CN107117294A - 设有具有加强功能的电池组的无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转机翼无人机(10)，该旋转机翼无人机包括无人机机体(22)以及链接臂(24、26、28、30)，这些链接臂在它们的远端处包括推进单元(32)。该无人机包括刚质电池组(34)，该刚质电池组包括至少一个固定装置和引导轨(48)。无人机机体(22)包括平台(36)，该平台具有至少一个引导轨(38)和至少一个固定装置，该至少一个引导轨适合于与电池组(34)的引导轮廓(48)协配，并且该至少一个固定装置与电池组的固定装置互补以使得该电池组加强该无人机机体。

Description

设有具有加强功能的电池组的无人机

技术领域

本发明涉及一种诸如无人机之类的机动化飞行装置、尤其是四轴飞行器类型的旋转机翼无人机。

背景技术

此类无人机的典型示例是法国巴黎的鹦鹉公司(Parrot SA,Paris,France)的AR.Drone、Bebop Drone或Bebop 2，该无人机是装备有一系列传感器(加速度计、三轴陀螺仪、高度计)的四轴飞行器，并且可以包括至少一个前部摄像机，用以捕获无人机所指向场景的图像。

这些无人机设有若干旋翼，这些旋翼由适合于以有差别的方式受控的相应电动机驱动，从而以一定姿态和速度来驾驶该无人机。

这些四轴飞行器装备有四个推进单元，每个推进单元均设有螺旋桨。这些推进单元定位在链接臂的远端处，这些链接臂将推进单元连接于无人机机体。此外，这些无人机包括多个无人机支承件或支脚，这些无人机支承件或支脚用于尤其是在无人机处于地面上时支承该无人机。

WO 2010/061099 A2、EP 2 364 757 A1以及EP 2 450 862 A1(鹦鹉公司)描述通过集成有加速度计的触摸屏式多媒体电话或平板电脑、例如iPhone类型的智能电话或iPad类型的平板电脑(注册商标)来驾驶无人机的原理。

无人机的结构和重量是无人机的飞行性能的两个重要方面，尤其是在驾驶的自主性、响应性以及敏捷性方面。

无人机重量的主要来源部件是无人机的电池组。

众所周知的是，在无人机结构中提供壳体，以供电池组插入到该无人机结构中。电池组的插入通常是一种精细的任务，因为壳体是狭窄的并且用户须在插入电池组之前执行电池组连接器与无人机的电连接器的电连接。

所有这些操作均是乏味的并且对于用户而言并不十分实用。此外，插入到壳体中的电池组可移动并且由此影响无人机的飞行。

因此，电池组关于其形状及其在无人机中整合性的优化发挥了相当大的作用。

DE 2013 206 478 A1描述了一种无人机，该无人机具有中心机体，该中心机体具有相对庞大且紧凑的形状，四个管状臂从该机体的中心点以交叉的形状从该中心机体延伸出，每个臂在其远端处承载电机-螺旋桨推进单元。该无人机机体在顶部装有电池组，该电池组装配到设置在无人机机体的上盖中的具有类似形状的凹部中。

EP 2 937 123 A1(鹦鹉公司)描述了一种上述Bebop类型的无人机的内部结构，在无人机机体的后上部区域中示出设置在该无人机机体上的可移除电池。电池借助诸如钩环带之类的条带紧固于无人机机体，该条带通过设置成接纳该条带的有眼螺栓，从而形成存在于无人机机体内部的内部刚质金属元件的侧向延伸部、在此是镁板。

本发明涉及如下情形的无人机，其中，无人机机体的支承电池组的部分(下文称为“平台”)是相对可变形的，这是由于臂的特别有利于在平台中形成扭转/弯曲应力的构造(不同于DE 2013 206 478 A1，其中，四个臂从机体的中心以交叉形状延伸出，该机体此外是庞大的并且由此是极为刚质的)，或者由于缺少任何内部加强元件(不同于EP 2 937 123A1，其中镁板尤其是确保此种加强功能)。

在此种情形中，平台的变形可影响四个臂的相对几何形状，由此具有足以可测量地干扰无人机在飞行中的空气动力学性能的影响。这样，这些变形极为快速地易于在飞行阶段期间、尤其是在姿态的突变期间产生明显的驾驶和俯仰稳定困难，而姿态突变会突然地产生显著的应力差。

发明内容

本发明的目的是提出一种无人机，该无人机可消除与空气动力学性能相关的这些缺点(驾驶困难、俯仰稳定困难等等)，或者至少将它们减小至不可测量的和/或并不干扰无人机飞行控制的水平。

为此，本发明提出一种旋转机翼无人机，例如尤其是在上述DE 2013206 478 A1中披露的那样，该旋转机翼无人机包括：

无人机机体，该无人机机体具有机身机构，该框架结构包括前部结构和从该前部结构向后延伸的平台；

前部链接臂和后部链接臂，该前部链接臂固定于前部结构，而该后部链接臂固定于该平台，前部链接臂和后部链接臂的每个均在其远端处包括推进单元；以及

电池组，该电池组适合于安装在框架结构的平台上并且包括固定装置，该固定装置用于将电池紧固于平台。

本发明的特征在于，该平台是可变形的并且易于在无人机飞行时附带地致使后部链接臂变形：

电池组是刚质的并且包括固定装置以及引导轮廓；

该平台包括至少一个引导轨，该至少一个引导轨设置在平台的表面上并且适合于接纳电池组，且适合于与该电池组的引导轮廓协配，

该引导轨具有梯形的截面并且存在于平台的至少一个部分上，并且引导轮廓具有互补的形状，以使得引导轨允许机械地校正或回复框架结构在无人机飞行时产生的扭转作用力；以及

该平台进一步包括至少一个互补的固定装置，该固定装置适合于与电池组的固定装置协配，且该固定装置和互补的固定装置适合于允许锁定该电池组的平移。

由于此种设置，电池组紧固于框架结构的刚度通过避免在无人机飞行时平台的变形以及后部链接臂的附带变形、而在结构上强化该无人机机体并且加强该机体。

根据各个从属权利要求的特征：

两个前部链接臂与无人机机体的固定点以及两个后部链接臂与无人机机体的固定点相对于该无人机机体的水平中间平面位于不同的相应高度处，且电池组在一方面前部链接臂的定位成相对较高的固定点和另一方面后部链接臂的定位成相对较低的固定点之间产生结构延迟；

电池组的固定装置包括至少一个钩部，且平台的互补固定装置包括平台上的至少一个浮凸元件，并且适合于与所述至少一个钩部协配；

无人机机体的前部结构包括突出元件，电池组包括凹部，该凹部所具有的形状与前部结构的突出元件的形状互补，且该凹部包括固定装置，该固定装置与定位在无人机机体上的突出元件上的互补固定装置协配；

电池组包括：第一部分，该第一部分所具有的长度和宽度与无人机机体的平台的长度和宽度基本上相同；以及第二部分，该第二部分延伸超出该无人机机体的平台，且该第二部分比第一部分厚并且至少部分地相对于无人机机体的自由端部延伸出，并且包括连接装置(56)，该连接装置适合于与位于平台的自由端部上的互补连接装置协配；

电池组包括按钮，该按钮可释放电池组的固定，并且由此允许该电池组平移而从无人机机体分开；

引导轨基本上定位在平台的中心部分中；和/或

该引导轨在平台长度的至少一部分之上形成，且将该平台长度限定为无人机的在主要飞行方向上的长度。

附图说明

现将参照附图描述本发明的示例性实施例。

图1是根据本发明的无人机的总体视图。

图2是根据本发明的不具有电池组的无人机的视图。

图3是根据本发明的无人机机体中适合于接纳电池组的平台的详细视图。

图4说明根据本发明的电池组。

图5示出在电池组与根据本发明的无人机机体的平台协配处、无人机在该无人机的横向方向上的垂直剖面。

图6示出无人机的纵向垂直剖面，以说明电池组与根据本发明的无人机机体的协配。

图7是根据本发明的电池组的一实施例的电池组的俯视图。

具体实施方式

现将描述本发明的示例性实施例。

在图1中，附图标记10总地指代无人机。根据图1中说明的示例，该无人机是四轴飞行器类型的无人机。

该四轴飞行器式无人机10包括无人机机体22以及两个前部链接臂24、26和两个后部链接臂28、30，两个前部链接臂的两个后部链接臂从无人机机体22延伸出并且在其远端处包括推进单元32，螺旋桨12组装至该推进单元，且前部位置和后部位置相对于无人机的主要飞行方向所限定。该推进单元包括电动机和螺旋桨12，该螺旋桨组装至电动机。

通过集成式导航和姿态控制系统彼此独立地驾驶这些推进单元。

无人机10还包括前视摄像机(未示出)，该前视摄像机可获得该无人机所指向场景的图像。该无人机还包括向下指向的俯视摄像机(未示出)，该俯视摄像机适合于捕获所飞越地形的连续图像并且具体地用于评估该无人机相对于地面的速度。

四轴飞行器式无人机10具有特定的框架结构，尤其是相对于该无人机的主要飞行移位、在该无人机的后部处使用所谓的“V尾”形状。换言之，将框架改型成使得两个后部链接臂28、30彼此之间形成V部。

因此，两个前部链接臂24、26与无人机机体的固定点以及两个后部链接臂28、30与该无人机机体的固定点相对于无人机机体22的水平中间平面位于不同的相应高度处。

此外，该无人机的两个前部链接臂24、26相对于无人机机体的水平中间平面形成第一倾斜角度，而两个后部链接臂28、30相对于该无人机机体的水平中间平面形成第二倾斜角度，该第二倾斜角度不同于第一角度。

根据示例性实施例，该无人机的两个前部链接臂24、26相对于该无人机机体的水平中间平面形成0至10°的角度，而两个后部链接臂28、30形成包括在15°和45°之间的角度。根据特定的实施例，与两个后部链接臂相关的角度是大约30°。

分别组装至前部臂26和后部臂30的推进单元32的螺旋桨12定位在同一平面中、尤其是同一转动平面中。而且分别组装至前部臂24和后部臂28的推进单元32的螺旋桨12定位在同一平面中、尤其是同一转动平面中。换言之，在无人机的同一侧上组装至推进单元32的螺旋桨定位在同一平面中、尤其是同一转动平面中。无人机的侧部相对于该无人机的主要飞行方向限定。

根据替代的实施例，组装至该无人机的推进单元的所有螺旋桨均定位在同一平面中、尤其是同一转动平面中。

这些螺旋桨适合于从推进单元32拆除，以便储存或在螺旋桨12受损的情形下更换。

根据特定的实施例，组装至无人机的前部链接臂24、26的推进单元32的螺旋桨在直径上是279毫米，而组装至该无人机的后部链接臂28、30的推进单元的螺旋桨12在直径上是229毫米。

该无人机还包括电池组34，该电池组组装至无人机机体22。

此外，该无人机具有无人机支承件50，以允许该无人机在地面上采取稳定的位置。

根据示例性实施例，该无人机设有惯性传感器(加速度计和陀螺仪)，这些惯性传感器可在一定精度下测量该无人机的角速度和姿态角度，即描述无人机相对于固定地面参考系统的水平面的倾斜度的欧拉角(俯仰角滚转角θ和偏航角ψ)，应理解的是，水平速度的两个纵向和横向分量与根据两个相应俯仰轴线和滚转轴线的倾斜度紧密相关。

设置在无人机下方的超声波测距仪还提供相对于地面的高度的测量。

图2说明在不具有电池组情形下的图1所示无人机。该无人机机体包括平台36，电池组34组装至该平台。

无人机机体的平台36在平台表面上包括适合于接纳电池组的至少一个引导轨38，该至少一个引导轨适合于与存在于电池组上的互补引导轮廓协配。

无人机的后部链接臂固定于平台36的适合于接纳电池组的任一侧上。

根据特定的实施例，该平台包括电连接装置40，该电连接装置定位在平台的自由端部上。

在平台的相对端部处，该无人机机体包括无人机的前部结构42。该无人机的前部链接臂固定于该无人机的前部结构。

该无人机的前部结构42具体地包括用于控制无人机的装置、用于使得无人机与驾驶装置通信的装置以及至少一个前部摄像机(未示出)。

如图所示，该无人机机体的平台36具有相对较低的厚度，这无法允许确保避免当无人机飞行时平台变形所需的刚度，而上述变形具体地会传递至后部链接臂28。

在此种连接中，须将平台的“可变形”特征理解成，在飞行期间，在缺少任何附加的加强装置(参见下文)的情形下：i)该平台会经受由于推进单元所产生的以及由链接臂所传递的作用力而产生的应力，ii)这些应力然后会产生平台的扭转和/或弯曲变形，从而影响四个臂的相对几何形状、尤其是后部臂相对于前部臂的相对几何形状，由此产生iii)足够的影响来可测得地干扰无人机在飞行中的空气动力学性能。

这样，对于无人机机体的某些特定几何形状而言，该无人机机体的变形易于极其快速地在飞行阶段期间、尤其是在姿态突变期间产生明显的驾驶困难和俯仰稳定困难，而姿态突变会突然地产生显著的应力差。

会注意到的是，平台所经受的应力由于杠杆作用而增大，即所施加的扭转扭矩越大，臂长度越长，并且连接于平台的后端的上前臂和下后臂的高度偏差越大。还会注意到的是，例如在附图中说明的示例中那样，平台的弯曲和扭转变形由于该平台的细长形状而增大。

为了解决此种问题，根据本发明，电池组34是刚质包，该刚质包包括至少一个引导轮廓和一个固定装置，从而可将电池组组装至无人机机体、尤其是组装至该无人机机体的平台36，并且将电池组紧固于该无人机机体。

须将电池组的“刚质”特征理解成这样一种相对刚性：即在与平台经受相同的作用力的情形下，电池组的适当弯曲/扭转变形小于该平台的变形，或者甚至几乎为零。实际上，当电池组和平台紧固在一起以形成单件式单元时，电池组的刚性在结构上加强无人机机体并且加强该机体，由此避免无人机机体的平台发生变形。然后，可避免与空气动力学性能相关的上文披露的缺点(驾驶困难、俯仰稳定困难等等)，或者至少减小至不可测得的和/或不会干扰无人机飞行控制的水平。

该无人机机体还包括至少一个固定装置，该至少一个固定装置与电池组的固定装置互补。

如图3中所示，无人机机体的平台36的引导轨38具有梯形截面。引导轨存在于该平台的至少一个部分上。引导轨可沿着平台的长度或者宽度存在。

如图2和图3中所示，引导轨38在平台36的整个长度之上形成，且将该平台长度限定为无人机的在主要飞行方向上的长度。

根据另一实施例，引导轨38存在于平台36的长度的至少一部分上。

根据特定的实施例，引导轨38基本上定位在平台的中心部分中。然而，作为替代，引导轨可基本上偏移地定位在其中一个平台侧部上。

无人机机体的平台的引导轨38允许在安装电池组时、该电池组的定位且尤其是自动对中。

引导轨还允许机械地校正(恢复)主结构尤其是在推进单元操作时产生的扭转作用力。

根据特定的实施例，无人机机体的平台36进一步包括一个或若干个固定装置44。一个或若干固定装置例如是一个或若干个浮凸元件44，这些浮凸元件适合于与电池组34的固定装置协配。

作为替代或者作为补充，该无人机机体尤其是在无人机机体的前部结构上包括固定装置，该固定装置与电池上的固定装置互补，以加强电池组与无人机机体的紧固。

如图2中所示，存在于该无人机机体的前部结构上的此种固定装置例如存在于该无人机机体的突出元件46上、存在于该无人机机体的前部结构的上部分上。

图4说明根据本发明的电池组34。电池组34包括引导轮廓48，该引导轮廓所具有的形状与无人机机体的平台的引导轨38的形状互补。

图5说明平台的引导轨38与电池组的引导轮廓48的形状互补性。

引导轮廓48存在于电池组的必须与无人机机体的平台协配的至少一部分上。引导轮廓48可沿着电池组的长度或宽度而存在。

根据特定的实施例，该电池组包括一个或若干个固定装置、例如至少一个钩部50，且位于无人机机体的平台36上的互补固定装置在该无人机机体的平台上包括至少一个浮凸部44，该至少一个浮凸部适合于与钩部协配。

具体地说，根据图4中说明的示例，电池组包括四个互补的固定装置、尤其是四个钩部，这些钩部适合于与无人机机体的平台的浮凸元件协配。

机械固定装置允许电池的良好机械强度以及电池组与无人机机体的结构的良好紧固。

图6具体地说明电池组34的固定装置、尤其是钩部50与存在于该无人机机体的平台上的互补固定装置、尤其是浮凸元件44的协配。

如图4中所示，该电池组包括第一部分52和第二部分54，该第一部分所具有的长度和宽度基本上与无人机机体的平台36的长度和宽度相同，而第二部分延伸超出该无人机机体的平台。第二部分54比第一部分52厚，并且至少部分地相对于该无人机机体的自由端部延伸。第二部分54包括连接装置56，该连接装置与定位在平台的自由端部处的互补连接装置40协配。

图6示出了电池组56的连接装置与定位在平台的自由端部处的互补连接装置40的协配。

图7说明从上方观察到的根据本发明的电池组的示例。

根据该实施例，该电池组包括固定装置，该固定装置适合于与尤其是存在于无人机机体的前部结构42上的互补固定装置。这些固定装置允许锁定电池组的平移。

如图7中所示，电池组包括凹部58，该凹部所具有的形状与无人机机体上的突出元件46的形状互补，且该电池组的凹部58包括固定装置60，该固定装置与定位在无人机机体上的突出元件46上的互补固定装置协配。

根据特定的实施例，电池组包括按钮62，该按钮可释放电池组的固定，并且由此允许该电池组平移而从无人机机体分开。

如图1中所示，电池组与无人机机体的组装允许无人机的结构加强以及无人机的良好刚度。该电池组尤其是定位在无人机的后部上，以在前部链接臂的相对较高定位的固定点和后部链接臂的相对较低定位的固定点之间产生结构中继部。

最后，可观察到的是，电池组34部分地构成无人机10的外部包络部。实际上，该电池组例如在若干侧部上形成无人机的外部结构。

Claims (8)

1.一种旋转机翼无人机(10)，包括：

无人机机体(22)，所述无人机机体具有框架结构，所述框架结构包括前部结构(42)和从所述前部结构向后延伸的平台(36)；

前部链接臂(24、26)和后部链接臂(28、30)，所述前部链接臂固定于所述前部结构，而所述后部链接臂固定于所述平台，所述前部链接臂和所述后部链接臂的每个均在其远端处包括推进单元(32)；以及

电池组(34)，所述电池组适合于安装在所述框架结构的平台上并且包括固定装置(50)，所述固定装置用于将所述电池紧固于所述平台，

其特征在于，所述平台(36)是可变形的并且易于在所述无人机飞行时附带地致使所述后部链接臂变形：

所述电池组(34)是刚质的并且包括所述固定装置(50)以及引导轮廓(48)；

所述平台(36)包括至少一个引导轨(38)，所述至少一个引导轨设置在所述平台的表面上并且适合于接纳所述电池组，且适合于与所述电池组的引导轮廓(48)协配，

所述引导轨(38)具有梯形的截面并且存在于所述平台的至少一个部分上，并且所述引导轮廓(48)具有互补的形状，以使得所述引导轨允许机械地校正所述框架结构在所述无人机飞行时产生的扭转作用力；以及

所述平台(36)进一步包括至少一个互补的固定装置(44)，所述固定装置适合于与所述电池组的固定装置(50)协配，且所述固定装置和所述互补的固定装置适合于允许锁定所述电池组的平移。

2.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述两个前部链接臂(24、26)与所述无人机机体的固定点以及所述两个后部链接臂(28、30)与所述无人机机体的固定点相对于所述无人机机体(22)的水平中间平面位于各自不同的高度处，

并且，所述电池组在一方面所述前部链接臂的相对较高定位的固定点和另一方面所述后部链接臂的相对较低定位的固定点之间产生结构中继部。

3.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，

所述电池组的固定装置包括至少一个钩部(50)，并且

所述平台的互补固定装置在所述平台上包括至少一个浮凸元件(44)，所述至少一个浮凸元件适合于与所述至少一个钩部协配。

4.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，

所述无人机机体的前部结构(42)包括突出元件(46)；

所述电池组(34)包括凹部(58)，所述凹部所具有的形状与所述前部结构的突出元件的形状互补；并且

所述凹部包括固定装置(60)，所述固定装置与定位在所述无人机机体上的突出元件上的互补固定装置协配。

5.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述电池组(34)包括：

第一部分(52)，所述第一部分所具有的长度和宽度基本上与所述无人机机体的平台的长度和宽度相同；以及

第二部分(54)，所述第二部分延伸超出所述无人机机体的平台，且所述第二部分比所述第一部分更厚并且至少部分地相对于所述无人机机体的自由端部延伸，并且包括连接装置(56)，所述连接装置适合于与位于所述平台的自由端部上的互补连接装置(40)协配。

6.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述电池组(34)包括按钮(62)，所述按钮可释放所述电池组的固定，并且由此允许所述电池组平移而从所述无人机机体分开。

7.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述引导轨(38)基本上定位在所述平台的中心部分中。

8.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述引导轨(38)在所述平台(36)的长度的至少一部分之上形成，且将所述平台的长度限定为所述无人机的在主要飞行方向上的长度。