CN108557072A - 一种涵道无人机空中表演系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涵道无人机空中表演系统，该系统中的显著特点是单台涵道无人机采用双涵道设计，并设置多个电吸铁，使得多架涵道无人机可分体飞行和组合飞行，并具备多种组合模式。

Description

一种涵道无人机空中表演系统

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种涵道无人机。

背景技术

多轴旋翼无人机由于其鲜明的技术特点在军事和民用领域获得了越来越广泛的应用和关注，它代表着未来无人航空器一个重要的发展方向。

涵道无人机在多轴旋翼无人机的基础上增加了涵道，解决了因操作不当损坏无人机螺旋桨，提高了无人机和操作员的安全性。

2017年春节联欢晚会上50架无人机共同完成的舞蹈表演让人瞠目结舌，无人机编队飞行在娱乐领域上又迈出了新的步伐。

发明内容

本发明提供一种涵道无人机空中表演系统，该系统中的显著特点是单台涵道无人机设置多个电吸铁，使得多架涵道无人机可分体飞行和组合飞行，并具备多种组合模式，涵道无人机设置内外双涵道，内涵道与旋翼链接，与旋翼叶片一同旋转，内涵道设置灯珠，旋转的时候产生光带效果。外涵道下支架安装射灯，使得该涵道无人机空中表演系统不仅可以完成各类飞行表演任务，而且在夜晚可以进行夜空中的灯光表演展示，极大的提高了无人机空中表演的形式和效果。

本发明包括用于该涵道无人机空中表演系统的无人机单体，由多架无人机单体和系统地面基站控制台共同组成的涵道无人机空中表演系统，以及地面基站控制台对多架无人机空中表演的控制方法。

无人机单体结构由内外双涵道设计，外涵道采用透明材质，与机体安装部件通过上下两个涵道支架固定，涵道下支架上安装多个下支架射灯；内涵道与旋翼叶片顶点固定连接，旋翼叶片旋转的时候带动内涵到一同旋转，内涵道外侧面布有灯珠，飞行器飞行时，外涵道不旋转，内涵道与旋翼一同旋转，旋转时由于视觉暂留作用产生灯带的效果；外涵道外侧接有多个侧面电吸铁，电吸铁在多个无人机在空中组合飞行时起到连接单体无人机的作用，实现多个无人机平行组合飞行。

进一步的，无人机的机体安装部件由上至下包括上支架连接柱、旋翼轴承、旋翼叶片安装处、安装舱、下支架连接柱，安装舱内包括旋翼电机、旋翼轴、方向舵驱动电机、舵面转轴和电源。上支架连接柱与涵道上支架固连，旋翼轴承用于连接上支架连接柱和旋翼轴，使得旋翼叶片旋转时上支架连接柱可以保持相对外涵道静止；安装舱在旋翼叶片下方，其内部安装用于驱动旋翼旋转的旋翼电机和连接旋翼叶片的旋翼轴、控制无人机飞行的舵面联动机构和电源；安装舱下方连接下支架连接柱，下支架连接柱与涵道下支架固连；上支架连接柱上方连接上部电吸铁，下支架连接柱下方连接下部电吸铁，电吸铁在多个无人机空中组合飞行时起到连接单体无人机的作用，实现多个无人机竖直组合飞行或水平组合飞行。

进一步的，舵面联动机构包括两套舵面驱动机构，一套舵面驱动机构包括方向舵驱动电机、齿轮一、齿轮二、舵面转轴、舵面一、舵面二、舵面转轴连接轴承，其中方向舵驱动电机固定在安装舱侧壁上，输出轴连接齿轮一，齿轮一连接齿轮二，齿轮二纵轴中心处安装舵面转轴，齿轮二转动时同时带动左右两边的转轴转动，并且转动的速度和角度相同，转轴左右两侧表面分别连接舵面一和舵面二，舵面转轴顶端与外涵道通过舵面转轴链接轴承连接，舵面一、舵面二在方向舵驱动电机的驱动下转动方向相同、角度相同，整体实现单个电机对两个舵面的联动控制；两套舵面驱动机构交叉安装在安装舱内，使得两个舵面转轴正交。

地面基站控制台是该无人机空中表演系统的控制中枢，其与每一台单体无人机构建双向联系，为拓扑结构的节点，其分别与每一台无人机单体通讯并控制每一台单体无人机的飞行姿态和轨迹。

进一步的，地面基站控制台为该无人机空中表演系统的控制中枢，其主要工作为构建表演场所的三维空间坐标系，分别对每一个无人机单体下达作动指令，实时接收所有无人机的位置信息，按照既定程序对空中飞行的无人机单体进行分离和组合动作的指令下达；无人机单体内安装通讯装置和坐标传感器，通讯装置用于接收地面基站控制台下达的指令并将其传至无人机执行器，以及向地面基站控制台发送无人机坐标传感器采集的数据；无人机执行器接收指令后作出相应的动作；坐标传感器可以实时采集无人机单体的空间三位坐标值并通过无人机通讯装置将数据上传至地面基站控制台。

进一步的，地面基站控制台对无人机空中表演系统的控制方法有5种既定程序，分别为：1、组合起飞模态；2、空中组合模态；3、空中分离模态；4、部分组合分离模态；5、组合着陆模态。

进一步的，地面基站控制台可以通过编程可以拓展表演的既定程序。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1 平行组合飞行示意图。

图2 无人机单体示意图。

图3 无人机涵架示意图。

图4 机体安装部件示意图。

图5 舵面联动机构示意图。

图6 竖直组合飞行示意图。

图7内涵到灯珠安装示意图。

图8涵道下支架射灯安装示意图。

图9安装舱内部结构示意图。

图10地面基站控制示意图。

图11地面基站控制台与无人机单体关系示意图。

图12地面基站控制台控制无人机单体方法示意图。

具体实施方式

本发明提供一种涵道无人机空中表演系统，包括用于该涵道无人机空中表演系统的无人机单体1，由多架无人机单体1和系统地面基站控制台9共同组成的涵道无人机空中表演系统，以及地面基站控制台9对多架无人机空中表演的控制方法。

无人机单体1结构由内外双涵道设计，外涵道2采用透明材质，与机体安装部件4通过上涵道支架21和下涵道支架22固定，涵道下支架22上安装多个下支架射灯221；内涵道3与旋翼叶片73顶点固定连接，旋翼叶片73旋转的时候带动内涵道3一同旋转，内涵道3外侧面布有灯珠31，飞行器飞行时，外涵道2不旋转，内涵道3与旋翼叶片73一同旋转，旋转时由于视觉暂留作用产生灯带的效果；外涵道2外侧接有多个侧面电吸铁53，侧面电吸铁53在多个无人机在空中组合飞行时起到连接单体无人机1的作用，实现多个无人机平行组合飞行。

进一步的，无人机的机体安装部件4由上至下包括上支架连接柱41、旋翼轴承42、旋翼叶片安装处43、安装舱44、下支架连接柱45，安装舱44内包括旋翼电机71、旋翼轴72、舵面联动机构6和电源8。上支架连接柱41与涵道上支架21固连，旋翼轴承42用于连接上支架连接柱41和旋翼轴72，使得旋翼叶片73旋转时上支架连接柱41可以保持相对外涵道2静止；安装舱44在旋翼叶片下方，其内部安装用于驱动旋翼旋转的旋翼电机71、连接旋翼叶片73的旋翼轴72、控制无人机飞行姿态的舵面联动机构6和驱动电源8；安装舱44下方连接下支架连接柱45，下支架连接柱45与涵道下支架22固连；上支架连接柱41上方连接上部电吸铁51，下支架连接柱45下方连接下部电吸铁52，上部电吸铁51和下部电吸铁52在多个无人机空中组合飞行时起到连接单体无人机1的作用，实现多个无人机竖直组合飞行。

进一步的，舵面联动机构6包括两套舵面驱动机构，一套舵面驱动机构包括方向舵驱动电机61、齿轮一62、齿轮二63、舵面转轴64、舵面一65、舵面二66、舵面转轴连接轴承67，其中方向舵驱动电机61固定在安装舱44侧壁上，输出轴连接齿轮一62，齿轮一62与齿轮二63啮合，齿轮二63纵轴中心处安装舵面转轴64，齿轮二63转动时同时带动左右两边的舵面转轴64转动，并且转动的速度和角度相同，转轴左右两侧表面分别连接舵面一65和舵面二66，舵面转轴64顶端与外涵道2通过舵面转连接接轴承67连接，舵面一65、舵面二66在方向舵驱动电机61的驱动下转动方向相同、角度相同，整体实现单个电机对两个舵面的联动控制；两套舵面驱动机构交叉安装在安装舱44内，使得两个舵面转轴正交。

地面基站控制台9是该无人机空中表演系统的控制中枢，其与每一台单体无人机构建双向联系，为拓扑结构的节点，其分别与每一台无人机单体通讯并控制每一台单体无人机的飞行姿态和轨迹。

进一步的，地面基站控制台9为该无人机空中表演系统的控制中枢，其主要工作为构建表演场所的三维空间坐标系，分别对每一个无人机单体下达作动指令，实时接收所有无人机的位置信息，按照既定程序对空中飞行的无人机单体进行分离和组合动作的指令下达；无人机单体内安装通讯装置和坐标传感器，通讯装置用于接收地面基站控制台下达的指令并将其传至无人机执行器，以及向地面基站控制台发送无人机坐标传感器采集的数据；无人机执行器接收指令后作出相应的动作；坐标传感器可以实时采集无人机单体的空间三位坐标值并通过无人机通讯装置将数据上传至地面基站控制台。

进一步的，地面基站控制台对无人机空中表演系统的控制方法有5种既定程序，分别为：1、组合起飞模态；2、空中组合模态；3、空中分离模态；4、部分组合分离模态；5、组合着陆模态。

为便于说明，假定单体无人机架数为n，顺次编号为1号无人机—n号无人机，组合起飞模态下，1号无人机上部电吸铁与2号无人机下部电吸铁通电后互相吸引，2号无人机上部电吸铁与3号无人机下部电吸铁通电后互相吸引，以此类推，n-1号无人机上部电吸铁与n号无人机下部电吸铁通电后互相吸引，此时所有单体无人机竖直组合，所有无人机的旋翼电机同时开机，如图6所示，无人机系统从地面竖直组合起飞；起飞后，从上往下各个无人机单体的上部电吸铁和下部电吸铁依次断电，失去吸力后单体无人机飞离组合，与地面基站形成如前所述的通讯及执行关系，完成既定指令。

类似的，可让n号无人机单体侧面电吸铁与其他无人机单体侧面电吸铁通电吸引，此时所有单体无人机平行组合，地面基站控制所有无人机的旋翼电机同时开机，无人机系统从地面平行组合起飞；起飞后，从上往下各个无人机单体的侧面电吸铁依次断电，失去吸力后单体无人机飞离组合，与地面基站形成如前所述的通讯及执行关系，完成既定指令。

空中组合模态分为空中竖直组合飞行模态和空中平行组合飞行模态，其过程指的是飞行过程中，无人机单体飞行转变成组合飞行的过程；实现竖直组合，可以由地面基站控制单体无人机上部电吸铁和下部电吸铁通电，使得无人机位移到相应三维坐标；实现平行组合，可以由地面基站控制单体无人机侧面电吸铁通电，以及控制相应无人机位移到相应的三维坐标。

空中分离模态分为空中竖直组合模态分离和空中平行模态分离，其过程指的是飞行过程中，无人机有组合状态分离成单个无人机飞行模态；其过程均是由地面基站发出电吸铁断电指令，电吸铁断电，吸力消失，组合飞行模态转变成单体无人机自由飞行状态。

部分组合分离模态值得是并非所有组合和分离都要求所有无人机单体一同参与，根据表演任务的需要，部分表演环节只需要部分无人机进行组合和分离，此时，只需由地面基站向需要组合或者分离的无人机发出相应的指令，相应无人机完成相应的动作，即可实现。

无人机单体飞行过程中，地面基站可以发出灯光控制指令，控制下支架射灯221和灯珠31的开闭，使无人机进行灯光表演。

组合着陆模态是组合起飞模态的反过程，结束表演时，空中无人机上下部电吸铁互相通电吸引，转变成空中竖直组合飞行模态，旋翼电机转速降低，升力减小，无人机逐步下降最后着陆。

上述的起飞和着陆模态时也可以使侧面电吸铁通电，使无人机组合系统以平行组合模态起飞和着陆。

进一步的，地面基站控制台可以通过编程可以拓展表演的既定程序。

Claims (6)

1.一种涵道无人机空中表演系统，其特征在于，包括多架无人机单体（1）和地面基站控制台（9）；无人机单体（1）包括外涵道（2）、机体安装部件（4）和电吸铁（5）；外涵道（2）采用透明材质，与机体安装部件（4）通过涵道上支架（21）和涵道下支架（22）固连，外涵道（2）外侧固连多个侧面电吸铁（53）；无人机的机体安装部件（4）由上至下包括上支架连接柱（41）、旋翼轴承（42）、旋翼叶片安装处（43）、安装舱（44）、下支架连接柱（45），安装舱（44）内包括旋翼电机（71）、旋翼轴（72）、舵面联动机构（6）和电源（8）；上支架连接柱（41）上表面连接上部电吸铁（51），侧面与涵道上支架（21）固连，下表面通过旋翼轴承（42）和旋翼轴（72）连接；安装舱（44）在旋翼叶片安装处（43）下方；安装舱（44）下方连接下支架连接柱（45），下支架连接柱（45）侧面与涵道下支架（22）固连，下支架连接柱（45）下表面连接下部电吸铁（52）。

2.如权利要求1所述的无人机，其特征在于舵面联动机构（6）包括两套舵面驱动机构，一套舵面驱动机构包括方向舵驱动电机（61）、齿轮1（62）、齿轮2（63）、舵面转轴（64）、舵面1（65）、舵面2（66）和舵面转轴连接轴承（67）；其中方向舵驱动电机（61）固定在安装舱（44）侧壁上，输出轴连接齿轮1（62），齿轮1（62）与齿轮2（63）啮合，齿轮2（63）纵轴中心处安装舵面转轴（64），舵面转轴（64）左右两侧表面分别连接舵面1（65）和舵面2（66），舵面转轴（64）顶端与外涵道（2）通过舵面转连接接轴承（67）连接；两套舵面驱动机构交叉安装在安装舱（44）内，使得两个舵面转轴正交。

3.如权利要求1所述的无人机，其特征在于无人机单体为双涵道设计，内涵道（3）与旋翼叶片（73）顶点固定连接，内涵道（3）外侧面布有多个灯珠（31）。

4.如权利要求1所述的无人机，其特征在于涵道下支架（22）下表面安装多个下支架射灯（221）。

5.如权利要求1所述的无人机，其特征在于无人机外涵道（2）采用聚甲基丙烯酸甲酯材料。

6.如权利要求1所述的无人机，其特征在于无人机安装舱内安装通讯机构，与地面基站进行无线通信，无线通讯基于IEEE 802.11标准。