CN107953988A - 轻质无人机及集群协作系统和其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻质无人机及集群协作系统和其工作方法，轻质无人机包括：若干机臂杆，每个所述机臂杆的一端与机身连接；其中所述机臂杆为中空结构，所述中空结构内设有充气内衬，在所述充气内衬中充入密度小于空气的气体；本发明通过在机臂杆的中空结构中放入充气内衬，以充填密度小于空气的气体，可以是氦气等质量比空气轻的惰性气体，以降低无人机的自重，进而实现降低能耗。

Description

轻质无人机及集群协作系统和其工作方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种集群协作系统及其工作方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”（“UAV”），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。

由于无人机一般采用电池供电，为了提高续航能力，采用的办法一般是提高电池容量，但是会增加整体重量；或者使机身选用新材料使机身更加轻盈，但是成本很高。

因此，基于上述目的，需要设计一种轻质无人机。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻质无人机，以降低无人机的机体自重，进而起到降低飞行能耗，延长续航能力的作用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人机，包括：

若干机臂杆，每个所述机臂杆的一端与机身连接；其中

所述机臂杆为中空结构，所述中空结构内设有充气内衬，

在所述充气内衬中充入密度小于空气的气体。

进一步，所述无人机为多旋翼无人机；

所述机身为圆柱形结构，且各机臂杆与机身的连接处均设有转动机构；

所述转动机构由一步进电机驱动；

各旋翼内设有适于检测旋翼电机转动的霍尔传感器；

当霍尔传感器检测到一旋翼电机发生故障后，所述无人机内的主控模块适于通过机身内的陀螺仪获得的机身倾斜角度以控制相应步进电机调节机臂杆的分布，以使机身恢复平衡状态。

进一步，所述无人机还包括：与该主控模块分别电性连接的GPS模块、通讯模块和摄像模块。

本发明的有益效果是，本发明通过在机臂杆的中空结构中放入充气内衬，以充填密度小于空气的气体，可以是氦气等质量比空气轻的惰性气体，以降低无人机的自重，进而实现降低能耗。

又一方面，本发明还提供了一种集群协作系统及其工作方法，以提高无人机工作时的作业半径，提高无人机的协作能力。

为了解决上述问题，本集群协作系统包括：

若干所述的无人机；并且各无人机适于分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处。

进一步，所述集群协作系统还包括：与各无人机进行无线通讯的服务器；

各无人机适于将当前所在地理位置信息发送至服务器，以及目标物的方位信息；

所述服务器适于根据目标物的方位信息和各地理位置信息计算一公共路径；

所述公共路径的起点作为其余无人机的汇集点，其终点为目标物的地理位置；

其余无人机适于在汇聚点汇合后，排成队列飞往目标物的地理位置。

进一步，各无人机上设有风力传感器，以获得在飞行过程中的风向数据，并且根据风向数据调整飞行队列。

进一步，所述飞行队列适于采用一字型，且一字型的排列的方位角与风向角度一致。

进一步，所述通讯模块中的天线装置包括天线以及天线外侧的天线罩；其中

所述天线罩包括至少一个超材料片层，且

每一超材料片层均包括：第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个尺寸相同的人造微结构；

所述人造微结构包括口字形结构；

所述口字形结构的中心位置设置有十字形结构，且所述口字形结构的每一边的中部均设置有与十字形结构各端部对应的突起端部结构。

进一步，每一超材料片层还包括第二基板和第三基板；其中

所述第一基板的面向第二基板的表面上附着有阵列排布的所述人造微结构。

进一步，所述第一基板适于划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上仅排布有一个所述人造微结构；以及

每一超材料单元的长和宽均为12～15mm，所述人造微结构与所述超材料单元的边界之间的距离为0.15mm。

进一步，所述十字形结构包括垂直设置的第一金属丝和第二金属丝；其中

所述第一金属丝的两端部分别设置有相同尺寸的第一金属微结构，所述第一金属微结构包括：三条尺寸递减金属线平行线以及将各平行线包围的金属框；

所述第二金属丝的两端部分别设置有相同尺寸的第二金属微结构，所述第二金属微结构包括：三根同尺寸的金属折线排列组成，且所述金属折线的弯折角为90度；

所述口字型结构中与第一金属丝相对一边的中部的突起端部结构适于与第二金属微结构相同构造，所述口字型结构中与第二金属丝相对一边的中部的突起端部结构适于与第一金属微结构相同构造；并且

所述第一金属丝和第二金属丝的长度相同。

又一方面，本发明还提供了一种集群协作系统的工作方法。

所述集群协作系统的工作方法包括：

若干个无人机；

各无人机的电路结构相同，且包括：主控模块，与该主控模块分别电性连接的GPS模块、通讯模块和摄像模块；以及

各无人机适于分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处。

进一步，所述集群协作系统还包括：与各无人机进行无线通讯的服务器；

各无人机适于将当前所在地理位置信息发送至服务器，以及目标物的方位信息；

所述服务器适于根据目标物的方位信息和各地理位置信息计算一公共路径；

所述公共路径的起点作为其余无人机的汇集点，其终点为目标物的地理位置；

其余无人机适于在汇聚点汇合后，排成队列飞往目标物的地理位置。

本发明的有益效果是，本发明集群协作系统及其工作方法可以将各无人机分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处，扩大搜索范围，进而提高协作搜索效率。

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是本发明的无人机的结构示意图；

图2是本发明的无人机中一旋翼电机发生故障后，其余旋翼电机所在机臂杆的移动示意图；

图3是本发明的集群协作系统的原理框图；

图4是本发明的无人机的飞行轨迹示意图；

图5是本发明的天线罩的一个超材料片层的结构示意图；

图6是多个图5所示的超材料片层堆叠形成的宽频带超材料的天线罩的结构示意图；

图7是本发明一实施例的超材料片层的结构示意图；

图8是本发明人造微结构的排布示意图；

图9是本发明人造微结构的示意图。

图中：

机臂杆100、充气内衬101、旋翼电机102、机身200、步进电机201、转动机构210、扇形连接件211、转轴212；

超材料片层1、第一基板10、第二基板20、第三基板30、人造微结构40、口字形结构41、十字形结构42、第一金属微结构421、第二金属微结构422。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种无人机，包括：

若干机臂杆100，每个所述机臂杆100的一端与机身200连接；其中

所述机臂杆100为中空结构，所述中空结构内设有充气内衬101，

在所述充气内衬101中充入密度小于空气的气体。

本发明通过在机臂杆100的中空结构中放入充气内衬101，以充填密度小于空气的气体，可以是氦气等质量比空气轻的惰性气体，以降低无人机的自重，进而实现降低能耗。

请参见图1，所述无人机为多旋翼无人机，可以是三旋翼、四旋翼或者六旋翼；所述机身200为圆柱形结构，为了防止无人机在飞行过程中旋翼电机102出现故障停转后，无人机容易失去平衡坠毁，因此，在本实施例中各机臂杆100与机身200的连接处均设有转动机构210；所述转动机构210由一步进电机201驱动；各旋翼内设有适于检测旋翼电机102转动的霍尔传感器。

本实施例以四旋翼无人机为例，具有旋翼电机A、旋翼电机B、旋翼电机C和旋翼电机D，并且上述旋翼电机均通过机臂杆100、扇形连接件211连接在步进电机201的转轴212上，由步进电机201带动在一定范围内转动，转动角度可以以旋翼电机B为例，设水平角度为0，转动角度可以但不限于±30°，步进电机201带动在一定范围内转动如F所示。

当霍尔传感器检测到一旋翼电机发生故障后，所述无人机内的主控模块适于通过机身200内的陀螺仪获得的机身200倾斜角度以控制相应步进电机201调节机臂杆100的分布，以使机身200恢复平衡状态。

如图2所示，若无人机中一旋翼电机C发生故障，则旋翼电机B和旋翼电机D所对应的机臂杆100分别沿F1和F2方向移动，以使各机臂杆100呈120°夹角，进而使机身200恢复平衡状态，进而防止无人机由于一旋翼电机发生故障造成其余旋翼电机无法保持平衡，目前虽然有相关算法可以通过改变各旋翼电机的转速使其恢复平衡，但是会消耗大量的电能，并且，使旋翼电机的转速调节范围变窄，抵抗气流的能力变差。

所述无人机还包括：与该主控模块分别电性连接的GPS模块、通讯模块和摄像模块。

所述主控模块可以但不限于采用嵌入式处理器。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种集群协作系统，包括：

若干个如实施例1所述的无人机；并且各无人机适于分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处。

所述无人机通过摄像模块拍摄相应图像、视频数据，并通过主控模块对目标进行识别，并且通过GPS模块对当前无人机的地理位置和/或目标位置进行标定，以通知其余无人机前往目标位置，通过分散的方式查找目标，能够提高搜索效率。

如图3和图4所示，所述集群协作系统还包括：与各无人机进行无线通讯的服务器；各无人机适于将当前所在地理位置信息发送至服务器，以及目标物的方位信息；所述服务器适于根据目标物的方位信息和各地理位置信息计算一公共路径；所述公共路径的起点作为其余无人机的汇集点，其终点为目标物的地理位置（即目的地）；其余无人机适于在汇聚点汇合后，排成队列飞往目标物的地理位置。

在图4中，设定公共路径的起点X，公共路径的终点Y，且与目标物的位置重合； a1至a4分别是其余无人机的所在位置，其中，a1处的无人机距离目标物较近，可以通过计算路径距离与能耗的对应关系，可以无需到汇聚点X，其余无人机先在X点汇聚后，然后沿虚线成队列飞往Y点。

关于汇聚点X点的计算方法包括：先计算当前无人机飞往目的地所需路径和能耗，设定一路径距离阈值，若当前无人机飞往目的地所需路径小于该路径距离阈值时，直接飞往目的地，如位置a1处的无人机；若当前各无人机飞往目的地所需路径均大于路径距离阈值，如位置a2、a3和a4的无人机，则上述位置决定X点的具体位置。

可以建立一坐标系，并以位置Y为圆心，设定一半径进行画圆，在该半径上设定一初始点，计算各无人机道该初始点的位置，并计算通过队列飞行从初始点到目的地的所节省的功率，然后再重复上述过程，在设置另一初始点，且计算通过队列飞行从这一初始点到目的地的所节省的功率，重复上述过程直至找到节省的功率的最大值所对应的X点位置。

各无人机上设有风力传感器，以获得在飞行过程中的风向数据，并且根据风向数据调整飞行队列。

所述飞行队列适于采用一字型，且一字型的排列的方位角与风向角度一致，以降低飞行过程中的阻力。

因此，本集群协作系统能够降低无人机在飞行过程中的能耗，提高无人机的续航能力

一般情况下，无人机内的天线系统都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩是天线前面的障碍物，对天线辐射波会产生吸收和反射，改变天线的自由空间能量分布，并在一定程度上影响天线的电气性能。

目前制备天线罩的材料多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等，材料的介电常数具有不可调节性。结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等，罩壁厚度的设计需兼顾工作波长、天线罩尺寸和形状、环境条件、所用材料在电气和结构上的性能等因素，较难达到高透波要求，即使在保证高透射率的条件下也不具备选择性透波功能。而且，天线罩的工作频段较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩，无法实现资源的重复使用，导致资源的浪费以及设备成本的提高。

因此，在本实施例中，所述通讯模块中的天线装置包括天线以及天线外侧的天线罩，包括天线以及天线外侧的天线罩，所述天线罩包括至少一个超材料片层1，如图5和图6所示。每个超材料片层1包括至少两个相对设置的基板和附着在两基板之间的阵列排布的人造微结构。当超材料片层1有多个时，各个超材料片层1沿垂直于片层的方向叠加，并通过机械连接、焊接或粘合的方式组装成一体，如图6所示。通常，在能够满足性能的情况下，一个超材料片层就可以作为超材料的天线罩来使用。阵列排布的人造微结构所在平面与电磁波的电场和磁场方向平行，与入射电磁波传播方向垂直，需要注意的是，如果是单个超材料片层，往往出于对天线罩外周的保护需要额外设置一基板，参见附图7中的多基板层叠结构。超材料片层1中的第一基板10可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个人造微结构。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，可以改变空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的折射率、阻抗以及透波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。基于人造微结构的超材料的天线罩可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射。并可通过调节微结构尺寸进行频率选择，根据需要调整相应透波和滤波频率。

图7示出了超材料片层的结构示意图(透视图)。超材料片层1包括三块相同的均匀等厚的片状基板：相对设置的第一基板10和第二基板20，第三基板30，所述第一基板10的面向第二基板20的表面上附着有阵列排布的人造微结构40。超材料片层1可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。在本发明一实施例中，以三个基板为例进行说明，但是在实际设计时，也可以仅采用第一基板或者仅仅采用第一基板和第二基板，而人造微结构阵列排布在第一基板10上或第一第二基板之间，同样能够达到本发明的目的。

如图8和图7所示，每一超材料单元的长和宽均为12～15mm，人造微结构40与超材料单元的边界之间的距离为0.15mm。每一人造微结构40包括口字形结构41，口字形结构41的中心位置设置有十字形结构42，十字结构是由两条垂直平分的等尺寸金属丝组成，十字形结构包括两条垂直的第一金属丝和第二金属丝，第一金属丝的两端部设置有相同尺寸的第一金属微结构421，所述第一金属微结构421由三条尺寸递减金属线平行线，且由一金属框包围；第二金属丝的两端部设置有相同尺寸的第二金属微结构422，所述第二金属微结构422由三根尺寸相同的弯折金属线排列而成，弯折线的弯折角度为90度，通过弯折线之间的等距排列以及设特定的角度，可以极好的控制天线罩的高频透波特性，实现低损耗；所述口字型结构中与第一金属丝相对一边的中部设有类似于第二金属微结构的构造，所述口字型结构中与第二金属丝相对一边的中部设有类似于第一金属微结构的构造；该类似的结构差异仅仅在于尺寸的差异，形状和走线类似。

第一金属微结构的金属框为一带开口的正方形，第一金属丝从该开口进入第一金属微结构的正方形框内，第一金属丝末端设置尺寸为2/3正方形边框长度的第一横向金属丝，且第二横向金属丝、第三横向金属丝尺寸逐渐递减。

在本发明一实施例中，超材料单元的长和宽均为12.4mm。口字形结构41的边长均为a=12mm。十字形结构42的两条金属丝的长度均为d=5.5mm。第一金属微结构的正方形框内三条递减的横向金属丝尺寸分别为：2.6mm/2.4mm/2.2mm，第二金属微结构的折线长度为4mm，折角为90度，相邻折线的间距为0.02mm。人造微结构40中的金属丝的线宽均为0.1mm。人造微结构40与超材料单元边界之间的距离为0.2mm。基板的厚度均为2mm，人造微结构的厚度为0.016mm。

在本发明一实施例中，基板由F4B或FR4复合材料制得。基板之间通过填充液态基板原料或者通过机械组装相互连接在一起。人造微结构40通过蚀刻的方式附着在第一基板10上，当然人造微结构40也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等常见方式附着在第一基板10或第二基板20上。基板材料也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。人造微结构40采用铜线制成，当然也可以采用银线、ITO、石墨或者碳纳米管等导电材料制成。附图中示意的天线罩的形状为平板状，在实际设计时也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状(拱形的天线罩)等，本发明对此不作限制。

本发明通过在基板上附着特定形状的人造微结构，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，减少了传统无人机的天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。而且本发明的天线罩的工作频带在15.5-18.5GHz之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。在此频带以外具有带阻特性，可实现选择性滤波。

因此，本通讯模块能够稳定收发无人机在飞行过程中的无线通讯。

实施例3

实施例1基础上，本实施例3还提供了一种集群协作系统的工作方法。

所述集群协作系统的工作方法包括：若干个无人机；各无人机的电路结构相同，且包括：主控模块，与该主控模块分别电性连接的GPS模块、通讯模块和摄像模块；以及各无人机适于分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处。

所述集群协作系统还包括：与各无人机进行无线通讯的服务器；各无人机适于将当前所在地理位置信息发送至服务器，以及目标物的方位信息；所述服务器适于根据目标物的方位信息和各地理位置信息计算一公共路径；所述公共路径的起点作为其余无人机的汇集点，其终点为目标物的地理位置；其余无人机适于在汇聚点汇合后，排成队列飞往目标物的地理位置。

其中，本实施例2中关于其余无人机适于在汇聚点汇合后，排成队列飞往目标物的地理位置的具体实现方式见实施例1中的相关论述。

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 (10)

1.一种无人机，其特征在于，包括：

若干机臂杆，且每个所述机臂杆的一端与机身连接；其中

所述机臂杆为中空结构，所述中空结构内设有充气内衬，

在所述充气内衬中充入密度小于空气的气体。

2.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，

所述无人机为多旋翼无人机；

所述机身为圆柱形结构，且各机臂杆与机身的连接处均设有转动机构；

所述转动机构由一步进电机驱动；

各旋翼内设有适于检测旋翼电机转动的霍尔传感器；

当霍尔传感器检测到一旋翼电机发生故障后，所述无人机内的主控模块适于通过机身内的陀螺仪获得的机身倾斜角度以控制相应步进电机调节机臂杆的分布，以使机身恢复平衡状态。

3.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，

所述无人机还包括：与该主控模块分别电性连接的GPS模块、通讯模块和摄像模块。

4.一种集群协作系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-3任一项若干所述的无人机；并且

各无人机适于分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处。

5.根据权利要求4所述的集群协作系统，其特征在于，

所述集群协作系统还包括：与各无人机进行无线通讯的服务器；

各无人机适于将当前所在地理位置信息发送至服务器，以及目标物的方位信息；

所述服务器适于根据目标物的方位信息和各地理位置信息计算一公共路径；

所述公共路径的起点作为其余无人机的汇集点，其终点为目标物的地理位置；

其余无人机适于在汇聚点汇合后，排成队列飞往目标物的地理位置。

6.根据权利要求5所述的集群协作系统，其特征在于，

各无人机上设有风力传感器，以获得在飞行过程中的风向数据，并且根据风向数据调整飞行队列；

所述飞行队列适于采用一字型，且一字型的排列的方位角与风向角度一致。

7.根据权利要求6项所述的集群协作系统，其特征在于，

所述通讯模块中的天线装置包括天线以及天线外侧的天线罩；其中

所述天线罩包括至少一个超材料片层，且

每一超材料片层均包括：第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个尺寸相同的人造微结构；

所述人造微结构包括口字形结构；

所述口字形结构的中心位置设置有十字形结构，且所述口字形结构的每一边的中部均设置有与十字形结构各端部对应的突起端部结构。

8.根据权利要求7所述的集群协作系统，其特征在于，

每一超材料片层还包括第二基板和第三基板；其中

所述第一基板的面向第二基板的表面上附着有阵列排布的所述人造微结构；以及

所述第一基板适于划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上仅排布有一个所述人造微结构；以及

每一超材料单元的长和宽均为12～15mm，所述人造微结构与所述超材料单元的边界之间的距离为0.15mm。

9.根据权利要求8所述的集群协作系统，其特征在于，

所述十字形结构包括垂直设置的第一金属丝和第二金属丝；其中

所述第一金属丝的两端部分别设置有相同尺寸的第一金属微结构，所述第一金属微结构包括：三条尺寸递减金属线平行线以及将各平行线包围的金属框；

所述第二金属丝的两端部分别设置有相同尺寸的第二金属微结构，所述第二金属微结构包括：三根同尺寸的金属折线排列组成，且所述金属折线的弯折角为90度；

所述口字型结构中与第一金属丝相对一边的中部的突起端部结构适于与第二金属微结构相同构造，所述口字型结构中与第二金属丝相对一边的中部的突起端部结构适于与第一金属微结构相同构造；并且

所述第一金属丝和第二金属丝的长度相同。

10.一种集群协作系统的工作方法，其特征在于，包括：

若干个如权利要求1-3任一项所述的无人机；

各无人机适于分散飞行以寻找目标物，当其中一无人机发现目标物后，通过通讯模块发送向其余无人机该目标物的方位信息，以使其余无人机均飞行至该目标物处。