CN109533331A - 微型无人机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种微型无人机，包括：机身，包括沿机身的轴线方向依次连接的机身前段、机身中段以及机身尾段；旋翼组件，设置于机身中段；支腿组件，设置于机身上；翼膜舵面，分别与机身尾段和支腿组件连接，并能够通过控制支腿组件来控制翼膜舵面处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
Description
技术领域
本申请涉及飞行器技术领域，具体提供一种微型无人机。
背景技术
微型飞行器(包括固定翼、扑翼和旋翼三种类型)以其便于携带、隐蔽性强、成本低等显著特点而成为国际研究热点，而微型直升机又具有可垂直起降、可悬停并近距离侦查、工程可行性强可靠性高等突出优势。
目前国内外微型旋翼类飞行器普遍采用对称四旋翼构型，体积较大，功能单一，任务适应能力较弱。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种微型无人机包括：机身，包括沿所述机身的轴线方向依次连接的机身前段、机身中段以及机身尾段；旋翼组件，设置于所述机身中段；支腿组件，设置于所述机身上；翼膜舵面，分别与所述机身尾段和所述支腿组件连接，并能够通过控制所述支腿组件来控制所述翼膜舵面处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
根据本申请的至少一个实施例，所述支腿组件包括第一对支腿、第二对支腿以及第三对支腿；所述第一对支腿包括两个支腿，且两个支腿对称设置于所述机身前段上；所述第二对支腿包括两个支腿，且两个支腿对称设置于所述机身中段上；所述第三对支腿包括两个支腿，且两个支腿对称设置于所述机身尾段上；所述翼膜舵面设置于所述第三对支腿与所述机身尾段之间，并能够通过控制所述第三对支腿来控制所述翼膜舵面处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
根据本申请的至少一个实施例，所述第三对支腿中的每个支腿均包括沿所述机身向外延伸的方向依次连接的第一节支腿、第二节支腿和第三节支腿，所述翼膜舵面设置于所述第二节支腿与所述机身尾段(13) 之间，并能够通过控制所述第二节支腿来控制所述翼膜舵面处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
根据本申请的至少一个实施例，当所述第二节支腿与所述机身的水平面平行时，所述翼膜舵面处于平尾状态；当所述第二节支腿与所述机身的水平面垂直时，所述翼膜舵面处于垂尾状态；当所述第二节支腿与所述机身的水平面介于平行与垂直之间时，所述翼膜舵面处于腹鳍状态。
根据本申请的至少一个实施例，所述翼膜舵面与所述机身尾段、所述翼膜舵面与所述第二节支腿之间均采用无缝粘接。
根据本申请的至少一个实施例，所述翼膜舵面由仿生鸟翼复合布制成。
根据本申请的至少一个实施例，所述第一节支腿具有两个自由度，所述第二节支腿和所述第三节支腿均具有一个自由度。
根据本申请的至少一个实施例，所述第三节支腿的末端设置有负压吸盘。
根据本申请的至少一个实施例，所述旋翼组件包括安装座和环形涵道，所述安装座的一端通过万向轴连接于所述机身中段，所述安装座的另一端与所述环形涵道固定连接，在所述环形涵道内设置有旋翼安装架，在所述旋翼安装架上设置有驱动电机，所述驱动电机连接旋翼。
根据本申请的至少一个实施例，所述机身前段内设置有摄像头和信号传输设备，所述机身中段内设置有倾转驱动电机和电池，所述机身尾段内设置有控制计算机、导航组件和其他任务装置。
本申请实施例提供的微型无人机，不仅能够垂直起降、悬停并近距离侦查“凝视”目标，还可以作为爬壁机器人在复杂陆面以及垂直壁面上着陆，吸附和移动，体型小巧、任务环境适应面广、隐蔽性好，可作为一种机动灵活的智能平台，在军用和民用领域都将有着广阔的应用前景。
附图说明
图1是本申请实施例提供的微型无人机的整体结构示意图；
图2是本申请实施例提供的微型无人机的侧视图；
图3是本申请实施例提供的微型无人机的俯视图；
图4是本申请实施例提供的微型无人机的后视图；
图5是本申请实施例提供的微型无人机的支腿示意图；
图6是本申请实施例提供的微型无人机控制框图。
其中：
10、机身；11、机身前段；12、机身中段；13、机身尾段；20、旋翼组件；21、安装座；22、环形涵道；23、安装架；24、驱动电机；25、旋翼；30、支腿组件；31、第一对支腿；32、第二对支腿；33、第三对支腿；34、第一节支腿；35、第二节支腿；36、第三节支腿；37、负压吸盘；40、翼膜舵面；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1是本申请实施例提供的微型无人机的整体结构示意图，图2是本申请实施例提供的微型无人机的侧视图，图3是本申请实施例提供的微型无人机的俯视图，图4是本申请实施例提供的微型无人机的后视图，图5是本申请实施例提供的微型无人机的支腿示意图。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，微型无人机包括机身10、旋翼组件20、支腿组件30以及翼膜舵面40。其中，机身10包括沿机身10 的轴线方向依次连接的机身前段11、机身中段12以及机身尾段13，旋翼组件20，设置于机身中段12上，支腿组件30，设置于机身10上，翼膜舵面40，分别与机身尾段13和支腿组件30连接，并能够通过控制支腿组件30来控制翼膜舵面40处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
在翼膜舵面40处于平尾状态时，翼膜舵面40与机身10的水平面平行；在翼膜舵面40处于垂尾状态时，翼膜舵面40与机身10的水平面垂直；在翼膜舵面40处于腹鳍状态时，翼膜舵面40与机身10的水平面介于平行和垂直之间，通过三种状态之间的切换，能够辅助飞行控制，从而提高低雷诺数下的无人机的姿态操控效率和稳定保持。
机身前段11内部可以设置有摄像头、信号传输设备，机身中段12 内可以设置有倾转驱动电机和电池，机身尾段13内可以设置有控制计算机、导航组件和其他任务装置(例如，小型武器、电子干扰设备等)。
旋翼组件20包括安装座21和环形涵道22，安装座21的一端通过万向轴连接于机身中段12，安装座21的另一端与环形涵道22固定连接，在环形涵道22内设置有旋翼安装架23，在旋翼安装架23上设置有驱动电机24，驱动电机24连接旋翼25。
通过旋翼组件20和翼膜舵面40相配合，能够实现无人机的垂直起落和悬停，并且柔性的翼膜舵面40还能够辅助提升无人机在低雷诺数下的操纵性和稳定性。
环形涵道22中的旋翼25，相较于同样直径的孤立旋翼能产生更大的拉力，而且旋翼环括在涵道内，既可以阻挡旋翼气动声向外传播，又避免在穿过丛林等复杂环境时的桨尖损坏，结构紧凑，安全性高。
可选的，旋翼25的叶片采用具有较大升阻比的凹凸翼型，以便在低雷诺数的环境中，后缘不容易发生气流分离，即使出现气流分离时，分离区不会向前缘移动太多，以保证翼型前缘为附着流。
在一些实施例中，支腿组件30包括第一对支腿31、第二对支腿32 以及第三对支腿33；第一对支腿31包括两个支腿，且两个支腿对称设置于机身前段11上；第二对支腿32包括两个支腿，且两个支腿对称设置于机身中段12上；第三对支腿33包括两个支腿，且两个支腿对称设置于机身尾段13上。
第三对支腿33中的每个支腿均包括沿机身10向外延伸的方向依次连接的第一节支腿34、第二节支腿35和第三节支腿36，翼膜舵面40设置于第二节支腿35与机身尾段13之间，并能够通过控制第二节支腿35 来控制翼膜舵面40处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
在一些实施例中，当第二节支腿35与机身10的水平面平行时，翼膜舵面40处于平尾状态；当第二节支腿35与机身10的水平面垂直时，翼膜舵面40处于垂尾状态；当第二节支腿35与机身10的水平面介于平行与垂直之间时，翼膜舵面40处于腹鳍状态。
可选地，翼膜舵面40与机身尾段13、翼膜舵面40与第二节支腿35之间均采用无缝粘接。可选地，翼膜舵面40由仿生鸟翼复合布制成。可选地，第三节支腿36的末端设置有负压吸盘37。
第一节支腿34具有两个自由度，第二节支腿35和第三节支腿36均具有一个自由度。
在一示例中，第一节支腿34的两个自由度分别是前后的偏摆和绕其轴向的旋转。
在另一示例中，第二节支腿35和第三节支腿36的一个自由度均为绕其自身的轴向旋转。
请一并参阅图6，在一些可选的实施例中，微型无人机整个控制系统由控制计算机、传感器和执行机构组成，用来控制微型无人机的飞行和爬行。
控制系统能够通过无线电遥控手柄或地面基站设置目标指令，进行自主飞行。在基于特定目标的自主降落或飞行轨迹制定过程中，靠搭载的GPS、大气机、磁力计、加速度计、角速度陀螺、垂直陀螺等位置/姿态的智能传感器系统来进行辅助控制计算机进行目标搜索、目标特征点提取和位置精确估计以完成自主判断和路径规划，从而引导平稳飞行以及着陆。
安装座21倾转、旋翼25转动、翼膜舵面40控制、负压吸盘37吸附、支腿移动等执行机构均采用微电机直接驱动，无减速以及其它传动机构。微电机选用微型超声波电机，其利用了压电陶瓷的逆压电效应和超声振动原理，动力输出速度低、力矩大，可以直接驱动作动件，无减速机构，运行无噪声，不产生也不接收电磁干扰，大大提高隐蔽性。且此种电机靠摩擦力驱动，断电后能够自锁，不会引起断电后微型无人机壁面附着失效而掉落。全电动设计使飞行时的噪声和热辐射信号很低，从而进一步提高了其隐蔽性。此外，微电机还可以在地穴等缺氧环境中使用。
旋翼组件20分为两组，对称布置在机身10两侧。飞行时，旋翼25 可绕机身Y轴倾转，用来产生升力和推力，支腿仿生收拢，以降低飞行废阻系数，减小需用功率；着陆后，旋翼25可绕机身航向X轴纵向对称折叠到机身两侧，减小通过面积。
通过调节第三对支腿33，柔性翼膜舵面40可转变为“平尾”、“垂尾”或“腹鳍”等，用于辅助飞行控制，以提高低雷诺数下的姿态操控效率和稳定保持。
支腿可作为直升机模式下的着陆机构以及爬壁机器人模式下的爬行机构。三对支腿底部均装有负压吸盘37，通过微型压电陶瓷电机驱动安装在支腿末节的微型真空泵提供吸附动力源。
作为着陆机构，支腿收到着陆请求时，会自动展开以进行着陆支撑。支腿连杆机构式的机械臂和支腿底部的软式负压吸盘37都可以吸收一定的着陆冲击力。特殊地，当需要在垂直面(如高楼墙壁)上着陆时，调整机身上涵道方向以及旋翼25转速以垂直面接近，同时支腿接近完全伸展以吸附垂直面，待支腿底部吸盘吸牢垂直面后，旋翼25逐渐停止转动，此后的爬壁吸附和移动完全靠支腿进行。
作为爬行机构，多足移动的自由度多，立足点离散，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择支腿支撑点，也能够跨越障碍物行走自如。因此，在机器人模式下运动灵活，且具有更高的隐蔽性。
继续参阅图6，控制系统由控制计算机、传感器和执行机构组成，用来控制微型蜂式仿生无人直升机的飞行和爬行。
陆空两栖的微型无人机，其控制系统能够通过无线电遥控手柄或地面基站设置目标指令，进行自主飞行。在基于特定目标的自主降落或飞行轨迹制定过程中，依靠搭载的GPS、大气机、磁力计、加速度计、角速度陀螺、垂直陀螺等位置/姿态的智能传感器系统来进行辅助控制计算机进行目标搜索、目标特征点提取和位置精确估计以完成自主判断和路径规划。GPS、大气机、磁力计、加速度计、角速度陀螺、垂直陀螺等位置 /姿态的智能传感器系统实时采集位置、速度、姿态等信息并将信息传送至控制计算机(数据处理模块)；控制计算机中的电源模块用于为通信模块以及数据处理模块分配电力；通信模块用于对接受自数据处理模块传输来的信号进行调制、传输等；数据处理模块用于将设定目标、控制计算机的输出信号、以及舵机反馈信号进行对比分析处理，再将反馈对比后的数据作为输入通过伺服放大器放大后控制执行机构，即用以调整倾转涵道倾转或收拢角度、旋翼转速、支腿着陆吸附/爬行移动、柔性翼膜舵面角度，从而引导微型无人机完成平稳飞行、着陆以及爬行。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型无人机，其特征在于，包括：
机身(10)，包括沿所述机身(10)的轴线方向依次连接的机身前段(11)、机身中段(12)以及机身尾段(13)；
旋翼组件(20)，设置于所述机身中段(12)；
支腿组件(30)，设置于所述机身(10)上；
翼膜舵面(40)，分别与所述机身尾段(13)和所述支腿组件(30)连接，并能够通过控制所述支腿组件(30)来控制所述翼膜舵面(40)处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
2.根据权利要求1所述的微型无人机，其特征在于，所述支腿组件(30)包括第一对支腿(31)、第二对支腿(32)以及第三对支腿(33)；
所述第一对支腿(31)包括两个支腿，且两个支腿对称设置于所述机身前段(11)上；
所述第二对支腿(32)包括两个支腿，且两个支腿对称设置于所述机身中段(12)上；
所述第三对支腿(33)包括两个支腿，且两个支腿对称设置于所述机身尾段(13)上；
所述翼膜舵面(40)设置于所述第三对支腿(33)与所述机身尾段(13)之间，并能够通过控制所述第三对支腿(33)来控制所述翼膜舵面(40)处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
3.根据权利要求2所述的微型无人机，其特征在于，所述第三对支腿(33)中的每个支腿均包括沿所述机身(10)向外延伸的方向依次连接的第一节支腿(34)、第二节支腿(35)和第三节支腿(36)，所述翼膜舵面(40)设置于所述第二节支腿(35)与所述机身尾段(13)之间，并能够通过控制所述第二节支腿(35)来控制所述翼膜舵面(40)处于平尾状态、垂尾状态以及腹鳍状态。
4.根据权利要求3所述的微型无人机，其特征在于，
当所述第二节支腿(35)与所述机身(10)的水平面平行时，所述翼膜舵面(40)处于平尾状态；
当所述第二节支腿(35)与所述机身(10)的水平面垂直时，所述翼膜舵面(40)处于垂尾状态；
当所述第二节支腿(35)与所述机身(10)的水平面介于平行与垂直之间时，所述翼膜舵面(40)处于腹鳍状态。
5.根据权利要求3所述的微型无人机，其特征在于，所述翼膜舵面(40)与所述机身尾段(13)、所述翼膜舵面(40)与所述第二节支腿(35)之间均采用无缝粘接。
6.根据权利要求1所述的微型无人机，其特征在于，所述翼膜舵面(40)由仿生鸟翼复合布制成。
7.根据权利要求3所述的微型无人机，其特征在于，所述第一节支腿(34)具有两个自由度，所述第二节支腿(35)和所述第三节支腿(36)均具有一个自由度。
8.根据权利要求3所述的微型无人机，其特征在于，所述第三节支腿(36)的末端设置有负压吸盘(37)。
9.根据权利要求1所述的微型无人机，其特征在于，所述旋翼组件(20)包括安装座(21)和环形涵道(22)，所述安装座(21)的一端通过万向轴连接于所述机身中段(12)，所述安装座(21)的另一端与所述环形涵道(22)固定连接，在所述环形涵道(22)内设置有旋翼安装架(23)，在所述旋翼安装架(23)上设置有驱动电机(24)，所述驱动电机(24)连接旋翼(25)。
10.根据权利要求1所述的微型无人机，其特征在于，所述机身前段(11)内设置有摄像头和信号传输设备，所述机身中段(12)内设置有倾转驱动电机和电池，所述机身尾段(13)内设置有控制计算机、导航组件和其他任务装置。
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