CN107444638A - 一种伞形空中飞行无人操控装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置由蒙皮、支撑轴、支架、支架驱动装置、动力源、叶片、叶片驱动装置、控制器、传感系统组成。蒙皮是伞形的，控制器通过控制支架驱动装置在支撑轴上的伸缩运动来改变伞形蒙皮的张开和闭合的运动范围和运动速度。控制器接收传感系统感知的信息并依据内置的控制算法来控制叶片驱动装置输出的驱动力，装置的外形在空中飞行过程中自适应变形，可借助风力飞行，叶片驱动装置可利用风力发电，同时还装有太阳能电池利用太阳能，整个装置可长时间滞空。

Description

一种伞形空中飞行无人操控装置

技术领域

无人机在许多领域有广泛的应用需求，本发明提出了一种能够长时间在空中飞行的无人操控装置。

背景技术

人们日常生活中常常可见：巨大轰鸣的直升机带着巨幅广告飞越天空，巨型的飞艇在蓝天下翱翔，上面的宣传条幅飘荡在空中，这种奇特方式吸引了不少眼球。航模自由地飞行，农用机喷洒农药，无人机拍摄视频……。无人机技术日趋成熟，无人机技术的应用也越来越广。

无人直升机都是基于空气动力的原理，通过空气中一定形状的旋转叶片的高速旋转获得升力的，依据叶片的数量和相对位置有：单旋翼式、双旋翼式和多旋翼式、共轴反旋直升机等多种形式，小型无人直升机只能在距离地面一定高度上工作。

一般的无人直升机在运行过程中携带能源比较少，空中持续时间比较短，航程受到很大限制。而无人机在空中飞行时完全可以利用风能、太阳能等天然能源，这样可以获得更多的滞空时间，能源效率大大提高，可高效运行。

本发明是利用现有的无人直升机的特点，提出了一种分布式动力的可变形结构的伞形无人操控装置，能够在空中自动适应气流的变化，利用风能和太阳能，能完成空中特定任务，具有独特的应用前景。

发明内容

针对长滞空时间的无人飞行任务，本发明提出了一种分布式动力的伞形无人操控装置。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置由蒙皮、支撑轴、支架、支架驱动装置、动力源、叶片、叶片驱动装置、控制器、传感系统组成，蒙皮是伞形的，蒙皮的中心固定在支撑轴顶端上，支架一端与安装在支撑轴上的支架驱动装置连接，支架另一端与蒙皮连接，每组叶片由各自的叶片驱动装置驱动，叶片驱动装置安装在蒙皮上，动力源、控制器固定在支撑轴上，传感系统分布在蒙皮上，动力源提供能源给叶片驱动装置和其它组成部分，控制器接收传感系统感知的信息并依据内置的控制算法来控制叶片驱动装置输出的驱动力，叶片驱动装置驱动叶片旋转产生升力。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置，控制器通过控制支架驱动装置在支撑轴上的伸缩运动来改变伞形蒙皮的张开和闭合的运动范围和运动速度。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置的叶片是多组的，并对称分布在蒙皮表面。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置的叶片驱动装置，可以在风力作用下作为发电机工作，动力源可以充放电。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置的叶片驱动装置，其蒙皮表面分布有太阳能电池。

常规的直升机和无人直升机都是基于空气动力的原理，通过一定形状的旋转叶片在空气中的高速旋转获得升力的，依据叶片的数量和相对位置有：单旋翼式、双旋翼式和多旋翼式、共轴反旋直升机等多种形式。目前常用的小型无人直升机大多是电池能源，通过电机带动叶片旋转产生升力，调整叶片的旋转速度即可调整姿态和飞行轨迹，有限的电池能源只能提供短暂的飞行时间，作业任务大大受限。也有燃油和其它化学燃料的，但携带量也不能太大，航程也受到很大限制。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置，由蒙皮、支撑轴、支架、支架驱动装置、动力源、叶片、叶片驱动装置、控制器、传感系统组成。

蒙皮是伞形的，可以是柔性的，蒙皮的中心固定在支撑轴顶端上，它的其他部分在内表面与支架连接着。蒙皮的伞形是指其总体外形轮廓是对称的锥形的伞状，像日常使用的雨伞的外形。由于蒙皮是伞形的，所以可以随支架的运动而改变其外形，产生张开和闭合的动作。张开的动作是指外轮廓为锥形的蒙皮在对称轴垂直平面上的投影面积扩大的过程，闭合的动作是指外轮廓为锥形的蒙皮在对称轴垂直平面上的投影面积缩小的过程。当然支架的结构可以更复杂，实现伞状的蒙皮的分层、折叠、逐渐、批次的展开和收放等动作，以适应空中不同的气流变化。

支架的一端与支架驱动装置连接，支架驱动装置在支撑轴上可以实现伸缩运动，这种伸缩运动可以是直线或旋转，以及复合的其它复杂运动。支架的另一端与蒙皮内表面连接，当支架驱动装置在控制器的控制下运动时，支架驱动装置带动支架在支撑轴上运动，蒙皮就会产生相应的变形，同时完成张开和闭合等动作。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置，动力源是能够充电、放电的电池，附带充放电控制模块和电源管理模块的装置，能提供给叶片驱动装置、支架驱动装置和其他组成部分的动力能源，也能吸纳风能或太阳能转化过来的电能。动力源有多个，一部分给驱动装置和其它组成部分提供能源的时候，另外一部分动力源作为蓄电池吸收风能或太阳能转化成的电能，在控制器的控制下一定条件时相互切换。动力源安装在支撑轴上。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置的叶片驱动装置是电动机，一个或多个叶片紧固在电动机的输出轴上。叶片驱动装置带动叶片旋转产生升力，其输出的驱动力大小即升力的大小可以通过叶片旋转速度的调整而调整。当风力足够大的时候，叶片也可以在风力的带动下旋转，叶片驱动装置此时成为发电机，所发出的电力在控制器的控制下倒充入动力源，此时部分动力源成为了蓄电池储存风能。各叶片驱动装置在发电机和电动机之间的功能的切换是由控制器决定的，切换的时间也由控制器控制的。

叶片驱动装置安装在蒙皮上，在叶片驱动装置与蒙皮的连接部位，也会相应受到叶片驱动装置的拉力，实时控制各叶片驱动装置的驱动力也可以实时改变整个蒙皮的受力状况。

多个叶片驱动装置输出驱动力时，其合力的方向将决定整个飞行装置的飞行方向和飞行速度，以及在空间的飞行姿态的变化。在重力、浮力和叶片驱动装置输出的力的共同作用下，并借助风力就可以悬停、移动、飞行，实时控制各组叶片驱动装置输出的驱动力就可以实时控制这种合力的大小，进而就可以借助风力和叶片驱动装置输出的驱动力使得整个装置在空中稳定地飞行。同时，伞形蒙皮的张开和闭合的程度，也就是张开和闭合的范围，决定了能够借助的风力的大小。当伞形蒙皮下部张开较大时，受到风的作用就加大，下部张开较小时或下部张口闭合时，受到风的作用就减小，这种蒙皮的开合程度受控于控制器控制下的支撑驱动装置。

伞形蒙皮下部张开或闭合的范围的大小是支架在支撑轴上的位置决定的，实时控制支架驱动装置就可以控制支架的位置，从而控制伞形蒙皮的张开和闭合的程度和速度。

控制器安装在支撑轴上，控制器接收传感系统的感知信号并依据内置的控制算法，控制各叶片驱动装置和叶片转速，从而控制其输出的驱动力，同时，控制器还控制支架驱动装置。控制器还负责各动力源的充电、放电状态的切换，包括各动力源充放电的时间、切换的时刻，同时负责各动力源的电源管理。控制器内置了通讯模块，能够实现导航、轨迹规划等信号的传输，以及遥控指令、运行参数、信息的传输等工作。

传感系统感知整个装置的自身姿态参数、环境参数、运行参数，并实时采集相关数据传输给控制器。姿态参数包括装置本体的俯仰、偏航、横滚的角度，以及在环境空间的位置参数。环境参数包括装置所在环境的温湿度、光照度等气候参数，以及相关的地理环境参数。运行参数包括装置的运动速度、驱动力大小、自身状态等参数，以及运动时间和运动轨迹等参数。传感系统分布在蒙皮内外或支撑轴上，可以为多组，实时感知整个装置的自身姿态参数、环境参数、运行参数，并在实时传输给控制器。

除了叶片驱动装置、传感系统的安装位置外，在蒙皮的表面其他空闲处，还安装了太阳能电池并连接到动力源上。太阳能电池将太阳光的辐射能量转换成电能，并在控制器的控制下充入动力源。太阳能电池可以有多组，每组的面积可以灵活搭配，以适应支撑体的表面状况。特别是柔性太阳能薄膜电池更适合于本发明，或者其他新型太阳能电池，比如：热光伏电池。

通过控制器内置的通讯模块可以实现远程遥控操作，也可以进行远程数据传输。

由于本发明提出了一种可变形结构的空中飞行装置，充分利用空中的风能、太阳能，给空中作业提供了新的高效的途径，技术上没有实现的障碍，具有较广阔的应用前景。

附图说明

附图1为一种伞形空中飞行无人操控装置的结构示意图的局部剖视图。

附图2为一种伞形空中飞行无人操控装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图说明具体实施方案。

附图1为本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置的结构示意图。图1中，多组叶片1、6、8，以及图2中的叶片21、22和相应的叶片驱动装置14等安装在蒙皮7上。图1中叶片6、8和图2中的叶片21、22的叶片驱动装置没有显示出来，每组叶片都对应有各自的叶片驱动装置，叶片驱动装置带动叶片旋转。

蒙皮7的伞形是指其总体外形轮廓是对称的锥形的伞状，像日常使用的雨伞的外形。蒙皮7的中心位置与支撑轴2连接，其余部分的局部与支架3的一端连接。

由于蒙皮7是伞形的，可以选择帆布、塑料薄膜、橡胶薄膜、玻璃钢、碳纤维等材料。当支架3的运动时，蒙皮7就会改变其外形，产生张开和闭合的动作。张开的动作是指外轮廓为锥形的蒙皮在对称轴垂直平面上的投影面积扩大的过程，闭合的动作是指外轮廓为锥形的蒙皮在对称轴垂直平面上的投影面积缩小的过程。当然支架3的结构可以更复杂，实现伞状的蒙皮7的分层、折叠、逐渐、批次的展开和收放等动作，以适应空中不同的气流变化。

蒙皮7的表面分布布置了传感系统4、9等多个传感系统，蒙皮7包裹的内部的支撑轴上安装了动力源12等多个动力源(图中只画出一个动力源12)，并分别与传感系统4、9，叶片1、6、8、21、22等叶片驱动装置，以及控制器11连接。同时，还与分布在蒙皮7的表面上的多个太阳能电5、10连接。太阳能电池5、10可选择柔性太阳能薄膜电池，易变形、质轻，或者其他新型太阳能电池，比如：热光伏电池，它们所发出的电能在控制器11的控制下通过动力源12的充放电控制模块倒充入动力源12中。动力源可以是多个，图中只画出了一个动力源12，且安装在支撑轴2上。

控制器11安装在支撑轴2上，控制器11接收传感系统4、9的感知信号，并依据内置的控制算法控制各叶片驱动装置的输出力，从而控制各叶片的旋转转速。控制器11还负责各动力源12等的充电、放电状态的切换，包括各动力源12等的充放电的时间、切换的时刻，同时负责各动力源12等的电源管理。控制器11内置了通讯模块，能够实现导航、轨迹规划等信号的传输，以及遥控指令、运行参数、信息的传输等工作。

本发明的一种伞形空中飞行无人操控装置的各叶片都是由叶片驱动装置驱动的，一个或多个叶片紧固在电机的输出轴上。叶片驱动装置带动叶片旋转产生升力，升力的大小可以通过叶片旋转速度的调整而调整。

在各叶片驱动装置14等的作用下，其与蒙皮7的连接部位就会产生相应的拉力，综合到整个飞行装置上的总体形状将由各部分变形拉力决定的。也正因为此，蒙皮7在控制器11控制下，不同部位的叶片驱动装置产生不同大小的各部位相应的拉力，总的作用效果就是在控制器11的控制下获得一种适应瞬时风力和姿态要求的外形；

同时，支架驱动装置13也在控制器11的控制下驱动着支架3产生直线和旋转位移，并带动蒙皮7张开或闭合，从而也改变蒙皮7的外形以适应瞬时风力和姿态调整的要求。

多个叶片驱动装置输出驱动力时，其合力的方向将决定整个飞行装置的飞行方向和飞行速度，以及在空间的飞行姿态的变化。在重力、浮力和叶片驱动装置输出的力的共同作用下，并借助风力就可以悬停、移动、飞行，实时控制各组叶片驱动装置输出的驱动力就可以实时控制这种合力的大小，进而就可以借助风力和叶片驱动装置输出的驱动力使得整个装置在空中稳定地飞行。同时，伞形蒙皮的张开和闭合的程度，也就是张开和闭合的范围，决定了能够借助的风力的大小。当伞形蒙皮下部张开较大时，受到风的作用就加大，下部张开较小时或下部张口闭合时，受到风的作用就减小，这种蒙皮的开合程度受控于控制器控制下的支撑驱动装置。

图2的俯视图中可以看出，叶片21、22与叶片6、8是对称分布的，在蒙皮7的伞形的表面空间允许的情况下还可以安装更多组的叶片和叶片驱动装置。

在上述作用的共同实施下，蒙皮7可能得以适应空中气流的变化而产生相应的形状的变化，自适应地调整整体形状而稳定地漂浮在空中，并可借助风力移动。当然，这需要一个好的控制算法和控制器。

当风力足够大的时候，叶片还可以反过来在风的带动下旋转，叶片驱动装置此时成为发电机，所发出的电力在控制器11的控制下通过动力源的充放电控制模块倒充入动力源12等中，此时部分动力源成为了蓄电池储存风能。各叶片驱动装置在发电机和电动机之间的功能的切换是由控制器11决定的，切换的时间由控制器11控制的。

通过控制器11内置的通讯模块可以实现远程遥控操作，也可以进行远程数据传输。

本发明提出了一种可变形结构的、伞形的、分布式动力的无人操控装置，能够控制自身的结构变形来利用风力，能够利用叶片驱动装置的发电功能利用风能，能够利用表面的太阳能电池吸收太阳能，从而能在携带较少能源的情况下获得很长的滞空时间，给空中作业提供了新的高效的途径。

本发明提出了一种可变形结构的伞形的无人操控装置在技术上没有实现的障碍，具有较广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种伞形空中飞行无人操控装置，其特征在于：由蒙皮、支撑轴、支架、支架驱动装置、动力源、叶片、叶片驱动装置、控制器、传感系统组成，蒙皮是伞形的，蒙皮的中心固定在支撑轴顶端上，支架一端与安装在支撑轴上的支架驱动装置连接，支架另一端与蒙皮连接，每组叶片由各自的叶片驱动装置驱动，叶片驱动装置安装在蒙皮上，动力源、控制器固定在支撑轴上，传感系统分布在蒙皮上，动力源提供能源给叶片驱动装置和其它组成部分，控制器接收传感系统感知的信息并依据内置的控制算法来控制叶片驱动装置输出的驱动力，叶片驱动装置驱动叶片旋转产生升力；控制器通过控制支架驱动装置在支撑轴上的伸缩运动来改变伞形蒙皮的张开和闭合的运动范围和运动速度。

2.如权利要求1所述的一种伞形空中飞行无人操控装置，其特征还在于：叶片是多组的，并对称分布在蒙皮表面。

3.如权利要求1所述的一种伞形空中飞行无人操控装置，其特征还在于：叶片驱动装置可以在风力作用下作为发电机工作，动力源可以充放电。

4.如权利要求1所述的一种伞形空中飞行无人操控装置，其特征还在于：蒙皮表面分布有太阳能电池。