CN107042888B - 机翼上结合有光伏电池的串列双翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机翼上结合有光伏电池的串列双翼无人机(1)。所述无人机包括：机身(2)；推进装置，所述推进装置至少由蓄电池和/或光伏电池(3)提供动力；第一机翼(4)，所述第一机翼由翼展以及上表面面积限定，所述第一机翼的上表面基本被光伏电池覆盖；所述无人机还包括第二机翼(5)，所述第二机翼具有：与所述第一机翼近似相同的翼展；具有与所述第一机翼近似相同的面积的上表面；所述第二机翼与所述第一机翼沿所述机身并且沿高度方向相互错开，所述第二机翼的上表面基本被光伏电池覆盖。

Description

机翼上结合有光伏电池的串列双翼无人机

技术领域

本发明涉及无人机的设计与制造领域。

本发明尤其涉及由光伏电池提供动力的固定翼无人机。

背景技术

固定翼无人机对应于由电机驱动、包括能够为无人机的飞行提供足够升力的机翼、并能够以预定的速度起飞的无人机。这里，“固定翼”无人机是区别于“螺旋翼”无人机而言的，在螺旋翼无人机中，升力是由一个或者多个旋翼提供的。

这种类型的飞行装置可大可小，并且由不同类型的电机驱动器推进。

装备有电力驱动的电机的无人机具有续航时间长的优点。例如，现有技术中公开了这种无人机，其设计为可以在中高空飞行较长的时间。

蓄电池和光伏电池通常用来为这类无人机提供电能。在白天，光伏电池为无人机供电，并对蓄电池进行充电。在夜晚，蓄电池接管供电功能，以使得无人机能够持续飞行直至光伏电池再次暴露在阳光下。

现有技术中公开了通过储存从电能收集到的电能来提高无人机续航能力和装载能力的方案。

这样，有的无人机具有单一机身和一个支撑机翼，机身和机翼上覆盖有光伏电池，相对于无人机的长度来说，机翼的翼展很长。

也有的无人机具有平行设置的多个机身，能够支撑较长的翼展，机身和机翼完全被光伏电池覆盖。

这里也包括了具有超大尺寸的装置以提高无人机能够被光伏电池覆盖的区域的无人机。这种无人机具有超大尺寸的尾翼。

这些不同的解决方案能够增大飞行器的可结合光伏电池的表面积。然而，这些方案会引发许多弊端。

首先，一些无人机结构在无人机处于飞行状态时能够引发较高的结构应力。这些结构应力可能由过长的翼展造成，由此需要使用高科技的复合材料。与这些结构的结构应力伴随而来的是无人机的大翼展以及高制造成本。

其次，一些无人机结构会因为无人机的一些结构部件的限制而导致光伏电池难以布置，减少了结合在无人机上的光伏电池的曝光量。例如，据观察，使用多机身的无人机结构会在无人机的安装有光伏电池的表面产生阴影区。因此，尽管这些相同的光伏电池增加了无人机的重量，但这些结构对于光伏电池暴露在阳光下的范围是不利的。这样，采用上述结构的无人机在性能及续航方面有一定的损失。

发明内容

本发明的一个具体的目的是解决现有技术中的这些弊端。

更具体地说，本发明的目的是公开一种由光伏电池供应电能的固定翼无人机，该无人机具有比现有技术中的无人机更好的续航能力。

本发明的另一个目的是公开一种无人机，该无人机比现有技术中相同续航能力的无人机更小巧。

本发明的再一个目的是公开一种无人机，该无人机具有较小的结构约束并且该无人机的结构能够通过使用光伏电池优化无人机的电力存储能力。

这些目的以及后文将阐明的其他目的可以由本发明提供的无人机实现，所述无人机包括：

机身；

推进装置(propulsion means)，所述推进装置至少由蓄电池和/或光伏电池提供动力；

第一机翼，所述第一机翼由翼展以及上表面面积限定，所述第一机翼的上表面基本被光伏电池覆盖；

其特征在于，所述无人机还包括第二机翼，所述第二机翼具有：

与所述第一机翼近似相同的翼展；

具有与所述第一机翼近似相同的面积的上表面；

所述第二机翼与所述第一机翼沿所述机身并且沿高度方向相互错开，所述第二机翼的上表面基本被光伏电池覆盖，

所述机身的横截面形成为等腰梯形，所述等腰梯形的最短底边由所述机身的上表面形成，所述机身的侧表面从所述上表面延伸，所述机身的上表面和侧表面基本被光伏电池覆盖。

具体地，从上方观察，根据本发明的无人机的两个机翼具有基本相同的形状。

更具体地，所述机翼排列成公知的术语“串列翼”。

这种无人机具有比现有技术中的无人机更好的续航能力。根据本发明的无人机的表面比现有技术公开的无人机表面具有更大的可被光伏电池覆盖的面积，前述的现有技术公开的无人机具有单一的机翼，并与本发明提供的无人机具有相同的翼展。

更具体地，这种结构能够通过提高在白天当光伏电池暴露在阳光下时获取太阳能以为推进装置供电并为电池充电的能力，从而提高无人机的续航能力。这种获取能量的能力的提升很大程度上归结于机翼的串列排布限制了一个机翼在另一个机翼上形成阴影。

这种无人机续航能力的优化归因于无人机的形状限制了无人机的尺寸并且限制了结构应力的发生。

机翼的串列布置能够限制无人机的翼展。这样，根据本发明提供的无人机能够在具有比现有技术中的单一翼无人机更小的翼展和尺寸的情况下，承载相同数量的光伏电池，现有技术中的单一翼无人机的机翼的总面积与本发明提供的无人机的机翼的总面积相当。

这种无人机翼展的限制避免了因具有较大翼展的单一翼而产生的结构应力。

因此，根据本发明提供的无人机对具有低重量并能够抵抗高结构应力的特殊且高昂的材料需求较少。

此外，机身上表面以及侧表面分别暴露在空气中，这有助于通过覆盖在其上的光伏电池产生电能。

根据一个有益特征，机翼具有“笔直”的形状。

这样，无人机具有能够适应次音速飞行的结构。

根据另一个有益特征，第一机翼的前视图形成为上反角或下反角结构，第二机翼的前视图形成为上反角结构。

这种设计提高了无人机在飞行中的稳定性。

优选地，所述第二机翼通过V形连接臂结合于所述机身，所述第二机翼位于所述机身的上方。

这种连接臂使得空气能够在机身以及位于机身上方的第二机翼之间流动。这提高了无人机的空气动力特性，减小了无人机的阻力，同时保持了机身上方机翼的结构强度。

优选地，光伏电池的板(panel of photovoltaic cells)结合并居中布置在所述机身的上表面上，所述光伏电池的板大体沿所述机身的整个长度延伸。

根据一个变型实施例，所述光伏电池的板的宽度等于所述机身的宽度。

根据另一个变型实施例，所述光伏电池的板的宽度大于所述机身的宽度，所述光伏电池的板的剖面(profile)对称，并且在迎角为零度时具有零升力。

这种板提高了无人机获取最大阳光照度的能力。并且这种板的剖面使得在迎角为零度时，其升力以及产生的阻力达到最小。

根据另一实施例，所述无人机包括与所述机翼不同的至少一对光伏电池的异形板(profiled panels of photovoltaic cells)，每对异形板中的两个异形板结合于所述机身并且对称地分布在所述机身的两侧，每块异形板为弧形，并在迎角为零度且无人机处于预定的速度和巡航高度时具有能够抵消所述异形板的重量的升力。

由于这种异形板，使得无人机具有额外的光伏电池，并且由于光伏电池的异形板的气动外形，使得在无人机处于其巡航高度和巡航速度时能够抵消异形板的重量。

优选地，相对于所述第一机翼和所述第二机翼，所述至少一对异形板在所述机身沿高度方向错开。

通过这种方式，使得由机翼和/或异形板产生的湍流(turbulence)对在空气流向上的下游结构所产生的影响最小。

优选地，所述无人机包括与机翼不同的两对光伏电池的异形板，该两对异形板包括位于前方的一对板和位于后方的一对板，

所述位于前方的一对板设置在所述第二机翼和所述第一机翼之间，且设置在所述机身的前端，

所述位于后方的一对板设置在所述第二机翼与所述机身的尾部之间。

这样，采用四块异形板使得第二机翼在异形板上产生的阴影最小化。

进一步地，在这一结构中，位于前方的一对板的高度和位于后方的一对板高度可以相互错开，以使位于前方的一对板产生的湍流对位于后方的一对板的影响最小化。

根据一个有益的特征，所述机身包括用于负载的机舱，所述机舱设置在所述机身的前端，位于机翼的前方。

例如，负载可以为照相机，机舱可以由沿机身延伸的透明的单元(cell)构成，以尽可能地具有空气动力学特性。

由于这种在两个机翼前方的布置形式，使得机身结构得以优化，从而能够更好地抵抗施加在两个机翼之间的扭转应力。这样，由于用于放置负载的机舱的形成，使得机身的位于两个机翼之间的部分不存在结构不连续。

这种布置也使得负载可以设置在无人机升力中心的前方，可以提高无人机飞行时的稳定性。

根据另一个具体实施例，所述无人机包括至少一个安装有光伏电池的下表面。

地表反射光(从地面反射的光线)可以通过这些设置在无人机的至少一个下表面的光伏电池收集。这种无人机配置尤其适合无人机在冰雪覆盖地区的长时间任务(因为冰雪表面具有较强的反射光的能力)。

本发明的其他特征和有益效果将在阅读下面关于本发明的优选实施方式的描述后更加清晰，下面关于本发明的优选实施方式用来解释本发明，并提供不限制本发明的示例以及附图。

附图说明

图1和图2分别是根据本发明第一实施例的无人机的示意性正视图与前视图；

图3是根据本发明的无人机的第一类型的机身的示意性剖面视图；

图4是根据本发明第一实施例的无人机的示意性俯视图；

图5是根据本发明的无人机的第二类型的机身的示意性剖面视图；

图6和图7分别是根据本发明第二实施例的无人机的示意性正视图和俯视图；

图8、图9和图10是根据本发明第三实施例的无人机的示意性正视图、前视图以及俯视图。

具体实施方式

如图1、图2、图4、以及图6至图10所示，本发明提供的无人机包括机身2和串列布置的两个机翼。机身包括单一的机体并形成为长形。

更具体地，无人机1包括第一机翼4和第二机翼5。这两个机翼具有近似相同的形状。第一机翼具有由翼展和表面积限定的上表面，第一机翼的翼展与第二机翼的翼展近似相同，第一机翼的上表面的表面积与第二机翼的上表面的表面积近似相同。这两个机翼沿机身相互错开，并且在高度方向上相互错开。

如图1和图8所示，第一机翼4设置在机身2的前端，第二机翼大致设置在机身的中心位置，且位于机身的上方。

具体地，第二机翼通过连接臂6结合于机身。如图2、图6以及图9所示，连接臂形成为V形。通过这种连接臂，空气能够在第二对机翼和机身之间更自由地流动。

如图4、图7以及图10所示，第一机翼4具有升降舵10，机身2的尾部具有方向舵11，第二机翼5具有副翼12。

无人机上设置有推进装置(图中未示出)，该推进装置至少能够由蓄电池和/或光伏电池3提供动力。这些推进装置可以是一个或多个电机的形式，该一个或多个电机具有结合于机身和/或机翼的推进器(propeller)。

当光伏电池3暴露在阳光下时，光伏电池3使得无人机1能够为该无人机1的推进装置提供电力，并且能够为该无人机1的蓄电池充电。

机翼串列布置能够增大无人机朝向上方的总面积。

这样，如图1、图2、图4以及图6至图10所示，第一机翼4的上表面和第二机翼5的上表面基本被光伏电池3覆盖。这种串列布置方式能够有助于限制因第二机翼比第一机翼相对于机身的位置高而可能产生的阴影。

根据本发明的无人机能够优化可被光伏电池覆盖的总面积。

这里，根据图2至图4所示，机身2的横截面形成为等腰梯形。该梯形的最短底边由机身2的上表面形成，机身的侧表面从上表面处延伸。机身的上表面以及侧表面基本被光伏电池3覆盖。

如图3所示，机身的上表面和侧表面之间形成拐角A。拐角A可以优化设置在机身上表面和侧表面的光伏电池的平均曝光量。

根据图5至图7所示，无人机1包括光伏电池3的板7，该板7结合并居中布置在机身2的上表面上。光伏电池的板大体沿机身的整个长度延伸。

根据本实施例，板7的宽度大于机身2的宽度。该板具有对称的剖面，并且在迎角为零度时具有零升力。

如图6所示，机身2具有侧表面和下表面，以使下表面的横剖面向下弯曲。V形的连接臂6位于机身侧表面的延长部分上。更具体地，连接臂包括两个部分，每个部分结合在机身侧表面的上端并从机身朝上延伸，并且与机身的距离越远，两个部分之间的距离越大。这样，机身具有向上延伸的U形或V形横剖面。

通过这种方式，连接臂能够更自然地连接在机身上，并且无人机的空气动力特性以及其结构应力都得到了优化。

根据图8至图10所示，无人机1包括两对光伏电池3的异形板8，异形板与机翼不同。

每对异形板中的两个异形板对称地分布并且结合在机身的两侧。

具体地，异形板通过旋转轴80结合在机身上，并能够绕旋转轴自由转动。由于这些旋转轴，使得每块异形板的迎角可以调整。更具体地，这些异形板的剖面形成为弧形，并能够在迎角为零度且无人机处于预定的巡航速度和巡航高度时提供足够的升力，以抵消异形板的重量。

如图9所示，两对异形板在机身2上沿高度方向大体彼此错开，并且与第一机翼4错开，同时与第二机翼5错开。从无人机的底部向上，依次设置有第一机翼4、位于机身2上端的第一对异形板8、位于机身2上端的第二对异形板、以及位于机身上方的第二机翼5。

如图8和图10所示，两对异形板8由位于前方的一对板和位于后方的一对板构成，位于前方的一对板设置在第一机翼和第二机翼之间，位于后方的一对板设置在第二机翼和机身的尾部之间。这样，如图10所示，机翼的上表面和异形板的上表面互不重叠。这样可以使设置在这些异形板8上的光伏电池3更少地处于机翼的阴影中。

最后，根据图8示出的第四实施例，无人机1的至少一个下表面设置有光伏电池3，以收集从地面反射的光。更具体地，机身2的底面，第一机翼4的下表面，第二机翼5的下表面，以及异形板8的下表面设置有光伏电池3。

显而易见地，上述的特征可以互相组合，以增大无人机能够被光伏电池覆盖的表面积。

例如，如果无人机的机身横截面采用等腰梯形的结构形式(侧表面设置有光伏电池)，无人机可以设置光伏电池的异形板。在这种情况下，这些异形板优选可以连接于侧表面的较低的位置，以避免在覆盖有光伏电池的侧表面上产生过多的阴影。

最后，在图1和图8示出的实施例中，机身2上设置有机舱9，以用于放置有效负载。机舱9设置在机身的前端且位于机翼的前方，以使得机舱的存在不会在机身的位于两个机翼之间的部分上产生结构应力。

Claims (7)

1.一种无人机(1)，包括：

机身(2)；

推进装置，所述推进装置至少由蓄电池和/或光伏电池(3)提供动力；

第一机翼(4)，所述第一机翼由翼展以及上表面面积限定，所述第一机翼的上表面基本被光伏电池覆盖；

其特征在于，所述无人机还包括第二机翼(5)，所述第二机翼具有：

与所述第一机翼近似相同的翼展；

具有与所述第一机翼近似相同的面积的上表面；

所述第二机翼与所述第一机翼沿所述机身并且沿高度方向相互错开，所述第二机翼的上表面基本被光伏电池覆盖，

所述机身(2)包括单一的机体，所述机身(2)的横截面形成为等腰梯形，所述等腰梯形的最短底边由所述机身的上表面形成，所述机身的侧表面从所述机身的上表面延伸，所述机身的上表面和侧表面基本被光伏电池(3)覆盖，所述机身(2)的上表面和侧表面之间形成拐角A，以优化设置在所述机身(2)上表面和侧表面的光伏电池的平均曝光量。

2.根据权利要求1所述的无人机(1)，其特征在于，所述第二机翼(5)通过V形连接臂(6)结合于所述机身(2)，所述第二机翼位于所述机身的上方。

3.根据权利要求1所述的无人机(1)，其特征在于，所述无人机包括至少一对光伏电池(3)的异形板(8)，该至少一对光伏电池(3)的异形板(8)与所述第一机翼(4)和所述第二机翼(5)不同，每对异形板中的两个异形板结合于所述机身(2)并且对称地分布在所述机身的两侧，

这些异形板中的每一者的剖面为弧形，并能够在迎角为零度且处于预定的巡航速度和巡航高度时给予所述异形板足够的升力，以抵消所述异形板的重量。

4.根据权利要求3所述的无人机(1)，其特征在于，相对于所述第一机翼和第二机翼，所述至少一对异形板(8)在所述机身(2)上沿高度方向错开。

5.根据权利要求3所述的无人机(1)，其特征在于，所述无人机包括与所述第一机翼(4)和所述第二机翼(5)不同的两对光伏电池(3)的异形板(8)，该两对光伏电池(3)的异形板(8)包括位于前方的一对板和位于后方的一对板，

所述位于前方的一对板设置在所述第二机翼(5)和所述第一机翼(4)之间且设置在所述机身(2)的前端，

所述位于后方的一对板设置在所述第二机翼与所述机身的尾部之间。

6.根据权利要求1所述的无人机(1)，其特征在于，所述机身(2)包括用于负载的机舱(9)，所述机舱设置在所述机身的前端且位于所述第一机翼(4)和所述第二机翼(5)的前方。

7.根据权利要求1所述的无人机(1)，其特征在于，所述无人机包括至少一个支撑有所述光伏电池(3)的下表面。

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