CN105151305B - 基于水动力的无人机补给装置 - Google Patents

Abstract

一种基于水动力的无人机补给装置，主要用于海上补给领域。其特征是它主要包括水面动力舱、连接软管及机身。其中，水面动力舱内置发动机，作为整个补给装置的动力，发动机抽取海水并由连接软管输送至机体后通过喷管喷出，产生推力，为机体的飞行提供动力。机体上设有载物平台，用于海上物资的搬运。本发明可以解决现有海上船只之间补给存在的补给装置结构复杂、前期准备时间较长、易受海浪和海风影响及对两船只同步要求较高等问题，具有灵活性高、速度快、宜补给等优点。

Description

基于水动力的无人机补给装置

技术领域

本发明涉及一种海上补给技术，尤其是一种水上补给装置，具体地说一种基于水动力的无人机补给装置。

背景技术

海上补给是指利用舰船、舰载直升机等装备及其所属的补给装置对舰船或工程设施实施干货、液货、弹药等海上物资的补给和人员的输送。通过实施海上补给，可以扩大舰船的作战半径，延长舰船在海上的停留时间，从而减少舰船对基地的依赖程度，极大地增强舰船的战斗力，具有重要的军事和经济价值。

现有的海上补给就技术发展来说，可以分为四种，分别是横向补给，纵向补给，锚泊补给和垂直补给。这些补给方式，有的需要专用设备，成本高且装卸复杂，如补给舰和直升机，有的对人为操作性要求较高，面对恶劣条件，易出现操作失误，导致严重事故，如横向补给。

无人机速度快，可在最短的时间内完成任务，对天气海况的选择性小，效率高，甚至可在恶劣天气的间歇完成任务。结合无人机的特点，将无人机用作补给船之间的物资运输工具，具有灵活性高，速度快、宜补给等优点。

发明内容

本发明目的针对现有的海上补给不便的问题，设计一种基于水动力的无人机补给装置，以解决现有海上补给成本高，准备时间长，易受环境因素影响的问题。

本发明的技术方案是：

一种基于水动力的无人机补给装备，其特征是它包括：

一水面动力舱1，该水面动力舱1作为整个装备的动力部分提供飞行所需的动力，由安装在水面动力舱1内部的发动机24抽取海水来提供飞行动力；

一连接软管2，该连接软管2用于连接动力部分和飞行部分，将作为动力部分的水面动力舱1中的发动机24抽取的海水输送到飞行部分，并作为带动水面动力舱1移动的动力之一；

一机体3，该机体3作为飞行部分由上下两层组成，上下两层的外围由曲面蒙皮包裹密封，两层之间的主体结构为进水管道13的末端凸台和换向分流管8，另有固定支架7辅助相连。上层为载物平台6，下层为底盘10，底盘10上安装有无人机的电控系统。

所述的水面动力舱1还设有进水口25、出水管道20、海水过滤装置28和推进装置，出水管道20的出水端与连接软管2的下端相连，海水过滤装置28安装在进水口25上，所述推进装置由两套相同的前后对称的部分组成，每套推进装置包括电磁阀21、转向机构23、矢量喷管22和辅助喷水口27，矢量喷管22的进水口与发明机24的出水口相连通，矢量喷管22对称分布在水面动力舱上，电磁阀21安装在矢量喷管22上用于控制适量喷管的流量从而改变水面动力舱1的前进或后退速度，转向机构23也安装在适量喷管22上用于改变矢量喷管的出水方向，从而改变水面动力舱1的方向。

所述的水面动力舱1还设有辅助喷水口27，辅助喷水口27位于矢量喷管22的两侧，，开启辅助喷水口27能加快水面动力舱1的前进速度，减小连接软管2的拉力。

所述的电控系统包括飞控系统16、导航系统19及电源15、电磁阀17及传感器，导航系统19包括GPS导航系统和双目立体视觉系统；所述双目立体视觉系统包括全景相机14和一个处理器；所述全景相机两两为一组，分别挂在底盘10的前端和后端。

所述的载物平台6也为双层结构，在所述的双层结构之间安装有重力传感器；所述载物平台6上方装有挡板5和机械爪4，用于辅助物资运输。

所述的底盘10外侧呈圆环状并通过连接支架18与进水管道13相连，连接支架18中间的空间用薄板密封；进水管道13的进水端与连接软管2的出水端相连，进水管道13连接有换向分流管8，换向分流管8在顶端通过连接法兰固定在载物平台6上，换向分流管8连接有使机体产生向上动力和移动动力的喷管，喷管固定在底盘10的下部。

所述的分流管8上安装有控制飞行稳定及移动方向的电磁阀17。

所述的喷管包括固定喷管11和矢量喷管12；所述矢量喷管12连接有转动机构26并能在底盘10的切线方向摆动。

所述的矢量喷管的摆动角度为-20° ~ +20°。

所述的进水管道13的顶部为一个截面为扇形的凸台，所述凸台的顶端开有连接换向分流管8的圆孔。

详述如下：

本发明的无人机补给装置，包括：水面动力舱、连接软管、机体；所述水面动力舱包括推进装置、进水口、出水管道和发动机；所述机体包括机械爪、挡板、载物平台、连接支架、底盘、换向分流管、电磁阀、飞控系统、导航系统、固定喷管、矢量喷管、进水管道及传感器等；所述推进装置包括两个对称分布的矢量喷管、转动机构、电磁阀及辅助喷水口；所述底盘外侧为圆环状，中间以固定支架与进水管道相连，二者之间的空隙以轻型材料填充密封；所述导航系统包括GPS导航系统和双目立体视觉系统。

其中，水面动力舱上的推进装置功能为：为补给装置的水面部分提供动力，使其具有快速转向的功能，保证水面部分与飞行部分的协调运行；导航系统的功能为：通过两台相机采集的同步图像，经计算机处理计算得到障碍物的位置和距离信息，结合GPS导航系统，实现无人机的自主飞行和精确导航；通过所述导航系统，该补给装置可以实现手控/自控模式之间的转化，实现一键返航等功能。

所述载物平台分为双层结构，两层之间在四个方位上各装有一个重力传感器，该补给装置运输货物时，通过各个重力传感器测得的数据，结合飞控系统，可以自动调节飞行姿态，保证飞行的稳定性。

该无人机补给装置进行工作时，由水面动力舱内的发动机抽取海水，海水通过连接软管后经换向分流管从喷管向下喷出，产生向上的推力，从而为机体的飞行提供动力。3-11个喷管中有1-3个为矢量喷管，其余为固定喷管，不同数量的喷管对应不同的布局方式。其中矢量喷管由电机驱动可以沿机身切线方向转动，提供一个切向力，从而实现无人机航向的改变和稳定性的控制；固定喷管则始终提供垂直于机身向上的动力。每个换向分流管分别通过对应的电磁阀固定在底盘上，换向分流管通过电磁阀与喷管相连。通过控制发动机的运行功率和电磁阀的开合程度，改变各个喷管的喷水量，结合矢量喷管的摆动，可以实现无人机的起降、悬停、前进、后退、偏转等动作。

本发明的有益效果是：

本发明以水动力无人机为载体，对于舰船进行海上补给，具有灵活性高、速度快、宜补给、受环境因素影响小等优点。采用水动力的无人机将动力部分与飞行部分分开，具有更持久的续航能力和更大的载荷重量。另外，采用向下喷水提供反作用力的推进方案，避免了多旋翼无人机存在的反转矩问题，其喷水管道的数量和布局相对会更加灵活。本方案中喷管采用五轴正五边形布局方式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的机体主体结构图。

图3为本发明的机体的底盘结构图。

图4为本发明的水面动力舱结构示意图。

图5为本发明的机体的仰视图。

图6为本发明的水面动力舱的仰视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明/

实施例一。

如图1-6所示。

一种基于水动力的无人机补给装备，它包括：

一水面动力舱1，该水面动力舱1作为整个装备的动力部分提供飞行所需的动力，由安装在水面动力舱1内部的发动机24抽取海水来提供飞行动力；所述的水面动力舱1还设有进水口25、出水管道20、辅助喷水口27、海水过滤装置28和推进装置，出水管道20的出水端与连接软管2的下端相连，海水过滤装置28安装在进水口25上，所述推进装置由两套相同的前后对称的部分组成，每套推进装置包括电磁阀21、转向机构23、矢量喷管22和辅助喷水口27，矢量喷管22的进水口与发明机24的出水口相连通，矢量喷管22对称分布在水面动力舱上，电磁阀21安装在矢量喷管22上用于控制适量喷管的流量从而改变水面动力舱1的前进或后退速度，转向机构23也安装在适量喷管22上用于改变矢量喷管的出水方向，从而改变水面动力舱1的方向。辅助喷水口27位于矢量喷管22的两侧，，开启辅助喷水口27能加快水面动力舱1的前进速度，减小连接软管2的拉力。如图4、6所示。

一连接软管2，该连接软管2用于连接动力部分和飞行部分，将作为动力部分的水面动力舱1中的发动机24抽取的海水输送到飞行部分，并作为带动水面动力舱1移动的动力之一；

一机体3，该机体3作为飞行部分由上下两层组成，上下两层的外围由曲面蒙皮包裹密封，两层之间的主体结构为进水管道13的末端凸台和换向分流管8，另有固定支架7辅助相连。上层为载物平台6，下层为底盘10，底盘10上安装有无人机的电控系统。电控系统包括飞控系统16、导航系统19及电源15、电磁阀17及传感器，导航系统19包括GPS导航系统和双目立体视觉系统；所述双目立体视觉系统包括全景相机14和一个处理器；所述全景相机两两为一组，分别挂在底盘10的前端和后端。所述的载物平台6也为双层结构，在所述的双层结构之间安装有重力传感器；所述载物平台6上方装有挡板5和机械爪4，用于辅助物资运输。如图2、3、5所示，底盘10外侧呈圆环状并通过连接支架18与进水管道13相连，连接支架18中间的空间用薄板密封；进水管道13的进水端与连接软管2的出水端相连，进水管道13连接有换向分流管8，换向分流管8上安装有控制上升高度及移动方向的电磁阀17；换向分流管8在顶端通过连接法兰固定在载物平台6上，换向分流管8连接有使机体产生向上动力和移动动力的喷管，喷管固定在底盘10的下部，它包括固定喷管11和矢量喷管12；所述矢量喷管12连接有转动机构26并能在底盘10的切线方向摆动，矢量喷管的摆动角度为-20° ~ +20°。如图2所示，进水管道13的顶部为一个截面为扇形的凸台，所述凸台的顶端开有连接换向分流管8的圆孔。

详述如下：

如图1所示，本发明的基于水动力的无人机补给装置包括：水面动力舱1、连接软管2及机体3。其中水面动力舱1包括出水管道20、电磁阀21、矢量喷管22、转动机构23、发动机24、进水口25、辅助喷水口27及过滤装置28，如图4、6所示。水面动力舱1上的推进装置功能为：为整个装置的水面部分提供动力，使其具有快速转向的功能，保证水面部分与飞行部分的协调运行；导航系统的功能为：通过两台相机采集的同步图像，经计算机处理计算得到障碍物的位置和距离信息，结合GPS导航系统，实现无人机的自主飞行和精确导航；通过所述导航系统，该补给装置可以实现手控/自控模式之间的转化，实现一键返航等功能。所述机体3为双层结构，上层为载物平台6，下层为底盘10；载物平台6由两层圆形平板叠加而成，两层平板之间在四个方位上各安装有一个重力传感器，运输货物时，通过各个重力传感器测得的数据，结合飞控系统，可以自动调节飞行姿态，保证飞行的稳定性；载物平台上面装有挡板5，防止物资在运输过程中滑落，挡板5上装有机械爪4，机械爪由液压系统控制可以自动松开和夹紧；所述底盘10外侧为圆环形，中间通过连接支架18与进水管道13相连，连接支架18中间的空间以薄板密封；底盘10上面装有无人机的电控系统，包括锂电池15、飞控系统16、电磁阀17、导航系统19，下面挂有4个全景相机14。导航系统19包括GPS导航系统和双目立体视觉系统。所述进水管道13的顶端为一个截面为扇形的凸台，从凸台的顶部引出5个换向分流管8；所述换向分流管8的一端从进水管道的顶部凸台引出，另一端与电磁阀17相连；其中电磁阀17的数量也是5个，呈正五边形布置安装在底盘10的外侧圆环上；所述的5个电磁阀， 4个的另一端连接固定喷管11，1个连接矢量喷管12；所述矢量喷管12与转向机构26相连；其中，转向机构26内置步进电机，由步进电机驱动矢量喷管12转动。载物平台6和底盘10之间通过连接支架7和换向分流管8相连，所述固定支架7一端通过螺栓与载物平台6相连，另一端通过螺栓与底盘10的外侧圆环相连；所述换向分流管8上部通过连接法兰与固定在载物平台6上，下端通过螺纹连接装置与电磁阀17相连。工作时，由水面动力舱内的发动机抽取海水，海水通过连接软管后经换向分流管从喷管向下喷出，产生向上的推力，从而为机体的飞行提供动力。5个喷管中1个为矢量喷管，4个为固定喷管，其中矢量喷管由电机驱动可以沿机身切线方向转动，提供一个切向力，从而实现无人机航向的改变和稳定性的控制；固定喷管则始终提供垂直于机身向上的动力。5个换向分流管分别通过5个电磁阀固定在底盘上，换向分流管通过电磁阀与喷管相连。通过控制发动机的运行功率和电磁阀的开合程度，改变各个喷管的喷水量，结合矢量喷管的摆动，可以实现无人机的起降、悬停、前进、后退、偏转等动作。本实施例的发动机的功率为50KW-800KW，连接软管的长度为10-50m，矢量喷管的摆动角度为-20° ~ +20°。

实施例2。

与实施例1不同的是，在机体的前后左右安装有4个超声测距仪，辅助机体在恶劣天气条件和复杂环境下的自主飞行。

实施例3。

与实施例1不同的是，水面动力舱的矢量喷管数量为1-3个，采用对称分布的布局；机体的喷管数量为3-11个，与之对应的换向分流管数量和连接二者的电磁阀数量相同，不同数量的喷管对应不同的布局方式。

本发明工作原理是：

本发明工作时，通过水面动力舱1内的发动机24抽取海水，高速海水经过连接软管2后到达机体3的进水管道13，再通过换向分流管8，将这股向上的高速海水转换成5支向下的水流，通过控制底盘10外侧上安装的电磁阀17，可以调节各个喷水管道的喷水量和喷水速度。

水面动力舱1上装有前后对称分布的两个矢量喷管22，正常工作时，水面动力舱1上只有在机体3飞行方向后方的矢量喷管工作，它向后喷水，为水面动力舱1提供向前的动力，另外，机体3飞行时也会通过连接软管2为水面动力舱提供一个拉力，通过电磁阀21，可以控制矢量喷管22的喷水量和喷水速度，通过转向机构23，可以控制矢量喷管22的喷水方向；当要求水面动力舱1转快速转向时，两个矢量喷管22会同时工作，通过转向机构23相互做反方向摆动，产生一个旋转力矩，实现水面动力舱的快速转向；另外，矢量喷管22两边个设有1个辅助喷水口27，开启辅助喷水口27可以加快改补给装置的前进速度，减小连接软管2的拉力。

本发明的机体3在飞行时，通过底盘10上安装的飞控系统16，结合无线传感技术，根据实际的应用需求，一方面可以自动调节高压水泵24的运行功率，从而调整通过机体进水管道13的水量和速度；另一方面可以自动调节电磁阀17的开合程度，从而调节各个喷水管道的喷水量和喷水速度。与电磁阀17相连的5个喷水管道中，4个为固定喷管11，它们始终提供一个垂直于机体向上的推力，1个为矢量喷管12，可以在机体切线方向摆动，从而提供一个沿机体切向方向的切向力； 通过调整这5个喷水管道的喷水量和喷水速度和控制矢量喷管12的摆动，可以实现机体3的起降、前进、后退、偏转等动作，并保证飞行的稳定性。另外，依靠导航系统19，机体3可以实现自主飞行；所述导航系统19包括GPS导航系统和双目立体视觉系统；其中，GPS导航系统可以为无人机的常规飞行提供导航，所述双目立体视觉系统由前后布置的4台全景相机14和处理器组成，两台相机为一组，在复杂工况下，根据两台全景相机同步采集的实时图像，利用处理器结合相关算法可以计算出周围障碍物的距离，以此可以实现无人机的避障和精确导航。

整套电控系统由安装在底盘10上的可蓄电锂电池15来提供电能。

本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于水动力的无人机补给装备，其特征是它包括：

一水面动力舱（1），该水面动力舱（1）作为整个装备的动力部分提供飞行所需的动力，由安装在水面动力舱（1）内部的发动机（24）抽取海水来提供飞行动力；

一连接软管（2），该连接软管（2）用于连接动力部分和飞行部分，将作为动力部分的水面动力舱（1）中的发动机（24）抽取的海水输送到飞行部分；连接软管（2）也作为带动水面动力舱（1）移动的动力之一；

一机体（3），该机体（3）作为飞行部分由上下两层组成，上层为载物平台（6），下层为底盘（10），底盘（10）上安装有无人机的电控系统；

所述的水面动力舱（1）还设有进水口（25）、出水管道（20）、海水过滤装置（28）和推进装置，出水管道（20）的出水端与连接软管（2）的下端相连，海水过滤装置（28）安装在进水口（25）上，所述推进装置由两套相同的前后对称的部分组成，每套推进装置包括电磁阀（21）、转向机构（23）、矢量喷管（22）和辅助喷水口（27），矢量喷管（22）的进水口与发动机（24）的出水口相连通，矢量喷管（22）对称分布在水面动力舱上，电磁阀（21）安装在矢量喷管（22）上用于控制矢量喷管的流量从而改变水面动力舱（1）的前进或后退速度，转向机构（23）也安装在矢量喷管（22）上用于改变矢量喷管的出水方向，从而改变水面动力舱（1）的方向；所述的水面动力舱（1）还设有辅助喷水口（27），辅助喷水口（27）位于矢量喷管（22）的两侧，开启辅助喷水口（27）能加快水面动力舱（1）的前进速度，减小连接软管（2）的拉力；所述的电控系统包括飞控系统（16）、导航系统（19）及电源（15）、电磁阀（17）及传感器，导航系统（19）包括GPS导航系统和双目立体视觉系统；所述双目立体视觉系统包括全景相机（14）和一个处理器；所述全景相机两两为一组，分别挂在底盘（10）的前端和后端；所述的底盘（10）外侧呈圆环状并通过连接支架（18）与进水管道（13）相连；进水管道（13）的进水端与连接软管（2）的出水端相连，进水管道（13）连接有换向分流管（8），换向分流管（8）在顶端通过连接法兰固定在载物平台（6）上，换向分流管（8）连接有使机体产生向上动力和移动动力的喷管，喷管固定在底盘（10）的下部；所述的喷管包括固定喷管（11）和矢量喷管（12）；所述矢量喷管（12）连接有转动机构（26）并能在底盘（10）的切线方向摆动。

2.根据权利要求1所述的基于水动力的无人机补给装备，其特征是所述的载物平台（6）也为双层结构，在所述的双层结构之间安装有重力传感器；所述载物平台（6）上方装有挡板（5）和机械爪（4），用于辅助物资运输。

3.根据权利要求1所述的基于水动力的无人机补给装备，其特征是所述的换向分流管（8）上安装有用于控制飞行稳定和移动方向的电磁阀（17）。

4.根据权利要求1所述的基于水动力的无人机补给装备，其特征是所述的矢量喷管的摆动角度为-20° ~ +20°。

5.根据权利要求1所述的基于水动力的无人机补给装备，其特征是所述的进水管道（13）的顶部为一个截面为扇形的凸台，所述凸台的顶端开有连接换向分流管（8）的圆孔。