CN104163241A - 一种物流无人直升机 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空技术领域，涉及一种无人机，特别是一种物流无人直升机,包括机身和设置在机身上的旋翼，所述机身为十字型结构，四根机体框架固定于十字形结构上将机身托起，在机身的中央位置安装有中央共轴对转双旋翼，由油动发动机提供动力，在十字形结构的四个末端安装有四个提供调姿能力的电动四旋翼，四个电动四旋翼分别由四个无刷电动机提供动力，具有整流外形的货框通过货框架吊挂在机身下方。本发明兼顾长航时、安全性、能量利用、地面操纵便利的优点，能够作为一款物流用无人机投入使用。

Description

一种物流无人直升机

技术领域

本发明属于航空技术领域，涉及一种无人机，特别是一种物流无人直升机。

背景技术

随着城市生活节奏不断加快，对物流效率要求不断提高，传统地面车辆运输已经不能满足快速、实时速递的需要，无人机空中物流应运而生。在偏远地区、山区地形状态下，特别是如泰山等景区，山路崎岖，人力运输物品耗时费力，效率低下，依靠物流无人机将大幅度提高物品配送效率，降低人力成本。传统的单旋翼无人机，由于旋翼长度较长，高速旋转时占地面积大，在起降时对地面人员和物品产生较大的安全威胁，而多轴无人机，由于目前只能采用有限的电池动力，导致航时短、载重小，不能同时兼顾航时和载重的要求，而且安全性差，这两种无人机都不能满足城市、偏远地区和山区等地区的空中物流承载工具要求。因此，需要有一种这样的无人机，能够满足垂直起降、较大载重和较长航时、具有较低的对地面损害设计和良好的运行安全性，同时在能量管理方面优于当前的无人机。

发明内容

本发明的目的是：提出一种物流无人直升机，同时满足长航时、大载重和运行安全性要求，特别适合在城市、山区、偏远地区承担物流工作。

本发明的技术方案是：一种物流无人直升机，包括机身1和设置在机身1上的旋翼，所述机身1为十字型结构，四根机体框架2固定于十字形结构上将机身1托起，在机身1的中央位置安装有中央共轴对转双旋翼3，由油动发动机4提供动力，在十字形结构的四个末端安装有四个提供调姿能力的电动四旋翼5，四个电动四旋翼5分别由四个无刷电动机6提供动力，具有整流外形的货框7通过货框架8吊挂在机身下方。

所述中央共轴对转双旋翼3通过对转轴9安装在机身1的中央位置，对转轴9连接油动发动机4，对转轴9的下端连接共轴发电机11，共轴发电机11连接到机载充电电池12；直升机正常飞行时，油动发动机4提供动力驱动对转轴9旋转进而带动中央共轴对转双旋翼旋转3，共轴发电机11在对转轴9的驱动下将产生的电能存储到机载充电电池12；在油动发动机4失效而不能产生动力时，与中央共轴对转双旋翼3共轴的共轴发电机11转换为电动机，依靠机载充电电池12提供的电力维持中央共轴对转双旋翼3的工作，提供升力，降低下落速度。

无刷电动机6与机载充电电池12连接，在油动发动机4失效而不能产生动力时，电动四旋翼5除了继续提供调姿能力，也将依靠机载电池12提供的电力提供辅助升力，连同中央共轴对转双旋翼3使直升机缓慢降落到地面。

还设置有与油动发动机4和无刷电动机6以及机载充电电池12连接的机载飞行控制系统13，在机体框架上设置有若干个超声波探测仪14，超声波探测仪14将六个方向的障碍信号传递给机载飞行控制系统13，使飞机在空中采用回避或停留方式避免碰撞，在下降至起降台时，超声波探测仪14将距离地面距离信号提供给机载飞行控制系统13，使飞机缓慢降落至地面，以免损坏飞机。

还设置有与油动发动机4、无刷电动机6、共轴发电机11以及机载充电电池12连接的机载能量控制系统15，共轴发电机11产生的电能由机载能量控制系统15存储于机载充电电池12，并同时提供给无刷电动机6，减少无刷电动机6自带电池的消耗量；在油动发动机4失效停转时，机载能量控制系统15将电能提供给共轴发电机11使之成为电动机带动中央共轴对转双旋翼3继续工作，降低飞行器下落速度，并同时将部分电能提供给电动四旋翼5，使之继续完成姿态调整功能外并提供部分升力。

在机体框架2的底部设置有起落架16，所述起落架16内嵌充气气囊17，充气气囊17连接有高压气瓶18，紧急迫降时高压气瓶18对充气气囊17充气形成缓冲气囊，降低对地面物体的伤害。

在机身1的外围还设置有防撞的旋翼围框10。

本发明的优点是：本发明兼顾长航时、安全性、能量利用、地面操纵便利的优点，能够作为一款物流用无人机投入使用。

本发明采用油动-电动组合的长航时设计，本发明采用油动发动机驱动中央共轴对转双旋翼，提供大升力和长航时能力，但是不采用斜盘等旋翼控制机构，减少结构复杂性和重量。采用四周电动多旋翼，提供姿态调整和飞行控制，同时，还能提出部分升力。这种设计，充分发挥了油动发动机+旋翼的长航时和大升力优点，发挥了电动多旋翼的姿态调整能力，在使用中电动多旋翼仅用于调姿而不会消耗大量电力用于产生升力，从而解决了纯四旋翼的电力不足和升力不足问题。

本发明采用动力冗余安全性设计，设计了发电机转换电动机驱动中央旋翼产生主升力和四旋翼产生备份升力的动力冗余安全性设计。在油动发动机失效而不能产生动力时，与中央旋翼共轴的发电机转换为电动机，依靠机载电池提供的电力维持中央旋翼工作，以提供升力，降低下落速度。同时，四旋翼除了继续提供调姿能力，也将依靠机载电池提供的电力，提供辅助升力，连同中央旋翼使无人机缓慢降落到地面。

本发明采用机载电源和油动发电的能量管理系统设计，在正常飞行时，油动发动机除了带动中心对转双旋翼工作外，还带动同轴发电机进行发电，产生电能由能源管理系统存储于电池并同时提供给电动四旋翼使用，减少电池的消耗量。在油动发动机失效停转时，能源管理系统控制提供给发电机，使之成为电动机带动中心对转双旋翼继续工作，降低飞行器下落速度，同时，能源管理系统提供部分电力给电动四旋翼，使之继续完成姿态调整功能外，亦提供升力，连同中心对转双旋翼降低下落速度。

本发明采用中心共轴对转双旋翼和四周电旋翼的布局设计和飞行控制设计，针对长航时、大载重、安全性的中心共轴对转双旋翼和四周电旋翼的布局设计，充分利用了油动动力的长航时和电动四旋翼的调姿能力，在动力上没有损失。与之配套的飞行控制系统是专门针对这种构型的控制率设计。

本发明采用空中防撞、缓冲设计，采用超声波距离测量装置，在具有探测无人机周边6个方向的障碍物的能力，在空中飞行中遭遇飞行方向上的障碍物时，超声波探测仪将障碍信号传递给机载飞行控制系统，使飞机在空中采用回避或停留方式避免碰撞。在下降至起降台时，超声波探测仪将提供距离地面距离信号，使飞机缓慢降落至地面，以免损坏飞机。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3a是本发明机载能量控制系统工作原理图(正常工作状态)；

图3b是本发明机载能量控制系统工作原理图(紧急工作状态)；

图4a本发明货框示意图(左视图)；

图4b本发明货框示意图(右视图)；

图4c本发明货框示意图(打开状态)；

图5a本发明起落架结构示意图(正常状态)；

图5b本发明起落架结构示意图(充气状态)；

图6本发明空中防撞示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，请参见图1至图6。

如图1及图2所示，一种物流无人直升机，包括机身1和设置在机身1上的旋翼，所述机身1为十字型结构，四根机体框架2固定于十字形结构上将机身1托起，在机身1的中央位置安装有中央共轴对转双旋翼3，由油动发动机4提供动力，在十字形结构的四个末端安装有四个提供调姿能力的电动四旋翼5，四个电动四旋翼5分别由四个无刷电动机6提供动力，具有整流外形的货框7通过货框架8吊挂在机身下方。如图4a至图4c所示，物流货框是中心对称的流线型(类似副油箱)，是三次曲线的旋转体。处于中心转轴之下，轴线与中心旋翼轴线重合，最大程度上减少对升力气流的阻碍。

如图1及图2所示，所述中央共轴对转双旋翼3通过对转轴9安装在机身1的中央位置，对转轴9连接油动发动机4，对转轴9的下端伸出油动发动机4后连接到共轴发电机11，共轴发电机11通过电缆连接到机载充电电池12；直升机正常飞行时，油动发动机4提供动力驱动对转轴9旋转进而带动中央共轴对转双旋翼旋转3，共轴发电机11在对转轴9的驱动下将产生的电能存储到机载充电电池12；在油动发动机4失效而不能产生动力时，与中央共轴对转双旋翼3共轴的共轴发电机11转换为电动机，依靠机载充电电池12提供的电力维持中央共轴对转双旋翼3的工作，提供升力，降低下落速度。

无刷电动机6与机载充电电池12连接，在油动发动机4失效而不能产生动力时，电动四旋翼5除了继续提供调姿能力，也将依靠机载电池12提供的电力提供辅助升力，连同中央共轴对转双旋翼3使直升机缓慢降落到地面。

还设置有与油动发动机4和无刷电动机6以及机载充电电池12连接的机载飞行控制系统13，机载飞行控制系统13带有加速度计等传感器，负责测量机体的姿态，根据指令要求自动调整电动四旋翼[5]的转速，使机体保持稳定、运动和转向。同时，机载飞行控制系统13还在油动发动机4失效时，控制自动调整电动四旋翼5的转速，使物流无人机在下降中保持稳定。在机体框架上设置有若干个超声波探测仪14，超声波探测仪14将六个方向的障碍信号传递给机载飞行控制系统13，使飞机在空中采用回避或停留方式避免碰撞，在下降至起降台时，超声波探测仪14将距离地面距离信号提供给机载飞行控制系统13，使飞机缓慢降落至地面，以免损坏飞机。

如图3a及图3b所示，还设置有与油动发动机4、无刷电动机6、共轴发电机11以及机载充电电池12连接的机载能量控制系统15，共轴发电机11产生的电能由机载能量控制系统15存储于机载充电电池12，并同时提供给无刷电动机6，减少无刷电动机6自带电池的消耗量；在油动发动机4失效停转时，机载能量控制系统15将电能提供给共轴发电机11使之成为电动机带动中央共轴对转双旋翼3继续工作，降低飞行器下落速度，并同时将部分电能提供给电动四旋翼4，使之继续完成姿态调整功能外并提供部分升力。

如图5a及图5b所示，在机体框架2的底部设置有起落架16，所述起落架16内嵌充气气囊17，充气气囊17连接有高压气瓶18，紧急迫降时高压气瓶18对充气气囊17充气形成缓冲气囊，降低对地面物体的伤害。

在机身1的外围还设置有防撞的旋翼围框10。如图6所示，本发明设计采用超声波距离测量装置，在具有探测无人机周边6个方向的障碍物的能力，在空中飞行中遭遇飞行方向上的障碍物时，超声波探测仪将障碍信号传递给机载飞行控制系统，使飞机在空中采用回避或停留方式避免碰撞。在下降至起降台时，超声波探测仪将提供距离地面距离信号，使飞机缓慢降落至地面，以免损坏飞机。

在具体实施例中，本发明可以采用高旋翼的人体安全性，使旋翼面设计距离地面2000mm，在起飞、降落、取送物品时，操纵人员始终能够与旋翼面保持200mm左右的安全距离。旋翼外廓由碳纤维杆件围成封闭框，防止旋翼飞行时与空中障碍物碰撞，以及极端情况下翻倒时对地面人员、物品的伤害，确保无人直升机不对人员或物品造成损害，同时也对无人直升机起到很好的保护作用。

本发明采用油动-电动组合的长航时设计，本发明采用油动发动机驱动中央共轴对转双旋翼，提供大升力和长航时能力，但是不采用斜盘等旋翼控制机构，减少结构复杂性和重量。采用四周电动多旋翼，提供姿态调整和飞行控制，同时，还能提出部分升力。这种设计，充分发挥了油动发动机+旋翼的长航时和大升力优点，发挥了电动多旋翼的姿态调整能力，在使用中电动多旋翼仅用于调姿而不会消耗大量电力用于产生升力，从而解决了纯四旋翼的电力不足和升力不足问题。

本发明采用动力冗余安全性设计，设计了发电机转换电动机驱动中央旋翼产生主升力和四旋翼产生备份升力的动力冗余安全性设计。在油动发动机失效而不能产生动力时，与中央旋翼共轴的发电机转换为电动机，依靠机载电池提供的电力维持中央旋翼工作，以提供升力，降低下落速度。同时，四旋翼除了继续提供调姿能力，也将依靠机载电池提供的电力，提供辅助升力，连同中央旋翼使无人机缓慢降落到地面。

本发明采用机载电源和油动发电的能量管理系统设计，在正常飞行时，油动发动机除了带动中心对转双旋翼工作外，还带动同轴发电机进行发电，产生电能由能源管理系统存储于电池并同时提供给电动四旋翼使用，减少电池的消耗量。在油动发动机失效停转时，能源管理系统控制提供给发电机，使之成为电动机带动中心对转双旋翼继续工作，降低飞行器下落速度，同时，能源管理系统提供部分电力给电动四旋翼，使之继续完成姿态调整功能外，亦提供升力，连同中心对转双旋翼降低下落速度。

本发明采用中心共轴对转双旋翼和四周电旋翼的布局设计和飞行控制设计，针对长航时、大载重、安全性的中心共轴对转双旋翼和四周电旋翼的布局设计，充分利用了油动动力的长航时和电动四旋翼的调姿能力，在动力上没有损失。与之配套的飞行控制系统是专门针对这种构型的控制率设计。

本发明采用空中防撞、缓冲设计，采用超声波距离测量装置，在具有探测无人机周边6个方向的障碍物的能力，在空中飞行中遭遇飞行方向上的障碍物时，超声波探测仪将障碍信号传递给机载飞行控制系统，使飞机在空中采用回避或停留方式避免碰撞。在下降至起降台时，超声波探测仪将提供距离地面距离信号，使飞机缓慢降落至地面，以免损坏飞机。

Claims (7)

1.一种物流无人直升机，包括机身[1]和设置在机身[1]上的旋翼，其特征在于，所述机身[1]为十字型结构，四根机体框架[2]固定于十字形结构上将机身[1]托起，在机身[1]的中央位置安装有中央共轴对转双旋翼[3]，由油动发动机[4]提供动力，在十字形结构的四个末端安装有四个提供调姿能力的电动四旋翼[5]，四个电动四旋翼[5]分别由四个无刷电动机[6]提供动力，具有整流外形的货框[7]通过货框架[8]吊挂在机身下方。

2.根据权利要求1所述的一种物流无人直升机，其特征在于，所述中央共轴对转双旋翼[3]通过对转轴[9]安装在机身[1]的中央位置，对转轴[9]连接油动发动机[4]，对转轴[9]的下端连接共轴发电机[11]，共轴发电机[11]连接到机载充电电池[12]；直升机正常飞行时，油动发动机[4]提供动力驱动对转轴[9]旋转进而带动中央共轴对转双旋翼旋转[3]，共轴发电机[11]在对转轴[9]的驱动下将产生的电能存储到机载充电电池[12]；在油动发动机[4]失效而不能产生动力时，与中央共轴对转双旋翼[3]共轴的共轴发电机[11]转换为电动机，依靠机载充电电池[12]提供的电力维持中央共轴对转双旋翼[3]的工作，提供升力，降低下落速度。

3.根据权利要求2所述的一种物流无人直升机，其特征在于，无刷电动机[6]与机载充电电池[12]连接，在油动发动机[4]失效而不能产生动力时，电动四旋翼[5]除了继续提供调姿能力，也将依靠机载电池[12]提供的电力提供辅助升力，连同中央共轴对转双旋翼[3]使直升机缓慢降落到地面。

4.根据权利要求3所述的一种物流无人直升机，其特征在于，还设置有与油动发动机[4]和无刷电动机[6]以及机载充电电池[12]连接的机载飞行控制系统[13]，在机体框架上设置有若干个超声波探测仪[14]，超声波探测仪[14]将六个方向的障碍信号传递给机载飞行控制系统[13]，使飞机在空中采用回避或停留方式避免碰撞，在下降至起降台时，超声波探测仪[14]将距离地面距离信号提供给机载飞行控制系统[13]，使飞机缓慢降落至地面，以免损坏飞机。

5.根据权利要求4所述的一种物流无人直升机，其特征在于，还设置有与油动发动机[4]、无刷电动机[6]、共轴发电机[11]以及机载充电电池[12]连接的机载能量控制系统[15]，共轴发电机[11]产生的电能由机载能量控制系统[15]存储于机载充电电池[12]，并同时提供给无刷电动机[6]，减少无刷电动机[6]自带电池的消耗量；在油动发动机[4]失效停转时，机载能量控制系统[15]将电能提供给共轴发电机[11]使之成为电动机带动中央共轴对转双旋翼[3]继续工作，降低飞行器下落速度，并同时将部分电能提供给电动四旋翼5，使之继续完成姿态调整功能外并提供部分升力。

6.根据权利要求5所述的一种物流无人直升机，其特征在于，在机体框架2的底部设置有起落架[16]，所述起落架[16]内嵌充气气囊[17]，充气气囊[17]连接有高压气瓶[18]，紧急迫降时高压气瓶[18]对充气气囊[17]充气形成缓冲气囊，降低对地面物体的伤害。

7.根据权利要求6所述的一种物流无人直升机，其特征在于，在机身1的外围还设置有防撞的旋翼围框[10]。