CN108945403A - 一种节能型的多旋翼无人机起降装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种节能型的多旋翼无人机起降装置及方法，该起降装置包括支撑脚、中间套管以及蓄能弹簧；所述中间套管的上端固定在机身上，所述支撑脚的上端延伸至中间套管的内腔中；所述蓄能弹簧设置于中间套管的内腔中，下端抵在支撑脚延伸至中间套管中的一端上；所述支撑脚架与中间套管之间设有用于锁定蓄能弹簧所储存的能量的锁定机构；该起降方法为，降落时，无人机从高度H开始自由落体，接触到地面时，支撑脚和中间套管对蓄能弹簧进行压缩，将重力势能转化为弹性势能，并锁定所存储的能量；起飞时，蓄能弹簧开始释放能量，驱动无人机从地面升起。本起降装置及方法能够有效地减少在起飞和降落过程中所消耗的能量，提高无人机的续航能力。

Description

一种节能型的多旋翼无人机起降装置及方法

技术领域

本发明涉及无人机应用技术，具体涉及一种节能型的多旋翼无人机起降装置及方法。

背景技术

随着技术的发展，无人机作为一种新兴的科技产品，越来越多地应用到民用和军用领域中。续航能力为无人机的主要性能之一，直接决定无人机的作业行程和作业时间的长短，为此，业界内一直在续航能力上对无人机进行升级和改进，提高无人机的能源利用效率，减小无人机在作业过程中的能源消耗，追求更高的续航能力。

无人机主要包括固定翼无人机和旋翼无人机，其中，旋翼无人机能够进行垂直起降，且具有稳定性高和应用领域广等优点，受到了广泛的研究和应用。但是，由于旋翼无人机的垂直起降的特性以及对空气动力利用不足的因素，尤其在起飞和降落过程中消耗的能量最大，导致旋翼无人机的续航时间普遍较短。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种节能型的多旋翼无人机起降装置，该起降装置能够有效地减少在起飞和降落过程中所消耗的能量，提高无人机的续航时间。

本发明的另一个目的在于提供一种节能型的多旋翼无人机起降方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种节能型的多旋翼无人机起降装置，包括支撑脚、中间套管以及蓄能弹簧；其中，所述中间套管的上端固定在机身上，所述支撑脚的上端延伸至中间套管的内腔中；所述蓄能弹簧设置于中间套管的内腔中，下端抵在支撑脚延伸至中间套管中的一端上；

所述支撑脚架与中间套管之间设有用于锁定蓄能弹簧所储存的能量的锁定机构；降落后，中间套管和支撑脚对蓄能弹簧进行压缩，锁定机构固定压缩后的蓄能弹簧，锁定蓄能弹簧所储存的能量；起飞时，锁定机构取消对蓄能弹簧的固定，释放储存的能量。

上述起降装置的工作原理是：

一般地，在无人机的降落过程中，当无人机下降到一定高度后，无人机将会关闭全部动力系统，开始自由落体下落；当支撑脚接触到地面时，由于受到重力和惯性的作用，机身和中间套管会继续下降，相对地，支撑脚沿着中间套管的内腔往上移动，同时往上压缩蓄能弹簧，继而存储能量，直到支撑脚停止压缩蓄能弹簧，然后锁定机构锁定支撑脚和中间套管，防止支撑脚沿着中间套管的内腔往下移动，从而保持蓄能弹簧为压缩的状态中，将存储的能量锁定，以便起飞时使用。

在起飞的过程中，飞行指令发出后，由于支撑脚支撑在地面上，当锁定机构解锁后，蓄能弹簧开始释放能量，从而瞬间驱动中间套管和机身相对于支撑脚往上移动，使得无人机从地面弹起，直至到达一定高度后，再启动动力系统，开始巡航。明显地，在上述起飞的过程中，无人机离开地面时升起一定高度所消耗的能量为上次无人机在降落时自身的重力势能转换为蓄能弹簧中的弹性势能，因而不消耗无人机的能量，从而可以延长无人机的巡航时间和距离。

本发明的一个优选方案，其中，所述锁定机构包括设置在中间套管上的卡块以及设置在支撑脚上的卡扣；

所述卡块位于中间套管的外侧面上，靠近支撑脚的一端设有倾斜的引导面；所述中间套管设有沿着其轴向方向延伸的滑动槽，所述卡扣的一端穿过滑动槽延伸至中间套管外，并弯向卡块；

当支撑脚在中间套管中压缩蓄能弹簧时，所述卡扣沿着滑动槽往上滑动，然后跨越引导面，移动至卡块的上方，直到支撑脚停止压缩蓄能弹簧，卡扣卡在卡块的上端面，将支撑脚固定在中间套管中，防止两者发生相对移动，从而锁定蓄能弹簧的弹性势能。

优选地，所述卡扣由弹性材料制成，这样，卡扣在沿着引导面移动时，发生一定的弹性形变，继而能够跨越该引导面。

优选地，所述卡扣的一端铰接在支撑脚上，另一端穿过滑动槽延伸至中间套管的外侧；所述卡扣与支撑脚之间设有促使卡扣弯向卡块的扭簧。

本发明的一个优选方案，其中，所述锁定机构还包括用于释放蓄能弹簧所存储的能量的释放电机，该释放电机设置在卡块的一侧；起飞时，释放电机驱动卡扣脱离卡块的上端面。降落后，卡扣卡在卡块的上端面上，以防止蓄能弹簧复位，从而将能量锁定；起飞时，释放电机往外驱动卡扣，使得卡扣移动至卡块的上端面之外，由于缺少阻挡，蓄能弹簧从而可以释放能量进行复位。

本发明的一个优选方案，其中，所述锁定机构包括设置在支撑脚上的弹性卡扣以及设置在中间套管上的卡槽；当支撑脚沿着中间套管的内腔往上压缩蓄能弹簧时，弹性卡扣也沿着中间套管的内腔壁往上移动，直至移动到卡槽中，当支撑脚停止压缩蓄能弹簧，卡扣卡在卡槽中。

一种应用于上述节能型的多旋翼无人机起降装置的方法，包括以下步骤：

降落时，当无人机降落至一定高度H后，无人机关闭全部动力系统，开始自由落体下落；当接触到地面时，支撑脚支撑在地面上，机身和中间套管继续往下移动，对蓄能弹簧进行压缩，将重力势能转化为弹性势能；当机身和中间套管停止往下移动时，锁定机构锁定蓄能弹簧所存储的能量；

起飞时，当锁定机构解锁后，蓄能弹簧开始释放能量并复原，驱动中间套管和机身相对于支撑脚往上移动，使得无人机从地面升起；当升起一定高度h后，再启动动力系统，开始巡航。

本发明的一个优选方案，其中，高度H根据以下的公式求得：

其中，M为无人机总质量，E为蓄能弹簧的最大势能，g为重力加速度。

本发明的一个优选方案，其中，在自由落体的过程中，无人机的飞控系统监控无人机下落过程中的姿态数据：当无人机姿态偏离水平时，重新启动动力系统，进行姿态矫正；当姿态矫正完毕后，再次关闭动力系统，继续自由落体降落。

优选地，在姿态矫正的过程中，动力系统不提供维持无人机悬停或上升所需要的动力，这样可确保高度H的重力势能全部转化为弹性势能，从而为下次起飞提供足够的能量。

本发明的一个优选方案，其中，高度h根据以下的公式求得：

其中，M为无人机总质量，g为重力加速度，H为上一次自由落体的高度，e为上一次自由落体和本次起飞时的额外损耗的能量之和。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的起降装置中，无人机在一定高度上关闭动力系统，然后进行自由落体，这样可直接减少无人机在降落时所消耗的能量。

2、本发明的起降装置及方法中，将无人机在降落时的重力势能转为弹性势能，并存储起来，为下次起飞提供一定的动力，从而减少无人机在起飞时所消耗的能量，延长无人机的巡航时间和距离。

3、无人机在降落时，本发明的起降装置可为机身提供缓冲，避免与地面的硬接触，从而保护机身内的结构。

4、本发明的起降装置为节能型的助力装置，通过能量回收的形式来节约能源，能够为未来无人机续航能力的提升和发展进步提供依据和方法。

附图说明

图1为本发明的节能型的多旋翼无人机起降装置应用于无人机上的立体结构示意图。

图2-3为本发明的起降装置的立体结构示意图，其中，图2为蓄能弹簧在自然状态下的示意图，图3为锁定所存储的能量的示意图。

图4为本发明的节能型的多旋翼无人机起降方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

参见图1-3，本实施例中的节能型的多旋翼无人机起降装置，支撑在机身之下，包括支撑脚1、中间套管2以及蓄能弹簧3；其中，所述中间套管2的上端固定通过连接杆7连接在机身上，所述支撑脚1的上端延伸至中间套管2的内腔中；所述蓄能弹簧3设置于中间套管2的内腔中，上端抵在连接杆7上，下端抵在支撑脚1延伸至中间套管2中的一端上；所述支撑脚1架与中间套管2之间设有用于锁定蓄能弹簧3所储存的能量的锁定机构；降落时，中间套管2和支撑脚1对蓄能弹簧3进行压缩，锁定机构固定压缩后的蓄能弹簧3，锁定蓄能弹簧3所储存的能量；起飞时，锁定机构取消对蓄能弹簧3的固定，释放储存的能量。

所述的中间套管2使用金属材料作为成型方式，使用插接的方式与连接杆7连接。

参见图1-3，所述锁定机构包括设置在中间套管2上的卡块4以及设置在支撑脚1上的卡扣5；所述卡块4位于中间套管2的外侧面上，靠近支撑脚1的一端设有倾斜的引导面；所述中间套管2设有沿着其轴向方向延伸的滑动槽2-1，所述卡扣5的一端穿过滑动槽2-1延伸至中间套管2外，并弯向卡块4；当支撑脚1在中间套管2中压缩蓄能弹簧3时，所述卡扣5沿着滑动槽2-1往上滑动，然后跨越引导面，移动至卡块4的上方，直到支撑脚1停止压缩蓄能弹簧3，卡扣5卡在卡块4的上端面，将支撑脚1固定在中间套管2中，防止两者发生相对移动，从而锁定蓄能弹簧3的弹性势能。

参见图2-3，所述卡扣5的一端铰接在支撑脚1上，另一端穿过滑动槽2-1延伸至中间套管2的外侧；所述卡扣5与支撑脚1之间设有促使卡扣5弯向卡块4的扭簧。

参见图2-3，所述锁定机构还包括用于释放蓄能弹簧3所存储的能量的释放电机6，该释放电机6设置在卡块4的一侧；起飞时，释放电机6驱动卡扣5脱离卡块4的上端面。降落后，卡扣5卡在卡块4的上端面上，以防止蓄能弹簧3复位，从而将能量锁定；起飞时，释放电机6往外驱动卡扣5，使得卡扣5移动至卡块4的上端面之外，由于缺少阻挡，蓄能弹簧3从而可以释放能量进行复位。所述释放电机6可选用普通的无刷直流舵机。

上述起降装置的工作原理是：

一般地，在无人机的降落过程中，当无人机下降到一定高度后，无人机将会关闭全部动力系统，开始自由落体下落；当支撑脚1接触到地面时，由于受到重力和惯性的作用，机身和中间套管2会继续下降，相对地，支撑脚1沿着中间套管2的内腔往上移动，同时往上压缩蓄能弹簧3，继而存储能量，直到支撑脚1停止压缩蓄能弹簧3，然后锁定机构锁定支撑脚1和中间套管2，防止支撑脚1沿着中间套管2的内腔往下移动，从而保持蓄能弹簧3为压缩的状态中，将存储的能量锁定，以便起飞时使用。

在起飞的过程中，飞行指令发出后，由于支撑脚1支撑在地面上，当锁定机构解锁后，蓄能弹簧3开始释放能量，从而瞬间驱动中间套管2和机身相对于支撑脚1往上移动，使得无人机从地面弹起，直至到达一定高度后，再启动动力系统，开始巡航。明显地，在上述起飞的过程中，无人机离开地面时升起一定高度所消耗的能量为上次无人机在降落时自身的重力势能转换为蓄能弹簧3中的弹性势能，因而不消耗无人机的能量，从而可以延长无人机的巡航时间和距离。

参见图1-4，本实施中，上述节能型的多旋翼无人机起降装置的方法，包括以下步骤：

无人机在飞行过程，当完成飞行作业任务或因其他原因需要降落时，当无人机降落至一定高度H(H＝E/(Mg)，M为无人机总质量，E为蓄能弹簧3的最大势能，g为重力加速度)后，无人机关闭全部动力系统，开始自由落体下落；其中，在自由落体的过程中，无人机的飞控系统监控无人机下落过程中的姿态数据：当无人机姿态偏离水平时，重新启动动力系统，进行姿态矫正；当姿态矫正完毕后，再次关闭动力系统，继续自由落体降落。当接触到地面时，支撑脚1支撑在地面上，机身和中间套管2继续往下移动，对蓄能弹簧3进行压缩，将重力势能转化为弹性势能；当机身和中间套管2停止往下移动时，锁定机构锁定蓄能弹簧3所存储的能量。

无人机再次起飞时，当锁定机构解锁后，蓄能弹簧3开始释放能量并复原，驱动中间套管2和机身相对于支撑脚1往上移动，使得无人机从地面升起；当升起一定高度h(h＝(MgH-e)/(Mg)，其中，M为无人机总质量，g为重力加速度，H为上一次自由落体的高度，e为上一次自由落体和本次起飞时的额外损耗的能量之和)后，再启动动力系统，开始巡航。

在姿态矫正的过程中，动力系统不提供维持无人机悬停或上升所需要的动力，这样可确保高度H的重力势能全部转化为弹性势能，从而为下次起飞提供足够的能量。

实施例2

本发明的一个优选方案，其中，所述锁定机构包括设置在支撑脚1上的弹性卡扣5以及设置在中间套管2上的卡槽；当支撑脚1沿着中间套管2的内腔往上压缩蓄能弹簧3时，弹性卡扣5也沿着中间套管2的内腔壁往上移动，直至移动到卡槽中，当支撑脚1停止压缩蓄能弹簧3，卡扣5卡在卡槽中。

优选地，所述卡扣5由弹性材料制成，这样，卡扣5在沿着引导面向上移动时，发生一定的弹性形变，继而能够跨越该引导面。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，包括支撑脚、中间套管以及蓄能弹簧；其中，所述中间套管的上端固定在机身上，所述支撑脚的上端延伸至中间套管的内腔中；所述蓄能弹簧设置于中间套管的内腔中，下端抵在支撑脚延伸至中间套管中的一端上；

所述支撑脚架与中间套管之间设有用于锁定蓄能弹簧所储存的能量的锁定机构；降落后，中间套管和支撑脚对蓄能弹簧进行压缩，锁定机构固定压缩后的蓄能弹簧，锁定蓄能弹簧所储存的能量；起飞时，锁定机构取消对蓄能弹簧的固定，释放储存的能量。

2.根据权利要求1所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，所述锁定机构包括设置在中间套管上的卡块以及设置在支撑脚上的卡扣；

所述卡块位于中间套管的外侧面上，靠近支撑脚的一端设有倾斜的引导面；所述中间套管设有沿着其轴向方向延伸的滑动槽，所述卡扣的一端穿过滑动槽延伸至中间套管外，并弯向卡块；

当支撑脚在中间套管中压缩蓄能弹簧时，所述卡扣沿着滑动槽往上滑动，然后跨越引导面，移动至卡块的上方，直到支撑脚停止压缩蓄能弹簧，卡扣卡在卡块的上端面，将支撑脚固定在中间套管中，锁定蓄能弹簧的弹性势能。

3.根据权利要求2所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，所述卡扣的一端铰接在支撑脚上，另一端穿过滑动槽延伸至中间套管的外侧；所述卡扣与支撑脚之间设有促使卡扣弯向卡块的扭簧。

4.根据权利要求1所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，所述锁定机构包括设置在支撑脚上的弹性卡扣以及设置在中间套管上的卡槽；当支撑脚沿着中间套管的内腔往上压缩蓄能弹簧时，弹性卡扣也沿着中间套管的内腔壁往上移动，直至移动到卡槽中，当支撑脚停止压缩蓄能弹簧，卡扣卡在卡槽中。

5.根据权利要求3或4所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，所述锁定机构还包括用于释放蓄能弹簧所存储的能量的释放电机，该释放电机设置在卡块的一侧；起飞时，释放电机驱动卡扣脱离卡块的上端面。

6.一种应用于权利要求1-3任意一项所述的节能型的多旋翼无人机起降装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

降落时，当无人机降落至一定高度H后，无人机关闭全部动力系统，开始自由落体下落；当接触到地面时，支撑脚支撑在地面上，机身和中间套管继续往下移动，对蓄能弹簧进行压缩，将重力势能转化为弹性势能；当机身和中间套管停止往下移动时，锁定机构锁定蓄能弹簧所存储的能量；

起飞时，当锁定机构解锁后，蓄能弹簧开始释放能量并复原，驱动中间套管和机身相对于支撑脚往上移动，使得无人机从地面升起；当升起一定高度h后，再启动动力系统，开始巡航。

7.根据权利要求6所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，高度H根据以下的公式求得：

其中，M为无人机总质量，E为蓄能弹簧的最大势能，g为重力加速度。

8.根据权利要求6所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，在自由落体的过程中，无人机的飞控系统监控无人机下落过程中的姿态数据：当无人机姿态偏离水平时，重新启动动力系统，进行姿态矫正；当姿态矫正完毕后，再次关闭动力系统，继续自由落体降落。

9.根据权利要求8所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，在姿态矫正的过程中，动力系统不提供维持无人机悬停或上升所需要的动力，这样可确保高度H的重力势能全部转化为弹性势能，从而为下次起飞提供足够的能量。

10.根据权利要求6所述的节能型的多旋翼无人机起降装置，其特征在于，高度h根据以下的公式求得：

其中，M为无人机总质量，g为重力加速度，H为上一次自由落体的高度，e为上一次自由落体和本次起飞时的额外损耗的能量之和。