的以上实施例的细节，而是延伸至可由本领域的技术人员所实施的那些修改。

在图9中所说明的第一实施方案变体中，轮25被平面轮44取代，它们的辐条是共面的。这个安排增加了滑行无人机16在地面上时的横向稳定性。

在第二变体（图10）中，微型无人机的机翼的形状为细长的八角形45。

在又另一个变体（见图11和图12）中，微型无人机40为双翼机型、具有第二机翼46，该第二机翼被安排在主机翼45的下后方。

Claims (18)

1.一种微米级飞行器，包括一个遥控式固定机翼的微型无人机（40）、具有一个纵向竖直对称平面XZ，所述微型无人机（40）包括推进装置（23，24）

其特征在于，该微米级飞行器包括附接到该微型无人机（40）的该固定机翼表面的一个机翼（18）的多个横向末端上的多个侧轮（25），这些侧轮（25）的旋转轴线Y1平行于该微型无人机（40）的横向轴线Y，

这些侧轮（25）具有一个直径D，使得这些推进装置（23，24）以及该固定机翼表面并不伸出由这两个侧轮（25）限定的圆柱体之外。

2.如权利要求1所述的微米级飞行器，其特征在于，这些侧轮（25）的该旋转轴线Y1相对于纵向轴线X被安排在该微型无人机（40）的重心前面。

3.如权利要求1和2之一所述的微米级飞行器，其特征在于，该微型无人机（40）的该重心相对于该纵向轴线X位于该微型无人机（40）的气动中心（32）前面。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，这些侧轮（25）的该旋转轴线Y1与这些推进装置（23，24）的推力轴线对准。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，可以简单地通过在多个轮毂（27）上拉动而将这些侧轮（25）从该机翼上移除。

6.如权利要求1至5中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，这些侧轮（25）的该旋转轴线Y1位于该机翼（18）的前部中、与附近的前缘的距离是在该机翼（18）的翼弦的5%与20%之间。

7.如权利要求1至6中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，各个侧轮（25）通过多个辐条（26）被连接到其轮毂（27）上，其中这些辐条（26）向内弯曲，各个侧轮（25）位于靠近推进装置（23，24）的纵向轴线的一个纵向平面XZ上，这些辐条（26）的曲率与该机翼（18）的轮廓匹配，从而此轮廓不伸出这些辐条（26）的此曲率之外。

8.如权利要求1至6中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，各个侧轮（25）通过多个辐条（26）被连接到其轮毂（27）上，其中这些侧轮（25）是大体上平面的，它们的辐条（26）是共面的。

9.如权利要求1至8中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，该机翼（18）包括两个升降副翼（19，21），这两个升降副翼位于该微型无人机（40）的纵向平面XZ的两侧、被附接到该机翼（18）的后部上、并且围绕同一条横向轴线被铰接。

10.如权利要求9所述的微米级飞行器，其特征在于，该微米级飞行器包括用于彼此独立地控制这些升降副翼（19，21）的装置。

11.如权利要求10所述的微米级飞行器，其特征在于，这些升降副翼（19，21）中的每一者都被固定到一个竖直稳定器上，该竖直稳定器垂直于该机翼（18）的平面，这些竖直稳定器在相反的方向上延伸，从而这些升降副翼（19，21）的移动使得这些竖直稳定器（20，22）偏转。

12.如权利要求11所述的微米级飞行器，其特征在于，该微型无人机（40）的这些竖直稳定器（20，22）的尺寸被设定成使得当它们处在中性位置，即，不偏转时，这些竖直稳定器（20，22）中的每一者的末端（34，35）略微地在相反方向上伸出到由这些轮（25）限定的该圆柱体之外。

13.如权利要求12所述的微米级飞行器，其特征在于，这些末端（34，35）位于与由这些轮（25）限定的该圆柱体相切的一个平面内。

14.如权利要求1至13中任何一项所述的微米级飞行器，其特征在于，这些推进装置包括两个反向旋转的螺旋桨（23，24），这些螺旋桨相对于该纵向轴线X被安排在该机翼（18）的前部中、位于该微米级飞行器的该纵向竖直对称平面XZ的两侧上。

15.如权利要求14所述的微米级飞行器，其特征在于，该微米级飞行器包括用于彼此独立地控制这些螺旋桨（23，24）的操作的装置。

16.一种用于控制在地面上的如权利要求12至15中任何一项所述的微米级飞行器的方法，所述方法包括：

-偏转这些升降副翼（19，21）从而使机身（17）倾斜，

-启动这些推进装置（23，24）。

17.一种用于沿任何倾斜表面、尤其是墙壁或天花板来控制如权利要求1至15中任何一项所述的微米级飞行器的方法，该方法包括保持这些推进装置（23，24）的推力的一个分量指向这个表面的一个控制步骤。

18.一种用于改装遥控式固定机翼的微型无人机（40）的套件，该套件具有一个纵向竖直对称平面XZ，所述微型无人机（40）包括推进装置（23，24）

其特征在于，该套件包括被称为侧轮（25）的部件，

用于将所述侧轮（25）附接到该微型无人机（40）的固定机翼表面的一个机翼（18）的横向末端上的装置，这些侧轮（25）的旋转轴线Y1平行于该微型无人机（40）的横向轴线Y，

这些侧轮（25）具有一个直径D，使得该微型无人机（40）的这些推进装置（23，24）以及该固定机翼表面在被安装在该微型无人机（40）上时并不伸出到由这些侧轮（25）限定的圆柱体之外。

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