CN106005386A - 面向可组合集群的涵道无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向可组合集群的涵道无人机，包括涵道壳体，涵道壳体的中部空腔内装设有飞行驱动组件、方向控制组件、飞行控制组件及能源组件；本发明还包括组合控制组件，用于控制两台以上涵道无人机之间的相互组合；组合控制组件包括一个以上的衔接插头和一个以上的衔接插孔，衔接插头和衔接插孔均开设于涵道壳体上，衔接插头内设置有电源与通信缆线，衔接插头的端部设置有插接头，衔接插孔内与插接头对应的位置处设置有插接孔；当插接头与插接孔接触配合之后，即完成电连接和信号连接。本发明具有结构简单、操控方便、能够形成组合集群等优点。

Description

面向可组合集群的涵道无人机

技术领域

本发明主要涉及到无人机领域，特指一种面向可组合集群的涵道无人机。

背景技术

在飞行器领域，涵道可以看作是一种环形机翼，其气动特性具有以下几个优点：首先，在低空速下增加飞行器的推力；第二，在所有的飞行倾角下都可以提供气动升力；第三，将飞行器的升力系统和推进系统有效地结合起来。

与普通的旋翼相比，涵道式旋翼除了旋翼产生拉力外，涵道壁还产生附加升力。普通螺旋桨产生的滑流会耗散相当一部分的功率，而涵道可有效地将螺旋桨滑流转换成推力，这是同等直径的涵道风扇效率大于螺旋桨的一个原因。

目前，现有涵道无人机平台设计还仅停留在面向单个无人机的飞行平台。但是，单个无人机属于个体使用方式，其无论是在飞行时间，还是在任务执行过程中，都存在着很多劣势，主要在于：

1）续航时间短，主要原因是电池蓄电量有限，在飞行过程不能进行能源补给；

2）单平台搭载传感器载荷单一，难以执行需要多种类传感器的任务；

3）多个单平台之间通信大多采用无线传输链路，易受干扰，且距离有限，若要保证长距离仍能传输，能耗又将提高。

综上所述，传统基于单体使用方式的涵道无人机在具体使用时存在着一定的缺陷，无法真正满足实际需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、操控方便、能够形成组合集群的面向可组合集群的涵道无人机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种面向可组合集群的涵道无人机，包括涵道壳体，涵道壳体的中部空腔内装设有飞行驱动组件、方向控制组件、飞行控制组件及能源组件，还包括组合控制组件，用于控制两台以上涵道无人机之间的相互组合；所述组合控制组件包括一个以上的衔接插头和一个以上的衔接插孔，所述衔接插头和衔接插孔均开设于涵道壳体上，所述衔接插头内设置有电源与通信缆线，所述衔接插头的端部设置有插接头，所述衔接插孔内与插接头对应的位置处设置有插接孔；当所述插接头与插接孔接触配合之后，即完成电连接和信号连接。

作为本发明的进一步改进：所述衔接插头和衔接插孔均开设于涵道壳体的侧面上。

作为本发明的进一步改进：所述衔接插头的侧壁上开设有卡槽，在所述衔接插孔的内壁上设置有用来与卡槽配合的一个以上的插销。

作为本发明的进一步改进：所述插销在一电控组件的控制下实现与卡槽的配合；所述电控组件包括电磁铁部件和吸合控制单元，所述吸合控制单元控制电磁铁部件的工作以实现对插销的吸合控制，完成与卡槽的配合。

作为本发明的进一步改进：所述插接头和插接孔之间通过相互衔接的接触片进行通信和导电，所述电源与通信缆线采用同轴通信缆线结构，分内外两层，内层为导电电线芯，外层为通信导电环线。

作为本发明的进一步改进：还包括组合能源传递和通信传输管理单元，用来在无人机组合连接之后，进行双向通信传输管理和能源的传输控制。

作为本发明的进一步改进：所述飞行驱动组件包括转动电机和一片以上的螺旋桨，一片以上的螺旋桨由转动电机直接驱动。

作为本发明的进一步改进：所述方向控制组件包括固定翼板、控制翼板及舵机，所述固定翼板具有一定的转角，当气流通过固定翼板时产生反转运动；所述控制翼板分布在固定翼板的下方，由舵机的驱动控制。

作为本发明的进一步改进：所述涵道壳体中部空腔内设置有中间体，所述中间体包括上部中间体和下部中间体，所述上部中间体用来搭载传感器组件和转动电机，所述上部中间体通过支撑架来固定。

作为本发明的进一步改进：所述涵道壳体的底部设置有起落架。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的面向可组合集群的涵道无人机，采用涵道无人机相互刚性连接形成无人机集群，弥补了单平台或者多平台松散耦合的缺点。它能够组合控制，即将多个平台刚性连接起来组合成为集群，将复杂的多无人机编队控制转化为较为简单的单一组合平台的飞行控制问题，减低了控制难度，提高了控制的精准性。它还能够实现互通互联，即无人机组合通过相互衔接，利用共轴双层通信电缆，实现平台之间的有线通信（组网通信）和通电（电能的传递补给）。

2、本发明的面向可组合集群的涵道无人机，可以通过插头和插孔进行组合连接，使多个无人机平台刚性连接起来，更易于飞行控制，受气流影响远小于单个平台。其次，组合在一起的无人机可利用组合衔接处的转动特性，实现多个平台组合的不同飞行模式，可针对不同的任务需求和环境条件（如三个平台组合起来的倾转旋翼结构）。同时，多平台组合起来可利用多平台搭载不同传感器，实现传感器采集外部数据的优势互补，适应不同环境和任务的需求。

3、本发明的面向可组合集群的涵道无人机，通过两台以上组合在一起所形成的无人机平台，可以通过插头和插孔之间衔接的接触片进行通信和导电，使得组合平台之间构成有限通信网络，降低了传输能耗，而且通过导电线路，实现能源充足的无人机平台给能源不足的平台进行充电。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

图3是本发明纵截面的结构示意图。

图4是本发明在具体应用实例中组合控制组件的结构原理示意图。

图5是本发明在具体应用实例中衔接插孔的结构原理示意图。

图6是本发明在具体应用实例中衔接插头的结构原理示意图。

图7是本发明在具体应用实例中两个无人机进行组合时的原理示意图。

图8是本发明在具体应用实例中三个无人机进行组合时的原理示意图。

图9是本发明在具体应用实例中三个无人机进行组合时的立体示意图。

图10是本发明在具体应用实例中四个无人机进行组合时的原理示意图。

图例说明：

1、涵道壳体；2、支撑架；3、起落架；4、上部中间体；5、转动电机；6、舵机；7、螺旋桨；8、控制翼板；9、固定翼板；10、下部中间体；11、衔接插头；12、衔接插孔；13、电源与通信缆线；41、机载载荷；111、插接头；112、卡槽；121、插接孔；122、插销；123、电源与通信缆线。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1～图4所示，本发明的面向可组合集群的涵道无人机，包括涵道壳体1，涵道壳体1的中部空腔内装设有飞行驱动组件、方向控制组件、飞行控制组件及能源组件，飞行驱动组件用来提供驱动力以形成升力，方向控制组件用来控制无人机的飞行姿态，飞行控制组件用来对无人机的飞行进行控制，能源组件用来为所有部件进行供电。本发明进一步包括组合控制组件，用于控制两台以上涵道无人机之间的相互组合；结合图5和图6，本发明的组合控制组件包括一个以上的衔接插头11和一个以上的衔接插孔12，衔接插头11和衔接插孔12均开设于涵道壳体1上，本实例均开设于涵道壳体1的侧面上，以便形成组合排列。衔接插头11内设置有电源与通信缆线13，衔接插头11的端部设置有插接头111，衔接插孔12内与插接头111对应的位置处设置有插接孔121。当插接头111与插接孔121接触配合之后，即完成电连接和信号连接，实现两个无人机平台之间的电能传输及相互通信。

进一步，本发明在衔接插头11的侧壁上开设有卡槽112，在衔接插孔12的内壁上设置有用来与卡槽112配合的一个以上的插销122（本实例中为两个），插销122在一电控组件的控制下实现与卡槽112的配合。这样，大大提高了连接的可靠性及操控的便捷性。

进一步，在本实施例中，电控组件包括电磁铁部件和吸合控制单元，吸合控制单元可以控制电磁铁部件的工作，以实现对插销122的吸合控制，从而完成与卡槽112的配合。吸合控制单元由无人机的控制系统来控制。

进一步，在较佳的实施例中，在插接头111和插接孔121之间通过相互衔接的接触片进行通信和导电，可根据实际需要采用同轴通信缆线123结构，分内外两层，内层为导电电线芯，外层为通信导电环线。

在较佳的实施例中，本发明还包括组合能源传递和通信传输管理单元，主要用来在无人机组合连接之后，进行双向通信传输管理和能源的传输控制，主要包括：

1）机间通信管理，根据制定的传输协议和传输控制策略（例如，TCP/IP）实现两个平台之间数据传输。

2）机间能源传输控制，无人机组合之后，通过状态信息交互得对方的能源存储情况，根据任务需求和用户指定，进行平台之间的能源补充，例如，能源剩余量较大的平台给能源剩余匮乏的平台进行充电，以保持两个平台组合继续工作或者延长被充电平台的持续工作时间。

使用时，主要包括两个过程：1）涵道无人机组合过程的衔接插头11和衔接插孔12对准、衔接、插销122的卡口固定以及接触片贴合；2）已组合涵道无人机的分离过程的插孔的卡口松开释放、接触片分离、衔接插头11从衔接插孔12分离。

如图7所示，本发明可以在具体应用实例中实现两个无人机进行组合；如图8和图9所示，本发明可以在具体应用实例中实现三个无人机进行组合；如图10所示，本发明可以在具体应用实例中实现四个无人机进行组合；以此类推，可以通过本发明的结构实现更多无人机组合成飞行平台。这样，当两台以上本发明的涵道无人机进行组合形成飞行平台之后，通过相互链接的通电缆线，可以实现平台中无人机之间的能源相互补给；通过通信链路，可以实现多平台无人机之间的传感器信息的融合互补。最终，多平台中无人机组合在一起为一个刚体接口，根据组合平台的数量和整体构型，建立该组合平台的飞行控制方法和策略，配置飞行控制计算机和控制器，实现组合平台的飞行控制。多平台相互链接通信，主要传输相互的各平台飞行状态、分布式协同控制指令、任务协调管理指令、传感器信息以及飞行控制指令等信息。

在具体应用实例中，飞行驱动组件包括转动电机5和一片以上的螺旋桨7，一片以上的螺旋桨7（如四片）为定距桨，由转动电机5直接驱动。方向控制组件包括固定翼板9、控制翼板8及舵机6，固定翼板9具有一定的转角，当气流通过固定翼板9时产生反转运动，来克服转动电机5的转矩。控制翼板8分布在固定翼板9的下方，在舵机6的驱动控制下，用来产生滚转、俯仰和偏航力矩。

涵道壳体1内设置有中间体，该中间体包括上部中间体4和下部中间体10，上部中间体4用来搭载机载载荷41（如采用可见光传感器或红外传感器）和转动电机5，上部中间体4通过支撑架2来固定。涵道壳体1的底部设置有起落架3，用来对整个机体进行支撑，并在无人机起落作业时形成可靠的起落支撑。转动电机5安装在上部中间体4中，用于控制螺旋桨7的转动速度；舵机6安装在涵道壳体1中，用于调整控制翼板8的摆动方向和角度。

本发明通过采用螺旋桨7加固定翼板9、控制翼板8，即在涵道无人机在涵道尾部出口处周向布置数片固定翼板9，固定翼板9相对于下洗气流具有一定的攻角，在下洗流场中，这些固定翼板9可以产生一定的力矩以抵消螺旋桨7的转矩，其结构简单，易于实现。无人机的升力则主要由螺旋桨7提供，调节控制翼板8以实现(导流板)控制无人机姿态。姿态控制以及周向转矩的抵消都通过涵道下洗流对固定翼板9或控制翼板8的作用力来实现。飞行姿态可以是悬停，也可以是近似的高速平飞，这也是该飞行器在飞行性能上有别于周期变距飞行器的最大特点。控制翼板8的操纵是通过固定在涵道尾部的舵机6实现的。对于涵道式飞行器而言，具有翼板结构特性的部件是位于涵道洗流下方的固定或可调导流板，通过这些固定翼板9、控制翼板8的耦合作用可以产生飞行器姿态控制力和控制力矩。

在具体应用实例中，涵道壳体1呈圆环筒状，由内壁和外壁组成，环筒的内部是空心状，用于存储能源模块。涵道壳体1的壳体材料采用碳素纤维复合材料，具有质量轻、强度高的特性。

在具体应用实例中，传感器组件作为机载载荷41可以根据实际应用需要来选择，例如，本发明的涵道无人机可搭载可见光、红外以及雷达等轻型传感器。

在具体应用实例中，能源组件可以根据实际应用需要采用蓄电电池或燃料电池，进一步通过分布在固定翼板9的电线与飞行控制组件、转动电机5和舵机6相连接，实现对无人机平台的供电。

在具体应用实例中，飞行控制组件包括飞行控制计算机和控制器，飞行控制计算机根据输入的飞行状态数据，调整飞行控制量，利用控制器输出到转动电机5与舵机6，通过转动电机5调节螺旋桨7的转速和舵机6调整控制翼板8的摆动方向及角度，实现对涵道无人机的飞行稳定和姿态控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向可组合集群的涵道无人机，包括涵道壳体（1），涵道壳体（1）的中部空腔内装设有飞行驱动组件、方向控制组件、飞行控制组件及能源组件，其特征在于，还包括组合控制组件，用于控制两台以上涵道无人机之间的相互组合；所述组合控制组件包括一个以上的衔接插头（11）和一个以上的衔接插孔（12），所述衔接插头（11）和衔接插孔（12）均开设于涵道壳体（1）上，所述衔接插头（11）内设置有电源与通信缆线（123），所述衔接插头（11）的端部设置有插接头（111），所述衔接插孔（12）内与插接头（111）对应的位置处设置有插接孔（121）；所述插接头（111）与插接孔（121）接触配合之后，完成电连接和信号连接。

2.根据权利要求1所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述衔接插头（11）和衔接插孔（12）均开设于涵道壳体（1）的侧面上。

3.根据权利要求1所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述衔接插头（11）的侧壁上开设有卡槽（112），在所述衔接插孔（12）的内壁上设置有用来与卡槽（112）配合的一个以上的插销（122）。

4.根据权利要求3所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述插销（122）在一电控组件的控制下实现与卡槽（112）的配合；所述电控组件包括电磁铁部件和吸合控制单元，所述吸合控制单元控制电磁铁部件的工作以实现对插销（122）的吸合控制，完成与卡槽（112）的配合。

5.根据权利要求1所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述插接头（111）和插接孔（121）之间通过相互衔接的接触片进行通信和导电，所述电源与通信缆线（123）采用同轴通信缆线结构，分内外两层，内层为导电电线芯，外层为通信导电环线。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，还包括组合能源传递和通信传输管理单元，用来在无人机组合连接之后，进行双向通信传输管理和能源的传输控制。

7.根据权利要求1～5中任意一项所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述飞行驱动组件包括转动电机（5）和一片以上的螺旋桨（7），一片以上的螺旋桨（7）由转动电机（5）直接驱动。

8.根据权利要求1～5中任意一项所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述方向控制组件包括固定翼板（9）、控制翼板（8）及舵机（6），所述固定翼板（9）具有一定的转角，当气流通过固定翼板（9）时产生反转运动；所述控制翼板（8）分布在固定翼板（9）的下方，由舵机（6）的驱动控制。

9.根据权利要求1所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述涵道壳体（1）中部空腔内设置有中间体，所述中间体包括上部中间体（4）和下部中间体（10），所述上部中间体（4）用来搭载传感器组件和转动电机（5），所述上部中间体（4）通过支撑架（2）来固定。

10.根据权利要求1所述的面向可组合集群的涵道无人机，其特征在于，所述涵道壳体（1）的底部设置有起落架（3）。