CN105083522A - 一种碟形充气式飞行器及飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充气式飞行器制造领域，本发明公开的飞行器包括充装轻质气体的浮力装置、高压储气装置、气体交换装置、水平驱动装置、飞行器主仓。该飞行器利用充装轻质气体（如氢气、氦气等）的浮力装置获得克服飞行器自身重量的升力，并利用水平驱动装置产生的推力驱动飞行器做水平方向的运动，飞行器采用太阳能电池作为电力供应源。其特征在于飞行器浮力装置由具固定形态的上层膜或壳与具明显形变特征的下层膜通过边缘部结合形成的密闭腔体构成。本发明提出的充气式飞行器结构简单，通过浮力装置上层膜内置的太阳能电池提供了电力能源，适合于长时间滞空飞行。

Description

一种碟形充气式飞行器及飞行控制方法

技术领域

本发明涉及充气式飞行器制造领域，尤其涉及能够在空中长航时飞行的充气式飞行器制造领域。

背景技术

目前常见的飞行器按升力方式可分为固定翼飞行器、旋翼飞行器和气球式飞行器。

固定翼飞行器主要靠飞行过程中机翼产生升力来平衡飞行器自身的重力。固定翼飞行器具有飞行速度快、机动性强的优点。但其在某些特定场合的应用具有局限性，无法在空中悬停对某一固定目标进行长时间观察，同时固定翼飞机在飞行过程中需要消耗大量的燃料。

旋翼飞行器靠旋翼产生升力来平衡飞行器的重力，该飞行器通过旋翼的倾斜产生水平方向的分力以实现水平方向的运动。该飞行器机动性强，可实现在空中的悬停功能。但该类飞行器飞行过程中同样需要消耗大量的能源，飞行时间受到制约。

气球式飞行器靠气球内部的轻质气体相对于空气比重差产生的浮力平衡自身重力。气球式飞行器具有能长时间在空中悬停的优点，但该类飞行器机动性差，易受天气等因素的制约。

因此，市场迫切需要一种既能够节省能源消耗，又具有一定的机动能力的飞行器。

Multimax,Inc.公司于2006年申报一项名为“Hybridunmannedvehicleforhighaltitudeoperations”（可进行高度控制的混合动力无人机）的美国发明专利（美国专利号：US7341223B2）。该发明提出的无人机包括：具有空气动力学形状充装有轻质气体的气球装置，飞行主仓通过绳索连接悬停于气球装置下方，飞行主仓安置有水平驱动装置，该装置可在水平范围内做360度的旋转。该装置通过充装轻质气体的气球装置获得上升的动力，并通过水平移动飞行主仓位置使具有空气动力学形状的气球装置发生倾斜，以此进行飞行高度的控制。沿水平方向的飞行则通过水平驱动装置完成，飞行器飞行方向的控制则通过飞行主仓在水平面的旋转完成。该飞行器虽然可以实现长时间在空中的飞行，但其对于飞行高度的控制依赖于空气的流动，无法对飞行高度进行准确的控制。同时该飞行器的水平推进装置与包含控制装置、电池组、太阳能板、载荷等装置的飞行器主仓结合在一起，一方面由于主仓的重量影响水平驱动装置方向调节的灵活性，另一方面主仓的转动造成对飞行器载荷设备，如摄像机等设备的工作状态造成干扰。

Voss,PaulB于2004年申报的一向名为“Systemandmethodforaltitudecontrol”（飞行高度控制的系统与方法）的美国发明专利。该发明提出一种对充装轻质气体气球飞行高度进行控制的系统与方法。该系统包括具有伸缩性的常压气球装置、非伸缩性的高压气球装置以及在常压气球与高压气球之间进行气体交换的气体交换装置。当气体交换装置的气阀开启将高压气球内的轻质气体释放到常压气球时，造成常压气球的体积膨胀使气球装置的浮力增加，从而可以控制气球装置向高处飞行。当气体交换装置的气泵启动，将常压气球内的轻质气体充入高压气球时，常压气球内的气体减少体积收缩，使气球的浮力减少，从而可以控制气球向低处飞行。该发明可以通过轻质气体交换装置对飞行器的高度进行精确控制。

以上飞行器中构成气球的薄膜具有伸缩性，不利于在其表面覆盖柔性太阳能电池板，同时气球的形状也不利于在空气中飞行时减少空气的阻力，以上第二种飞行器提供的实施例将气球内置在飞艇中，增加了飞行器的结构复杂程度。因此对于气球式飞行器需要一种既具有气球功能，又便于在其表面覆盖柔性太阳能电池板，还有利于减少空气中飞行阻力的气球式飞行器。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提出一种具有一定机动能力、能够长航时飞行的飞行器。该飞行器包括包括充装轻质气体的浮力装置、水平驱动装置、高压储气装置、气体交换装置、飞行器主仓。该飞行器利用充装轻质气体（如氢气、氦气等）的浮力装置获得克服飞行器自身重量的升力，利用气体交换装置在浮力装置与高压储气装置之间交换轻质气体对飞行器的飞行高度进行控制，并利用水平驱动装置产生的推力驱动飞行器做水平方向的运动，该飞行器飞行主仓内置有飞行器的控制装置、太阳能充电装置、电池装置以及载荷。与现有技术中在飞行器外壳中内置充装轻质气体的气球作为浮力装置的结构相比较，本发明采用一种更为简洁的技术方案：飞行器充装轻质气体的浮力装置由性质不同的两种膜（壳）构成，其中上层膜（由具一定柔性的薄膜构成）或上层壳（由相对刚性的硬质壳构成）具有固定的形状，或者说其不具有伸展性或伸缩性（这里的不具有伸展、伸缩性是相对概念，应忽略轻微不对产能造成影响的伸展性或伸缩性，如热胀冷缩导致的伸缩性），以上性质便于上层膜或壳覆盖柔性太阳能电池板或直接由包含太阳能电池板的材料构成；与上层膜相比较，下层膜具明显的具形变特征，其形变特征可通过其具有的伸缩弹性或其具有的褶皱状构造的伸展闭合来实现。浮力装置由上层膜、下层膜边缘以热缝合、粘结等方式结合起来形成密闭的空腔构成。浮力装置通过下层膜的弹性伸缩或褶皱状构造的伸展改变浮力装置体积的大小，从而改变其所产生的升力，不具有伸展性或伸缩性的上层膜部分或全部覆盖有太阳能薄膜或直接由包含柔性太阳能电池的材料构成。

为实现上述浮力装置的结构，非弹性上层膜与具形变特征的下层膜边缘通过加热结合、粘结等方式形成环形的薄膜圈。在浮力装置周边的薄膜圈连接有起骨架作用的支撑环，支撑环通过向外均匀地扯动薄膜圈，以保持浮力装置形状的稳定性。该支撑环应具有足够的强度以维持浮力装置形态的稳定性。

为增加覆盖在浮力装置上层膜太阳能电池板的面积，并克服空气流动对浮力装置的影响，浮力装置的整体形状呈扁平圆盘状或碟状。浮力装置具伸缩弹性的下层薄膜在浮力装置内部气压处于低压时（处于未充满状态时）呈近似平面、稍微的凸出或凹入状的圆盘构造，而在浮力装置内部处于相对高压状态时（处于充满气体状态时），下层薄膜处于向下凸出状圆盘构造。

浮力装置周边的支撑环连接飞行器支架，飞行器支架的下端为一竖轴。飞行器的水平驱动装置、飞行器主仓通过与飞行器支架的竖轴连接而与浮力装置结合在一起。水平驱动装置、飞行器主仓向下的重力使扁平状浮力装置保持水平姿态并具有一定的姿态稳定性。飞行器主仓内置控制装置、充电装置、蓄电装置、对外通讯装置、定位装置及载荷等。

水平驱动装置与飞行器支架的竖轴以动态方式连接，水平驱动装置内置的动力装置与控制电路控制水平驱动装置围绕竖轴在360度范围内做任意角度的独立旋转，以此控制飞行器沿水平的飞行方向。上述旋转机构可通过安装在支架下端竖轴上的转动轴承实现。

所述水平驱动装置位于浮力装置与飞行器主仓之间，便于水平驱动装置的着力点位于浮力装置与飞行器主仓的质点中心，从而保证飞行过程中浮力装置能够保持水平姿态。

为消除飞行过程中空气流动对浮力装置姿态的影响，所述水平驱动装置进一步包括有相应的动力装置与控制电路，控制水平驱动装置沿竖轴在特定范围内进行纵向的移动，以此对水平驱动装置着力点的位置进行调整，从而控制飞行器在特定风速、特定水平飞行速度条件下的飞行姿态。

所述充气式飞行器的水平驱动装置可为旋翼推进装置，通过对旋翼转速的调整可对飞行器水平方向的飞行速度进行控制，也可通过对旋翼推进装置或旋翼角度的调整，对飞行器的飞行姿态进行某种程度的微调。水平驱动装置的旋翼数量可为一个或多个，当水平驱动装置的旋翼数量为2个时，可通过两个同向旋翼的转速差异控制水平推进装置在水平方向的转动，从而对飞行器的水平飞行方向进行控制。

覆盖在浮力装置上层膜太阳能电池板产生的电流通过电路供给充电装置并通过蓄电装置储存起来，蓄电装置向水平驱动装置、控制装置等供应电能。

所述飞行器的升降装置包括体积可变充装轻质气体的浮力装置，可容纳高压轻质气体的储气装置（该储气装置可为储气罐或储气囊），用于连接浮力装置与储气装置的气体管路，用于在浮力装置与储气装置之间进行气体交换的气体交换装置。气体交换装置包括向储气装置充气的气泵，用于控制储气装置释放气体的阀门以及与气泵及阀门相关的电路。储气装置储存高压轻质气体，在所属飞行器需要上升时，控制装置控制阀门处于打开状态，储气装置的高压轻质气体通过阀门经气体管路释放到浮力装置，使浮力装置内轻质气体增加，浮力装置的体积膨胀，从而使得浮力装置的升力增大，使飞行器向上飞行，在飞行器的上升速度满足预期要求后由控制装置关闭阀门。在飞行器需要降低飞行高度时，控制装置启动气泵将浮力装置内的轻质气体充入储气装置，浮力装置内的轻质气体的减少，使浮力装置的体积缩小，从而使浮力装置的升力减少，最终使飞行器处于飞行高度下降状态，在下降速度达到预期目标后由控制装置关闭气泵。所述飞行器的高压储气装置、气体交换装置内置于浮力装置内。

为便于控制装置对飞行器的飞行状态进行准确控制，上述飞行器进一步包括检测浮力装置内及浮力装置外部环境气压、温度等指标的检测装置。

综上所述，本发明公开一种浮力式飞行器，包括充装轻质气体的浮力装置、高压储气装置、气体交换装置、水平驱动装置、飞行器主仓，其特征在于飞行器浮力装置由具固定形状上层膜或壳与具形变特征下层膜通过边缘部结合形成的密闭腔体构成，上层膜或壳表面部分或全部覆盖由柔性太阳能电池板或直接有包含柔性太阳能电池的材料构成。

优选的，所述浮力式飞行器，其特征在于该飞行器浮力装置的下层膜具伸缩弹性或具可舒展的褶皱状构造。

优选的，所述浮力式飞行器的浮力装置，其特征在于上层膜与下层膜通过边缘部结合形成环形的薄膜圈，薄膜圈与其外围的支撑环相连接，具以上构造的浮力装置呈扁平的圆盘状。

优选的，所述的浮力式飞行器，其特征在于该飞行器进一步包括与支撑环相连接的支架，支架下端为一竖轴，飞行器的水平驱动装置、飞行主仓与支架下端的竖轴相连接，水平驱动装置位于浮力装置与飞行器主仓之间。

优选的，所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器的气体交换装置包括气泵、气阀、相关联的气体管路及控制电路，飞行器的高压储气装置、气体交换装置安置于浮力装置内。

优选的，所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器水平驱动装置可独立以支架下端的竖轴为轴心进行旋转。

优选的，所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器的水平驱动装置可沿支架下端的竖轴纵向运动。

优选的，所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器的主仓内置有飞行器的充电装置、蓄电装置、控制装置、无线通信装置、载荷。

优选的，所述飞行器进一步包括检测浮力装置内及浮力装置外部环境气压、温度等指标的检测装置。

一种控制浮力式飞行器升降的方法，包括步骤：

利用实际测试及理论计算，确定出飞行器浮力装置在各种外部气压、温度等条件下使飞行装置处于悬停状态（飞行器处于不升不降状态）的浮力装置内部临界气压值；

利用检测装置检测浮力装置外部的气压、温度等值；

根据检测出的浮力装置外部气压、温度等值，确定出与该条件对应的使飞行器处于悬停状态的浮力装置内部气压临界值；

检测浮力装置内部的气压值；

根据飞行装置高度控制的目的，通过气泵、阀门控制浮力装置及储气装置之间的轻质气体交换，使浮力装置内部气压等于、高于或低于内部压力临界值；

控制飞行器处于悬停、上升或下降的状态。

一种控制浮力式飞行器水平飞行的方法，包括步骤：

接受飞行目标的位置指令；

检测飞行器的当前位置信息；

检测飞行器所处位置的风速、风向；

根据飞行目标位置、飞行器当前位置、所处位置的风速风向调整水平驱动装置的驱动方向；

根据飞行器所处位置的风速调整水平驱动装置在支架竖轴的位置；

确定水平驱动装置的转速并启动水平驱动装置驱动飞行器飞行。

本发明展示的充气式飞行器结构简单，通过浮力装置非弹性上层膜内置的太阳能电池提供了电力能源，适合于长时间滞空飞行，可应用于对定点目标的侦测及特定区域的物探测量，具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1是本发明实施例中碟形充气式飞行器的结构示意图；

图2是本发明实施例中飞行器浮力装置的纵剖面示意图；

图3是本发明实施例中飞行器浮力装置横剖面示意图；

图4是本发明实施例中一种高压储气装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种具褶皱状构造下层膜浮力装置的纵剖面示意图；

图6是本发明实施例中一种具褶皱状构造下层膜浮力装置的平面示意图；

图7是本发明实施例中飞行器的功能结构框图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明进行具体的阐述。

图1是本发明实施例展示的一种碟形充气式飞行器的结构示意图，该飞行器由碟形浮力装置、水平驱动装置6以及主仓7构成。其中碟形浮力装置由具固定形状的上层膜1、具伸缩弹性下层膜3及上下层膜结合处的薄膜圈12（见图2）以及支撑环2构成。

碟形浮力装置内充入轻质气体产生浮力使飞行器产生升力，通过控制浮力装置内充入或排除一定体积的轻质气体，造成弹性下层膜3的伸缩，使碟形浮力装置的体积发生变化进而造成其产生升力的变化，以此控制飞行器的升降。

碟形浮力装置通过周围的薄膜圈12与支撑环2相连，支撑环2支撑浮力装置使其维持稳定的形态。碟形浮力装置下方的支架4通过与支撑环2连接与浮力装置结合一起，支架4的下端为一竖轴5。竖轴5上连接有水平驱动装置6与飞行器主仓7，水平驱动装置6位于碟形浮力装置与飞行器主仓7之间，该位置分布有利于水平驱动装置6在运行过程中使浮力装置保持水平姿态。本实施例中展示的飞行器水平驱动装置6可独立在水平旋转动力装置控制下围绕竖轴5在360度范围内做任意角度的旋转，以此控制飞行器水平飞行的方向。水平驱动装置6独立旋转的特征使其水平方向的旋转更加灵活，而且不会与其它装置相互干扰影响。同时，水平驱动装置6可通过纵向运动装置沿竖轴5在一定范围内进行纵向的移动，依靠水平驱动装置6在竖轴5着力点的调整可进一步消除飞行过程中气流对浮力装置姿态产生的影响。

飞行器主仓7与竖轴5连接，飞行器主仓内置控制装置、充电装置、蓄电装置、对外通讯装置、定位装置及载荷等。

图2、图3是本发明提出飞行器浮力装置纵剖面示意图与横剖面图。参照图2、图3，本实施例中，飞行器的储气装备、气体交换装置内置在浮力装置之内，上层膜1，薄膜圈12、下层膜3构成体积可变化的碟形浮力装置，浮力装置内置有气泵9、气阀10、储气囊8、储气囊接口17、气路管道11以及支撑气泵9、气阀10的支撑物14，在内部支撑物14与周边薄膜圈12、支撑环2相连接，支撑物14上置有气泵9、气阀10、储气囊8以及起连接作用的气路管道11。碟形浮力装置内充装有常压轻质气体，储气囊8内充装高压轻质气体，在飞行器需要提升高度时，与储气囊8连接的气阀10由控制装置切换到开通状态，储气囊8内储存的高压轻质气体通过气路管道11进入到碟形浮力装置使浮力装置的体积增加，下层膜13为浮力装置弹性下层膜3膨胀后的形态。浮力装置体积的增加使其产生的升力增大，在浮力装置内气压传感器（图中未标示）检测到浮力装置之内气压达到预定值时，控制装置控制气阀10切换到关闭状态，停止向浮力装置内充气。在飞行器需要降低飞行高度时，控制装置启动气泵9，气泵9将浮力装置内的常压气体充入储气囊8，随着气体被不断充入气囊8,碟形浮力装置内的气体不断减少，浮力装置的体积随之减小，造成浮力装置的浮力减少，使飞行器处于高度下降状态，弹性下层膜由收缩前的弹性下层膜13恢复为收缩后的弹性膜3。在浮力装置内气压达到预定值时，控制装置控制气泵9停止工作。电流线路及控制线路15、16通过支撑物13、支架4、竖轴5与飞行器主仓内7的控制装置及蓄电装置连接。太阳能薄膜产生的电流通过支架4、竖轴5输送到飞行主仓7内的充电单元。

图4是本发明实施例中一种高压储气装置的结构示意图。如图4所示，实施例中的高压储气装备与浮力装置的上层膜1结合在一起，由浮力装置的上层膜1与膜19构成高压储气装置，气体交换装置18用于在浮力装置与高压储气装置之间进行气体交换以对飞行器的飞行高度进行控制。

图5是本发明实施例中一种具形变特征下层膜浮力装置的纵剖面示意图，图6是本发明实施例中一种具形变特征下层膜浮力装置的平面图。相对于图2所示实施例中飞行器浮力装置具有伸缩性的下层膜3，通过下层膜3的伸缩改变浮力装置的体积，图5、图6揭示一种具形变特征的的浮力装置下层膜20，该下层膜20虽然不具伸缩性，但其可通过其具有的褶皱构造的闭合与伸展来改变浮力装置的体积。在图5、图6揭示的实施例中，具有伸展特性下层膜20具有环形褶皱构造，该环状褶皱构造具有脊部23及沟部22。在浮力装置处于未充满状态时，下层膜20的环形褶皱处于闭合状态，处于下层膜20状态，而在浮力装置处于充满状态时，下层膜20的环形褶皱处于伸展状态，此时下层膜处于下层膜21状态。

图7是本发明提出飞行器实施例的控制系统结构框图，如图所示，飞行器系统包括充气式飞行器24及地面控制装置25，充气式飞行器24内置控制单元，控制单元依靠无线通信单元可建立与地面控制装置25之间的联系，接收从地面控制装置25发出的控制指令，并向地面控制装置发送充气式飞行器24采集的图像数据、飞行器位置等信息。控制单元从充气式飞行器内置的温度、气压检测装置获得浮力装置内部及外部环境的气压、温度等信息，并通过风力、风向检测装置获得飞行器所处环境的风力、风向数据。同时飞行器内部还安置电子罗盘、卫星定位系统、重力传感器以及图像传感器、磁力仪等设备，使得控制单元及地面操控者能够及时掌握充气式飞行器24飞行的方位、所处的位置、飞行器的倾斜状况，并可对地面目标进行定点拍照或摄像，或对特定区域进行磁法、重力等测量活动。对于飞行器的飞行高度升降装置及水平推进装置，飞行器控制装置一方面可通过检测装置获得升降控制系统气泵、阀门的工作状态信息以及水平推进装置的角度、在竖轴5的位置、推力大小等信息，另一方面飞行器控制装置通过对气泵、阀门的控制对飞行器的飞行高度进行控制，同时通过对水平推进装置的推进方向、在竖轴5的位置、推力大小的控制实现对飞行器飞行的控制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例或实施例列出的方案。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种浮力式飞行器，包括充装轻质气体的浮力装置、高压储气装置、气体交换装置、水平驱动装置、飞行器主仓，其特征在于飞行器浮力装置由具固定形状上层膜或壳与具形变特征下层膜通过边缘部结合形成的密闭腔体构成，上层膜或壳表面部分或全部覆盖有柔性太阳能电池板或直接由包含柔性太阳能电池的材料构成。

2.如权利要求1所述浮力式飞行器，其特征在于该飞行器浮力装置的下层膜具伸缩弹性或具可舒展褶皱状构造。

3.如权利要求1所述浮力式飞行器的浮力装置，其特征在于上层膜与下层膜通过边缘部结合形成环形的薄膜圈，薄膜圈与其外围的支撑环相连接，具以上构造的浮力装置呈扁平的圆盘状。

4.如权利要求1所述的浮力式飞行器，其特征在于该飞行器进一步包括与支撑环相连接的支架，支架下端为一竖轴，飞行器的水平驱动装置、飞行主仓与支架下端的竖轴相连接，水平驱动装置位于浮力装置与飞行器主仓之间。

5.如权利要求1所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器的气体交换装置包括气泵、气阀、相关联的气体管路及控制电路，飞行器的高压储气装置、气体交换装置安置于浮力装置内。

6.如权利要求1所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器水平驱动装置可独立以支架下端的竖轴为轴心进行旋转。

7.如权利要求1所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器的水平驱动装置可沿支架下端的竖轴纵向运动。

8.如权利要求1所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器的主仓内置有飞行器的充电装置、蓄电装置、控制装置、无线通信装置、载荷。

9.如权利要求1所述的浮力式飞行器，其特征在于飞行器进一步包括检测浮力装置内及浮力装置外部环境气压、温度等指标的检测装置。

10.一种控制浮力式飞行器升降的方法，包括步骤：

利用实际测试及理论计算，确定出飞行器浮力装置在各种外部气压、温度等条件下使飞行装置处于悬停状态（飞行器处于不升不降状态）的浮力装置内部临界气压值；

利用检测装置检测浮力装置外部的气压、温度等值；

根据检测出的浮力装置外部气压、温度等值，确定出与该条件对应的使飞行器处于悬停状态的浮力装置内部气压临界值；

检测浮力装置内部的气压值；

根据飞行装置高度控制的目的，通过气泵、阀门控制浮力装置及储气装置之间的轻质气体交换，使浮力装置内部气压等于、高于或低于内部压力临界值；

控制飞行器处于悬停、上升或下降的状态。

11.一种控制浮力式飞行器水平飞行的方法，包括步骤：

接受飞行目标的位置指令；

检测飞行器的当前位置信息；

检测飞行器所处位置的风速、风向；

根据飞行目标位置、飞行器当前位置、所处位置的风速风向调整水平驱动装置的驱动方向；

根据飞行器所处位置的风速调整水平驱动装置在支架竖轴的位置；

确定水平驱动装置的转速并启动水平驱动装置驱动飞行器飞行。