CN109334947A - 一种氦气球无人机及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氦气球无人机及其工作方法，包括无人机，其特征在于，还包括氦气球，所述氦气球设置在无人机的框架顶部；所述框架上设置有三组螺旋桨组件，所述三组螺旋桨组件的质心连线构成等边三角形，分布在所述等边三角形两底角处的第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件呈镜面对称设置，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件分别通过对应的电机角度控制舵机设置在所述框架尾部，位于所述等边三角形顶角处的第一组螺旋桨组件的转轴垂直于所述框架顶平面。所述氦气球呈三棱柱结构或三棱台结构，所述氦气球的中央设置有由底面向顶面延伸的通孔，所述氦气球的后侧面上设置有两个半圆柱形凹槽。本发明结构简单，重量轻，可以实现较长时间的滞空。

Description

一种氦气球无人机及其工作方法
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种氦气球无人机及其工作方法。
背景技术
目前，采用无人机进行空中监控、测绘已经较为普及，但无人机飞行时间较短，以大疆无人机为例，悟系列的无人机飞行时间只有十至二十分钟，无法满足长时间监控、测绘的工作需要。
发明内容
本发明设计了一种氦气球无人机及其工作方法，用氦气球平衡无人机的重力，延长了无人机的滞空时间，解决了现有无人机滞空时间短的问题。
为了解决上述存在的技术问题，本发明一方面公开了：
一种氦气球无人机，包括无人机和氦气球，所述氦气球设置在无人机的框架顶部；所述框架上设置有三组螺旋桨组件，所述三组螺旋桨组件的质心连线构成等边三角形，分布在所述等边三角形两底角处的第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件呈镜面对称设置，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件分别通过对应的电机角度控制舵机设置在所述框架尾部，位于所述等边三角形顶角处的第一组螺旋桨组件的转轴垂直于所述框架顶平面。
进一步，所述氦气球呈三棱柱结构或三棱台结构，所述氦气球的中央设置有由底面向顶面延伸的通孔以配合第一组螺旋桨组件的安装，所述氦气球的尾部侧面上对称地设置有两个半圆柱形凹槽以配合第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的安装。
进一步，所述氦气球的底面上设置有一三角形的凹槽以容纳所述框架。
进一步，所述的每组螺旋桨组件均包括螺旋桨以及与所述螺旋桨连接的无刷电机。
进一步，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机分别通过对应的电机角度控制舵机设置在所述框架上，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机分别与相对应电机角度控制舵机的转轴固连。
进一步，所述无人机的控制器和飞行控制传感器通过控制器固定架设置在所述框架上。
进一步，所述无人机的数据收集传感器通过数据收集传感器固定架设置在所述框架上，所述数据收集传感器和所述无人机的控制器连接。
进一步，所述框架是由杆件组成的倒“T”型结构，倒“T”型结构的直立部分包括一对平行设置地杆件，平行设置地杆件间通过至少两根横拉杆连接。所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件设置在所述框架倒“T”型结构的横杆上，所述第一组螺旋桨组件设置在所述框架倒“T”型结构的直立部分。
为了解决上述存在的技术问题，本发明另一方面公开了：
一种氦气球无人机的工作方法，向气球内充入氦气，使气球的浮力与飞艇的重力相平衡；所述工作方法包括以下步骤：
步骤一：无人机起飞到达预定空域的预定高度，包括垂直起飞模式和水平飞行模式或前进中上升模式；
垂直起飞模式：给控制器、各组螺旋桨组件的无刷电机、飞行控制传感器、数据收集传感器通电；经飞行控制传感器检测无人机状态，在保证无人机处于水平状态、第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机的转轴与第一组螺旋桨组件无刷电机的转轴平行且与地面垂直时，第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供竖直方向的升力，无人机垂直起飞；
水平飞行模式：当飞行控制传感器检测无人机到达预定高度但没到预定空域时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机转轴转动至与第一组螺旋桨组件无刷电机的转轴垂直且与地面平行；第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供水平方向的动力，无人机水平飞行直到预定空域；
前进中上升模式：当飞行控制传感器同时检测到高度上升和水平前进信号时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机转轴转动至与与地面存在夹角，第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供倾斜向上的力，使无人机在前进的过程中上升到预定空域的预定高度；
步骤二：信息采集；当飞行控制传感器检测无人机到达预定空域的预定高度时，各组螺旋桨组件的无刷电机断电，使无人机保持滞空状态，数据收集传感器通电，开始收集该地域的信息；
步骤三：返航；在信息收集完毕后，数据收集传感器断电，各组螺旋桨组件的无刷电机通电，无人机返航。
进一步，当飞行控制传感器检测到方向转动信号时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达转向命令，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机的转速存在差异，使无人机的质心出现力矩，无人机方向改变。
进一步，所述数据收集传感器收集的信息包括预定空域相对应地域的图像、温度、湿度信息。
该氦气球无人机及其工作方法具有以下有益效果：
（1）本发明可以实现较长时间的滞空，可以替代一些农业、林业、测绘无人机，搭载多种传感器进行长时间空中监测、测绘。
（2）本发明结构简单，重量轻，具有耗电量小的特点。
（3）本发明中的氦气球，便于和无人机配合安装，且无人机前进时这种结构的气球对无人机造成的阻力小。
附图说明
图1：本发明实施方式中氦气球无人机的结构示意图；
图2：图1的A-A剖视图；
图3：本发明实施方式中氦气球和框架的组装结构示意图；
图4：本发明实施方式中垂直起飞时各螺旋桨组件的状态示意图；
图5：图4中B处局部放大图（立体）；
图6：本发明实施方式中水平飞行时各螺旋桨组件的状态示意图；
图7：图6中C处局部放大图（立体）。
附图标记说明：
1—氦气球；101—通孔；102—凹槽；2—框架；3—第一组螺旋桨组件；301—第一螺旋桨；302—第一无刷电机；4—第二组螺旋桨组件；401—第二螺旋桨；402—第二无刷电机；5—第三组螺旋桨组件；501—第三螺旋桨；502—第三无刷电机；6—电机角度控制舵机Ⅰ；7—电机角度控制舵机Ⅱ；8—控制器；9—飞行控制传感器；10—控制器固定架；11—数据收集传感器；12—数据收集传感器固定架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
图1至图7示出了本发明氦气球无人机及其工作方法的具体实施方式。图1和图2是本实施方式中氦气球无人机的结构示意图；图3是本实施方式中氦气球和框架的组装结构示意图；图4和图5是本实施方式中垂直起飞时各螺旋桨组件的状态示意图；图6和图7是本实施方式中水平飞行时各螺旋桨组件的状态示意图。
如图1和图2所示，本实施方式中的氦气球无人机，包括无人机和氦气球1，氦气球1设置在无人机的框架2顶部；框架2上设置有三组螺旋桨组件，三组螺旋桨组件的质心连线构成等边三角形，分布在等边三角形两底角处的第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5呈镜面对称设置，第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5分别通过对应的电机角度控制舵机设置在框架2尾部，位于述等边三角形顶角处的第一组螺旋桨组件3的转轴垂直于框架2顶平面。
优选地，氦气球1呈三棱柱结构或三棱台结构，氦气球1的中央设置有由底面向顶面延伸的通孔101以配合第一组螺旋桨组件3的安装，氦气球1的尾部侧面上对称地设置有两个半圆柱形凹槽102以配合第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的安装，如图1、图2和图3所示。通孔101方便了第一组螺旋桨组件3的第一无刷电机302的气流进出，尾部的两个半圆柱形凹槽102，分别方便了第二组螺旋桨组件4的第二无刷电机402和第三组螺旋桨组件5的第三无刷电机502进出气流和变换角度。
优选地，氦气球1的底面上设置有一三角形的凹槽以容纳框架2，如图3所示。
优选地，所述的每组螺旋桨组件均包括螺旋桨以及与所述螺旋桨连接的无刷电机。本实施例中，第一组螺旋桨组件3包括第一螺旋桨301和第一无刷电机302，第二组螺旋桨组件4包括第二螺旋桨401和第二无刷电机402，第三组螺旋桨组件5包括第三螺旋桨501和第三无刷电机502。
具体地，第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的无刷电机分别通过对应的电机角度控制舵机设置在框架2上，第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的无刷电机分别与相对应电机角度控制舵机的转轴固连。如图1所示，本实施例中，第二螺旋桨401与电机角度控制舵机Ⅰ6的转轴固连，第三螺旋桨501与电机角度控制舵机Ⅱ7的转轴固连，第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5分别通过电机角度控制舵机Ⅰ6和电机角度控制舵机Ⅱ7设置在框架2上。电机角度控制舵机Ⅰ6、电机角度控制舵机Ⅱ7用于调节第二无刷电机402、第三无刷电机502的转轴与地面的夹角。
优选地，所述无人机的控制器8和飞行控制传感器9通过控制器固定架10设置在框架2上，如图2所示。本实施例中，控制器8和飞行控制传感器9通过控制器固定架10设置在框架2下方。
优选地，所述无人机的数据收集传感器11通过数据收集传感器固定架12设置在框架2上，如图2所示。数据收集传感器11和控制器8连接。数据收集传感器11通电时可以实现无人机的飞行数据以及相应监测数据的收集。本实施例中，数据收集传感器11通过数据收集传感器固定架12设置在框架2下方。数据收集传感器11给控制器8提供姿态数据，数据收集传感器11给控制器8通过I2C总线进行信息互通。
优选地，框架2是由杆件组成的倒“T”型结构，倒“T”型结构的直立部分包括一对平行设置地杆件，平行设置地杆件间通过至少两根横拉杆连接，如图1所示。第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5设置在框架2倒“T”型结构的横杆上，第一组螺旋桨组件3设置在框架2倒“T”型结构的直立部分。
本实施方式中的氦气球无人机的工作方法，先向气球内充入氦气，使气球的浮力与飞艇的重力相平衡；具体工作方法包括以下步骤：
步骤一：无人机起飞到达预定空域的预定高度，包括垂直起飞模式和水平飞行模式或前进中上升模式；
垂直起飞模式：给控制器8、各组螺旋桨组件的无刷电机、飞行控制传感器9、数据收集传感器11通电；如图4和图5所示，经飞行控制传感器9检测无人机状态，在保证无人机处于水平状态、第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的无刷电机的转轴与第一组螺旋桨组件3无刷电机的转轴平行且与地面垂直时，第一组螺旋桨组件3的无刷电机、第三组螺旋桨组件5的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件4的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供竖直方向的升力，无人机垂直起飞；
水平飞行模式：如图6和图7所示，当飞行控制传感器9检测无人机到达预定高度但没到预定空域时，控制器8根据飞行控制传感器9的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的无刷电机转轴转动至与第一组螺旋桨组件3无刷电机的转轴垂直且与地面平行；第一组螺旋桨组件3的无刷电机、第三组螺旋桨组件5的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件4的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供水平方向的动力，无人机水平飞行直到预定空域；
前进中上升模式：当飞行控制传感器9同时检测到高度上升和水平前进信号时，控制器8根据飞行控制传感器9的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的无刷电机转轴转动至与第一组螺旋桨组件3无刷电机的转轴存在夹角，也即与地面存在夹角，第一组螺旋桨组件3的无刷电机、第三组螺旋桨组件5的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件4的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供倾斜向上的力，使无人机在前进的过程中上升到预定空域的预定高度；
步骤二：信息采集；当飞行控制传感器8检测无人机到达预定空域的预定高度时，各组螺旋桨组件的无刷电机断电，使无人机保持滞空状态；数据收集传感器11通电，开始收集该地域的图像、温度、湿度等信息；
步骤三：返航；在信息收集完毕后，数据收集传感器11断电，各组螺旋桨组件的无刷电机通电，无人机返航。本实施例中，无人机按原路径返航。
优选地，当飞行控制传感器9检测到方向转动信号时，控制器8根据飞行控制传感器9的信号下达转向命令，使第二组螺旋桨组件4和第三组螺旋桨组件5的无刷电机的转速存在差异，使无人机的质心出现力矩，无人机方向改变。
优选地，所述数据收集传感器收集的信息包括预定空域相对应地域的图像、温度、湿度信息。也可以采集无人机的飞行数据信息。
本发明可以实现较长时间的滞空，可以替代一些农业、林业、测绘无人机，搭载多种传感器进行长时间空中监测。
本发明结构简单，重量轻，具有耗电量小的特点。
本发明中的氦气球，便于和无人机配合安装，且无人机前进时这种结构的气球对无人机造成的阻力小。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氦气球无人机，包括无人机，其特征在于，还包括氦气球，所述氦气球设置在无人机的框架顶部；所述框架上设置有三组螺旋桨组件，所述三组螺旋桨组件的质心连线构成等边三角形，分布在所述等边三角形两底角处的第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件呈镜面对称设置，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件分别通过对应的电机角度控制舵机设置在所述框架尾部，位于所述等边三角形顶角处的第一组螺旋桨组件的转轴垂直于所述框架顶平面。
2.根据权利要求1所述的氦气球无人机，其特征在于，所述氦气球呈三棱柱结构或三棱台结构，所述氦气球的中央设置有由底面向顶面延伸的通孔以配合第一组螺旋桨组件的安装，所述氦气球的尾部侧面上对称地设置有两个半圆柱形凹槽以配合第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的安装。
3.根据权利要求3所述的氦气球无人机，其特征在于，所述氦气球的底面上设置有一三角形的凹槽以容纳所述框架。
4.根据权利要求1、2或3所述的氦气球无人机，其特征在于，所述的每组螺旋桨组件均包括螺旋桨以及与所述螺旋桨连接的无刷电机。
5.根据权利要求4所述的氦气球无人机，其特征在于，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机分别通过对应的电机角度控制舵机设置在所述框架上，所述第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机分别与相对应电机角度控制舵机的转轴固连。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的氦气球无人机，其特征在于，所述无人机的控制器和飞行控制传感器通过控制器固定架设置在所述框架上。
7.根据权利要求1至6任一所述的氦气球无人机，其特征在于，所述无人机的数据收集传感器通过数据收集传感器固定架设置在所述框架上；所述数据收集传感器和所述无人机的控制器连接。
8.一种氦气球无人机的工作方法，其特征在于，向气球内充入氦气，使气球的浮力与飞艇的重力相平衡；所述工作方法包括以下步骤：
步骤一：无人机起飞到达预定空域的预定高度，包括垂直起飞模式和水平飞行模式或前进中上升模式；
垂直起飞模式：给控制器、各组螺旋桨组件的无刷电机、飞行控制传感器、数据收集传感器通电；经飞行控制传感器检测无人机状态，在保证无人机处于水平状态、第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机的转轴与第一组螺旋桨组件无刷电机的转轴平行且与地面垂直时，第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供竖直方向的升力，无人机垂直起飞；
水平飞行模式：当飞行控制传感器检测无人机到达预定高度但没到预定空域时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机转轴转动至与第一组螺旋桨组件无刷电机的转轴垂直且与地面平行；第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供水平方向的动力，无人机水平飞行直到预定空域；
前进中上升模式：当飞行控制传感器同时检测到高度上升和水平前进信号时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机转轴转动至与与地面存在夹角，第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供倾斜向上的力，使无人机在前进的过程中上升到预定空域的预定高度；
步骤二：信息采集；当飞行控制传感器检测无人机到达预定空域的预定高度时，各组螺旋桨组件的无刷电机断电，使无人机保持滞空状态，数据收集传感器通电，开始收集该地域的信息；
步骤三：返航；在信息收集完毕后，数据收集传感器断电，各组螺旋桨组件的无刷电机通电，无人机返航。
9.根据权利要求8所述的氦气球无人机的工作方法，其特征在于，当飞行控制传感器检测到方向转动信号时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达转向命令，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机的转速存在差异，使无人机的质心出现力矩，无人机方向改变。
10.根据权利要求8所述的氦气球无人机的工作方法，其特征在于，所述数据收集传感器收集的信息包括预定空域相对应地域的图像、温度、湿度信息。
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