CN107315416A - 北斗导航的环境监测用无人机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种北斗导航的环境监测用无人机及其工作方法，包括：中央控制单元，与所述中央控制单元相连的北斗导航单元、视频监控单元、环境质量检测单元（监测有害气体、粉尘等）、无线通讯单元；北斗导航单元包括存储器，存储器中预存有多个待监测点的导航位置信息，在中央控制单元控制无人机按预定路径飞行至所需的监测点，并采集该监测点的环境质量信息、现场视频和照片，然后将获取得的该监测点的环境质量信息、现场视频和照片通过无线通讯单元发送至监控中心，以实现无人机对各待监测点的随机、实时监测。避免了在各监测点设置监测设备，省却了监测设备的安装周期，节省了监测成本。

Description

北斗导航的环境监测用无人机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种模仿鸟类或昆虫飞行的环境监测用无人机用，涉及一种模仿鸟类或昆虫双翼扑翼的环境监测用无人机用及其工作方法。

背景技术

现有的环境监测，尤其是对可能存在偷排废气、废水，倾倒垃圾等的场所，往往只能是在各监测点设置固定的监测设备，监测设备的安装、调试周期较长，使用、维护成本较高。且这些固定的监测设备容易被人为故意破坏，或采用欺骗手法，影响监控设备的正常数据采集。

此外，模仿和学习鸟类及昆虫的飞行方式是人类掌握飞行方法的重要途径之一。飞行翼的驱动是实现飞行重要途径。仿生翼驱动器是扑翼飞行器的核心装置，现在小型飞行器大多采用旋翼是，用电机驱动；本发明装置采用了全新的驱动方式，在飞行机理上更加接近鸟类或昆虫的飞行，而且结构简单，效率高，重量轻，承载能力更强，适用于小型和超小型飞行器的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于通过电磁控制方式实现的无人机用拍式仿生翼驱动器及其工作方法。

为了解决上述技术问题，一种环境监测用无人机，包括：中央控制单元，该环境监测装置包括：与所述中央控制单元相连的北斗导航单元、视频监控单元、环境质量检测单元、无线通讯单元；北斗导航单元包括存储器，存储器中预存有多个待监测点的导航位置信息，在中央控制单元控制无人机按预定路径飞行至所需的监测点，并采集该监测点的环境质量信息、现场视频和照片，然后将获取得的该监测点的环境质量信息、现场视频和照片通过无线通讯单元发送至监控中心；无人机还包括用于驱动该无人机飞行的驱动器，驱动器包括：前后设置的第一、第二电磁驱动机构；所述第一、第二电磁驱动机构适于分别驱动左、右侧飞行翼做扑翼动作。

进一步，所述第一、第二电磁驱动机构的结构、尺寸相同，且包括：机壳、设于该机壳内的用于带动飞行翼动作的连动机构；所述连动机构包括：连动板，该连动板的一端活动连接在所述机壳内侧端部的一转轴上，另一端从机壳向外延伸且与一侧飞行翼相连；所述连动板上按连动板长度方向设置有两块永磁体作为动磁极，且两块永磁体的磁极分布方向相反；两块永磁体的磁极分布在连动板的上、下端面；所述连动板的上、下方均设置有静磁单元，静磁单元的两磁极分别与相应的连动板上的两永磁铁相配合；通过改变各静磁单元的线圈驱动电流的方向，以使连动板带动飞行翼做扑翼动作。所述第一、第二电磁驱动机构的机壳彼此固定且对齐分布，两机壳中的所述转轴设置在不同端。

进一步，所述静磁单元包括呈U形的磁极磁芯，且磁极磁芯的两端磁极均绕制有线圈，即构成两静磁极；当飞行翼向上动作时，线圈驱动电流使连动板下方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相斥，且使位于连动板上方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相吸；以及通过改变两静磁单元中的线圈驱动电流方向，以改变静磁极的磁极方向，使飞行翼向下动作；如此反复，使左、右侧飞行翼反复做扑翼动作。

进一步，位于连动板上方的静磁单元中的两静磁极均为斜面设置，且按照连动板向上动作后的斜面进行分布；位于连动板下方的静磁单元中的两静磁极水平设置；以及静磁极表面均粘贴有减震垫。

进一步，所述机壳内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

进一步，左、右侧飞行翼左右对称，且纵向设置。

又一方面，本发明还提供了一种所述的拍式仿生翼驱动器的工作方法，即所述第一、第二电磁驱动机构适于分别驱动左、右侧飞行翼做扑翼动作。

进一步，所述第一、第二电磁驱动机构的结构相同，且包括：机壳、用于带动飞行翼动作的连动机构；所述连动机构包括：连动板，该连动板的一端连接转轴，另一端从机壳向外延伸且与一侧飞行翼相连；所述连动板上按连动板长度方向设置有两块永磁体作为动磁极，且两块永磁体的磁极相反；所述连动板的上方和下方均设置有与两永磁铁配合的静磁单元；通过改变静磁单元的线圈驱动电流的方向，以使连动板带动飞行翼做扑翼动作。

进一步，所述静磁单元包括呈U形的磁极磁芯，且磁极磁芯的两端磁极均绕制有线圈，即构成两静磁极；当飞行翼向上动作时，线圈驱动电流使下方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相斥，且位于上方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相吸；以及通过改变两静磁单元中的线圈驱动电流方向，以改变静磁极的磁极方向，使飞行翼向下动作。

进一步，位于上方的静磁单元中的两静磁极均为斜面设置，且按照连动板向上动作后的斜面进行分布；位于下方的静磁单元中的两静磁极水平设置；以及静磁极表面均粘贴有减震泡沫垫；以及所述机壳内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

本发明的有益效果是，本发明与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）从结构特点上看充分利用了电磁铁有效资源，动磁极与作用它的电磁极的空气隙接近零，理论值作用力趋于无穷大（电磁力与8乘以空气隙的平方成反比），这时动磁极将获得最大的排斥力离开电磁极；因此使用较小的电流就能获得较大的作用力；从另一个角度看，当动磁极受排斥作用离开电磁极后排斥力虽然减小，但是又受到对过磁极的吸力作用而迅速移动到吸力磁极，而本发明每次作用都充分利用两个磁极，因此具有较高的工作效率，获得更大输出功率。

（2）本拍式仿生翼驱动器，其动磁极无论在那个位置，在移动的过程中，开始移动和结束移动之前都可以获得最大的作用力，使得运动过程比利用电机旋转通过偏心轮变成往复运动更合理，更节省能源，结构也更简单，而对比文件通过传动机构作用。

（3）本拍式仿生翼驱动器能在驱动电流较小的情况下就能够获得很大的推进力，减少了电感线圈的充放电时间，因此可以实现更高频率的往复运动，更接近昆虫的扑翼频率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明无人机的拍式仿生翼驱动器的结构示图；

图2是本发明的连动机构的结构示意图；

图3是本发明的一电磁驱动机构的构示图；

图4（a）和图4（b）分别是本发明的电磁驱动机构的向上或相应动作示意图；

图5是本发明的线圈驱动电流的波形图；

图6是本发明的环境监测用无人机的电路框图；

图中：第一电磁驱动机构1、第二电磁驱动机构2、飞行翼3；

机壳101、窗口101a、连动机构102、连动板102a、转轴102b、永磁体102c；

静磁单元103、磁极磁芯103a、线圈103b、静磁极103c、减震泡沫垫103d。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

一个理想的模仿生物飞行的无人机用振翼驱动器（以下简称仿生翼驱动器）应该具备：在保证驱动能力的基础上，尽量减轻自重；在保证驱动能力的基础上，尽量减少能耗；这种飞行器才有较好的持续飞行能力。

本发明的目的是设计一款能够尽可能满足上述条件的仿生翼驱动器；本设计了一款与传统方式不同的电磁驱动结构，利用电磁驱动特性，充分挖掘动力资源，在提高能源利用率，提高承载能力的基础上减轻装置的重量，以图提高小型和超小型仿生飞行器续航能力；本发明采用的技术方案，合理设计磁极，合理运用电磁资源，优化静磁极103c和运动磁极的结构组合，使利用较小的电力资源达到驱动力的最大化，从而使飞行器在有限能源的基础上远距离飞行。

以下通过实施例1和实施例2对本拍式仿生翼驱动器及其工作方法进行详细说明。

实施例1

本发明提供了一种无人机用拍式仿生翼驱动器，包括：

前后设置的第一、第二电磁驱动机构；

所述第一、第二电磁驱动机构适于分别驱动左、右侧飞行翼3做扑翼动作。

为了进一步使飞行姿态稳定，左、右侧飞行翼3左右对称，且纵向设置。

具体的，所述第一、第二电磁驱动机构的结构、外形、尺寸相同，且包括：机壳101、设于该机壳内的用于带动飞行翼3动作的连动机构102；所述连动机构102包括：连动板102a，该连动板102a的一端活动连接在所述机壳内侧端部的一转轴102b上，另一端从机壳101向外延伸穿过窗口101a与一侧飞行翼3相连；所述连动板102a上按连动板102a长度方向设置有两块永磁体102c作为动磁极，且两块永磁体102c的磁极分布方向相反；两块永磁体的磁极都分布在连动板的上、下端面；所述连动板102a的上方和下方均设置有与相应的连动板上的两永磁铁配合的静磁单元103；通过改变静磁单元103的线圈驱动电流的方向，以使连动板102a带动飞行翼3做扑翼动作。所述第一、第二电磁驱动机构的机壳彼此固定且对齐分布，两机壳中的所述转轴设置在不同端。

通过两动磁极分别与上下设置的静磁单元103协同工作，提高了飞行翼3做扑翼动作的力度和速度，能够实现快速升空。

所述静磁单元103包括呈U形的磁极磁芯103a，且磁极磁芯103a的两端磁极均绕制有线圈103b，即构成两静磁极103c；当飞行翼3向上动作时，线圈驱动电流使下方的静磁单元103中两静磁极103c分别与两块永磁体102c的磁极相斥，且位于上方的静磁单元103中两静磁极103c分别与两块永磁体102c的磁极相吸，使飞行翼3快速的向上动作；以及通过改变两静磁单元103中的线圈驱动电流方向，以改变静磁极103c的磁极方向，故，下方的静磁单元103中两静磁极103c分别与两块永磁体102c的磁极相吸，位于上方的静磁单元103中两静磁极103c分别与两块永磁体102c的磁极相斥，使飞行翼3快速的向下动作；如此反复，使左、右侧飞行翼反复做扑翼动作。

可选的，所述磁极磁芯103a例如但不限于采用坡莫合金板粘结而成。

为了满足连动板102a的振动幅度，以及使连动板102a的上端面与上方的静磁单元103中的两静磁极103c贴合，位于上方的静磁单元103中的两静磁极103c均为斜面设置，且按照连动板102a向上动作后的斜面进行分布；位于下方的静磁单元103中的两静磁极103c水平设置；以及静磁极103c表面均粘贴有减震泡沫垫103d，以降低振动噪音。

所述机壳101内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

以及在控制本拍式仿生翼驱动器在飞行过程中向左或向右转弯时，由于本拍式仿生翼驱动器采用独立设置的第一、第二电磁驱动机构，通过一处理器模块控制两电磁驱动机构中的交变电流控制电路改变线圈驱动电流的脉宽和幅度，即可实现，具体的，若右转，则加大第二电磁驱动机构中交变电流控制电路所产生的线圈驱动电流的脉宽，和/或减小电流幅度，使右侧飞行翼3扑翼频率减弱即可。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种环境监测用无人机。

所述无人机安装有如实施例1所述的扑翼驱动器。如图6，该无人机的电路部分包括:中央控制单元，与所述中央控制单元相连的有：用于控制无人机飞行的飞行控制驱动单元、用于提供导航功能的北斗导航单元、用于实时获取视频图像等的视频监控单元、用于实时获取环境质量数据的环境质量检测单元（优选采用如专利文献CN203837749U，CN205037923U，CN105865533A等公开的环境监测仪）、用于实现遥控以及与控制中心的监控终端进行远程数据传输的无线通讯单元（优选采用4G或卫星通信模块）；北斗导航单元包括存储器，存储器中预存有多个待监测点的导航位置信息，在中央控制单元控制无人机按预定路径飞行至所需的监测点，并采集该监测点的环境质量信息、现场视频和照片，然后将获取得的该监测点的环境质量信息、现场视频和照片通过无线通讯单元发送至监控中心，以实现无人机对各待监测点的随机、实时监测。避免了在各监测点设置监测设备，省却了监测设备的安装周期，节省了监测成本，监测数据不易被欺骗，无人机的监测不易被人为破坏。

飞行控制驱动单元包括：交变电流控制电路，用于控制各静磁单元的线圈驱动电流大小、方向。中央控制单元与北斗导航单元、视频监控单元、环境质量检测单元、无线通讯单元中的主控制芯片的通讯控制接口连接，以进行实时监控。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例的拍式仿生翼驱动器的工作方法，即所述第一、第二电磁驱动机构适于分别驱动左、右侧飞行翼3做扑翼动作。

所述第一、第二电磁驱动机构的结构相同，且包括：机壳101、用于带动飞行翼3动作的连动机构102；所述连动机构102包括：连动板102a，该连动板102a的一端连接转轴102b，另一端从机壳101向外延伸且与一侧飞行翼3相连；所述连动板102a上按连动板102a长度方向设置有两块永磁体102c作为动磁极，且两块永磁体102c的磁极相反；所述连动板102a的上方和下方均设置有与两永磁铁配合的静磁单元103；通过改变静磁单元103的线圈驱动电流的方向，以使连动板102a带动飞行翼3做扑翼动作。

所述静磁单元103包括呈U形的磁极磁芯103a，且磁极磁芯103a的两端磁极均绕制有线圈103b，即构成两静磁极103c；当飞行翼3向上动作时，线圈驱动电流使下方的静磁单元103中两静磁极103c分别与两块永磁体102c的磁极相斥，且位于上方的静磁单元103中两静磁极103c分别与两块永磁体102c的磁极相吸；以及通过改变两静磁单元103中的线圈驱动电流方向，以改变静磁极103c的磁极方向，使飞行翼3向下动作。

位于上方的静磁单元103中的两静磁极103c均为斜面设置，且按照连动板102a向上动作后的斜面进行分布；位于下方的静磁单元103中的两静磁极103c水平设置；以及静磁极103c表面均粘贴有减震泡沫垫103d；以及所述机壳101内还设有交变电流控制电路，即通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

下面对实施例1和实施例2的工作原理进行展开说明，参见图4（a）、图4（b）并结合图5进行说明。

以一组为例说明工作原理，假定初始状态在4（a）的位置，当线圈103b中没有电流流过时，这个状态是稳定的；当线圈103b中通入正向电流，静磁极103c的磁极方向如图4（a）所示，这时由于产生同性磁场的相斥作用，以对于动磁极同时产生向上的力F，动磁极将受力的作用而到达图4（b）所示位置，这时，撤除正向电流，移动磁极将停留在图4（b）的位置上；

进一步地，将线圈103b通入反向电流，静磁极103c的方向将如图4（b）所示，由于静磁极103c产生与动磁极相反的磁场，在排斥力作用下，动磁极将离开原磁极的位置返回到图4（a）的位置上；

如果在线圈103b上加上如图5所示的交变电流（线圈驱动电流），动磁极就会周而复始的上下运动，驱动飞行翼3上下振动；并且调节控制电流脉宽和幅值控制驱动器的输出功率。

如果第一、第二电磁驱动机构分别加不同频率的电流，左、右侧飞行翼3就以不同的频率振翼，就能够改变飞行和姿态。

具体的，在控制本拍式仿生翼驱动器在飞行过程中向左或向右转弯时，由于本拍式仿生翼驱动器采用独立设置的第一、第二电磁驱动机构，通过一处理器模块控制两电磁驱动机构中的交变电流控制电路改变线圈驱动电流的频率和幅度，即可实现，例如实现右转，则减小第二电磁驱动机构中交变电流控制电路所产生的线圈驱动电流的频率，和/或减小电流幅度，使右侧飞行翼3扑翼频率减弱，左侧扑翼频率保持或提高。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种环境监测用无人机，包括：中央控制单元，该环境监测装置包括：与所述中央控制单元相连的北斗导航单元、视频监控单元、环境质量检测单元、无线通讯单元；

北斗导航单元包括存储器，存储器中预存有多个待监测点的导航位置信息，在中央控制单元控制无人机按预定路径飞行至所需的监测点，并采集该监测点的环境质量信息、现场视频和照片，然后将获取得的该监测点的环境质量信息、现场视频和照片通过无线通讯单元发送至监控中心；

无人机还包括用于驱动该无人机飞行的驱动器，驱动器包括：

前后设置的第一、第二电磁驱动机构；

所述第一、第二电磁驱动机构适于分别驱动左、右侧飞行翼做扑翼动作；

所述第一、第二电磁驱动机构的结构、尺寸相同，且包括：

机壳、设于该机壳内的用于带动飞行翼动作的连动机构；

所述连动机构包括：连动板，该连动板的一端活动连接在所述机壳内侧端部的一转轴上，另一端从机壳向外延伸且与一侧飞行翼相连；

所述连动板上按连动板长度方向设置有两块永磁体作为动磁极，且两块永磁体的磁极分布方向相反；两块永磁体的磁极分布在连动板的上、下端面；

所述连动板的上、下方均设置有静磁单元，静磁单元的两磁极分别与相应的连动板上的两永磁铁相配合；

通过改变各静磁单元的线圈驱动电流的方向，以使连动板带动飞行翼做扑翼动作；

所述第一、第二电磁驱动机构的机壳彼此固定且对齐分布，两机壳中的所述转轴设置在不同端。

2.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，

所述静磁单元包括呈U形的磁极磁芯，且磁极磁芯的两端磁极均绕制有线圈，即构成两静磁极；

当飞行翼向上动作时，线圈驱动电流使连动板下方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相斥，且使位于连动板上方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相吸；以及

通过改变两静磁单元中的线圈驱动电流方向，以改变静磁极的磁极方向，使飞行翼向下动作；如此反复，使左、右侧飞行翼反复做扑翼动作。

3.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，

位于连动板上方的静磁单元中的两静磁极均为斜面设置，且按照连动板向上动作后的斜面进行分布；

位于连动板下方的静磁单元中的两静磁极水平设置；以及静磁极表面均粘贴有减震垫。

4.根据权利要求3所述的无人机，其特征在于，

所述机壳内还设有交变电流控制电路，即

通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。

5.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，

左、右侧飞行翼左右对称，且纵向设置。

6.一种如权利要求1所述的无人机的工作方法，其特征在于，

所述第一、第二电磁驱动机构适于分别驱动左、右侧飞行翼做扑翼动作。

7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，

所述第一、第二电磁驱动机构的结构相同，且包括：

机壳、用于带动飞行翼动作的连动机构；

所述连动机构包括：连动板，该连动板的一端连接转轴，另一端从机壳向外延伸且与一侧飞行翼相连；

所述连动板上按连动板长度方向设置有两块永磁体作为动磁极，且两块永磁体的磁极相反；

所述连动板的上方和下方均设置有与两永磁铁配合的静磁单元；

通过改变静磁单元的线圈驱动电流的方向，以使连动板带动飞行翼做扑翼动作。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，

所述静磁单元包括呈U形的磁极磁芯，且磁极磁芯的两端磁极均绕制有线圈，即构成两静磁极；

当飞行翼向上动作时，线圈驱动电流使下方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相斥，且位于上方的静磁单元中两静磁极分别与两块永磁体的磁极相吸；以及

通过改变两静磁单元中的线圈驱动电流方向，以改变静磁极的磁极方向，使飞行翼向下动作。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，

位于上方的静磁单元中的两静磁极均为斜面设置，且按照连动板向上动作后的斜面进行分布；

位于下方的静磁单元中的两静磁极水平设置；以及静磁极表面均粘贴有减震泡沫垫；以及

所述机壳内还设有交变电流控制电路，即

通过交变电流控制电路调节线圈驱动电流的方向、脉宽和幅度。