CN109823545A - 一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置及消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，包括无人机本体框架、发动机及四个无刷电机，发动机有两个，分别上下设置于支撑杆上，支撑杆的两端分别设置于无人机本体框架上，支撑杆的中部安装有压力传感器，灭火药剂喷射管的后端对准压力传感器设置，无人机本体框架上位于支撑杆两端的位置分别设置有转动机构，每组转动机构均包括步进电机、蜗轮和蜗杆，蜗轮轴与支撑杆固定连接，蜗轮与蜗杆相啮合，蜗杆与步进电机的输出轴相连。本发明通过压力传感器采集无人机的后坐力，通过步进电机带动双发动机倾斜，从而提供额外的前向推力，实时抵消高层灭火无人机喷射灭火药剂后产生的后坐力，使无人机的姿态保持稳定，提高灭火效率。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置及消除方法。
背景技术
目前高层建筑灭火一般采用的云梯与高压水枪配合的方法，这种方法存在着高度有限及成本高昂的问题，采用无人机进行高层灭火可有效解决这一问题。目前高层灭火无人机的动力和灭火执行机构方案可分为多种，按动力来源可分为系留式高电压电动方式、机载锂电池电动方式、油电混动方式和油动方式等；按灭火执行机构方案可分为火工品喷射、橡筋弹射、低压气瓶喷射、高压气瓶喷射等方式。
为增加无人机载荷、续航时间和灭火安全性，灭火用无人机一般采用混合动力，即采用双发动机和4个大功率电机油电混动、气瓶喷射的灭火方案，在这一技术方案中，气瓶喷射时将产生后坐力，使无人机无法保持平稳，对无人机灭火作业的精确定位和灭火效果造成显著影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置及消除方法，能够抵消喷射产生的后坐力，保证无人机平稳飞行，实现灭火作业的精确定位，提高灭火效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，包括无人机本体框架、支腿、灭火药剂瓶、发动机及四个无刷电机，灭火药剂瓶设置于无人机本体框架上，四个无刷电机分别设置于无人机本体框架的四角，发动机和无刷电机均与无人机的飞控系统相连，所述发动机有两个，分别为上发动机和下发动机，上发动机和下发动机上下设置于支撑杆上，从而组成双发动机，支撑杆的两端分别设置于无人机本体框架上，支撑杆的中部安装有压力传感器，压力传感器与无人机的飞控系统连接，灭火药剂喷射管的后端对准压力传感器设置；
无人机本体框架上位于支撑杆两端的位置分别设置有转动机构，每组转动机构均包括步进电机、蜗轮和蜗杆，蜗轮的中心设有蜗轮轴，蜗轮轴与支撑杆固定连接，蜗轮与蜗杆相啮合，蜗杆与步进电机的输出轴相连，无人机的飞控系统控制连接步进电机。
优选的，所述蜗杆的上下两侧分别设有上支撑板和下支撑板，蜗杆与上支撑板和下支撑板转动连接，步进电机设置于上支撑板上，上支撑板和下支撑板之间设有固定板，固定板与上支撑板垂直，固定板中部开设有孔，无人机本体框架从固定板的中部穿过，使转动机构固定于无人机本体框架上。
优选的，上支撑板的下表面和下支撑板的上表面与蜗杆相对应的位置分别设置有蜗杆轴承。
优选的，所述下支撑板上位于蜗轮轴的两端的位置分别设有蜗轮轴承。
一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除方法，依次包括以下步骤：
(1)安装于支撑杆上的压力传感器实时测量灭火药剂喷射时产生的后坐力Fh，并发送到无人机的飞控系统；
(2)飞控系统根据经验统计数据判定该后坐力是否可由无刷电机通过姿态调整直接抵消，若可以，则通过四个无刷电机的姿态调整机制直接抵消后坐力，若不可直接抵消，则进入步骤(3)；
(3)飞控系统根据压力传感器采集到的后坐力的值，计算步进电机的调整角度并控制步进电机转动，步进电机依次带动蜗杆、蜗轮和支撑杆转动，从而使双发动机倾斜，实现对后坐力的抵消。
优选的，所述步骤(3)中，飞控系统计算步进电机调整角度的过程如下：
当双发动机的倾斜角度为α时，其产生的拉力F可分解为水平分量Ft和垂直分量Fs，水平分量Ft用于抵消后坐力Fh，垂直分量Fs仍用于提供升力，设无人机整体的重量为M，则水平分量Ft＝M×sinα，垂直分量Fs＝M×sinα，要使无人机保持稳定，水平分量需全部抵消掉后坐力，因此水平分量Ft等于压力传感器检测到的后坐力Fh，据此可计算出双发动机的倾斜角度为α＝arcsinFt/M；
蜗轮轴与双发动机的旋转中心一致，其传动比为1:1，那么蜗轮的偏转量即为双发动机的旋转角度，令蜗轮和蜗杆的传动比为B，当双发动机所需偏转量为α时，可以算出蜗杆的旋转角度为α×B，因此步进电机的旋转角度也为α×B。
优选的，双发动机倾斜时，无人机向上的拉力减小，需要通过增加无刷电机的转速保持无人机稳定，每个无刷电机需要增加的拉力为(M-Fs)/4，飞控系统计算出无刷电机的转速，从而控制无刷电机调整转速，使无人机保持稳定的升力，每个无刷电机的转速调整值可通过转速与拉力的关系进行计算。
本发明通过压力传感器采集灭火药剂喷射时产生的后坐力，通过步进电机带动双发动机倾斜，从而提供额外的前向推力，实时抵消高层灭火无人机喷射灭火药剂后产生的后坐力，使无人机的姿态保持稳定，实现灭火作业的精确定位，提高灭火效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明所述双发动机的结构示意图；
图4为本发明所述转动机构的结构示意图；
图5为本发明所述转动机构的俯视图；
图6为图5的A向剖视图；
图7为图5的B向剖视图；
图8为本发明的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1至图8所示，本发明公开了一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，包括无人机本体框架4、支腿1、灭火药剂瓶17、发动机及四个无刷电机2，灭火药剂瓶17设置于无人机本体框架4上，四个无刷电机2分别设置于无人机本体框架4的四角，用于按照四旋翼方案提供机体的部分升力，同时用于保持机体的稳定，发动机用于提供主要升力，同时用于喷射药剂时产生的抵消后坐力，无刷电机12和发动机均与无人机的飞控系统相连，发动机有两个，分别为上发动机3和下发动机5，上发动机3和下发动机5上下设置于支撑杆7上，从而组成双发动机，支撑杆7的两端分别设置于无人机本体框架4上，支撑杆7的中部安装有压力传感器，压力传感器与无人机的飞控系统连接，灭火药剂喷射管16的后端对准压力传感器设置，压力传感器用于采集灭火药剂喷射时产生的后坐力，这种设计可以使喷射药剂的动作不会影响支撑杆7的转动角度。
无人机本体框架4上位于支撑杆7两端的位置分别设置有转动机构A，每组转动机构A均包括步进电机6、蜗轮12和蜗杆14，蜗轮12的中心设有蜗轮轴13，蜗轮轴13与支撑杆7固定连接，蜗轮12与蜗杆14相啮合，蜗杆14与步进电机6的输出轴相连，无人机的飞控系统控制连接步进电机6，无人机的飞控系统控制步进电机6转动，依次带动蜗杆14、蜗轮12和支撑杆7转动，从而使双发动机倾斜，双发动机倾斜时提供额外的前向推力，从而抵消灭火药剂喷射时产生的后坐力。无人机的飞控系统与步进电机6的连接关系，及其控制步进电机6转动的过程均为现有技术，不再赘述。
蜗杆14的上下两侧分别设有上支撑板8和下支撑板10，上支撑板8的下表面和下支撑板10的上表面与蜗杆14相对应的位置分别设置有蜗杆轴承15，使得蜗杆14可在上支撑板8和下支撑板10之间转动，步进电机6设置于上支撑板10上，下支撑板9上位于蜗轮轴13的两端的位置分别设有蜗轮轴承9，上支撑板8和下支撑板10之间设有固定板11，固定板11与上支撑板8垂直，固定板11中部开设有孔，无人机本体框架4从固定板11的中部穿过，使转动机构A固定于无人机本体框架4上。在使用时，无人机本体框架4可从蜗轮轴13的上部或下部穿过，也可从蜗轮轴13的中间穿过，此外，无人机本体框架4还可与下支撑板10的下表面固定。
一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除方法，依次包括以下步骤：
(1)安装于支撑杆7上的压力传感器实时测量灭火药剂喷射时产生的后坐力Fh，并发送到无人机的飞控系统。
(2)飞控系统根据实验统计数据判定该后坐力是否可由无刷电机2通过姿态调整直接抵消，若可以，则通过四个无刷电机2的姿态调整机制直接抵消后坐力，若不可直接抵消，则进入步骤(3)。
(3)飞控系统根据压力传感器采集到的后坐力的值，计算步进电机6的调整角度并控制步进电机转动，步进电机6依次带动蜗杆14、蜗轮12和支撑杆7转动，从而使双发动机倾斜，实现对后坐力的抵消。
当双发动机的倾斜角度为α时，其产生的拉力F可分解为水平分量Ft和垂直分量Fs，水平分量Ft用于抵消后坐力Fh，垂直分量Fs仍用于提供升力，设无人机整体的重量为M，则水平分量Ft＝M×sinα，垂直分量Fs＝M×sinα，要使无人机保持稳定，水平分量需全部抵消掉后坐力，因此水平分量Ft等于压力传感器检测到的后坐力Fh，据此可计算出双发动机的倾斜角度为α＝arcsinFt/M。
蜗轮轴13与双发动机的旋转中心一致，其传动比为1:1，那么蜗轮12的偏转量即为双发动机的旋转角度，令蜗轮12和蜗杆14的传动比为B，当双发动机所需偏转量为α时，可以算出蜗杆14的旋转角度为α×B，因此步进电机的旋转角度也为α×B。
(4)双发动机倾斜时，无人机向上的拉力减小，需要通过增加无刷电机2的转速保持无人机稳定，每个无刷电机2需要增加的拉力为(M-Fs)/4，飞控系统计算出无刷电机2的转速，从而控制无刷电机调整转速，使无人机保持稳定的升力，每个无刷电机的转速调整值可通过转速与拉力的关系进行计算，该计算过程为现有技术，不再赘述。
本发明提供了一种通过双发动机随动倾斜，来实时抵消高层灭火无人机喷射灭火药剂产生的后坐力的方法，当喷射药剂后坐力过大，无人机依赖四旋翼电机无法稳定姿态时，采用本发明可在不改变机体结构的前提下，利用双发动机的高功率提供有效动力，使无人机的姿态保持稳定，实现灭火作业的精确定位，提高灭火效率。
Claims (7)
1.一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，包括无人机本体框架、支腿、灭火药剂瓶、发动机及四个无刷电机，灭火药剂瓶设置于无人机本体框架上，四个无刷电机分别设置于无人机本体框架的四角，发动机和无刷电机均与无人机的飞控系统相连，其特征在于：所述发动机有两个，分别为上发动机和下发动机，上发动机和下发动机上下设置于支撑杆上，从而组成双发动机，支撑杆的两端分别设置于无人机本体框架上，支撑杆的中部安装有压力传感器，压力传感器与无人机的飞控系统连接，灭火药剂喷射管的后端对准压力传感器设置；
无人机本体框架上位于支撑杆两端的位置分别设置有转动机构，每组转动机构均包括步进电机、蜗轮和蜗杆，蜗轮的中心设有蜗轮轴，蜗轮轴与支撑杆固定连接，蜗轮与蜗杆相啮合，蜗杆与步进电机的输出轴相连，无人机的飞控系统控制连接步进电机。
2.如权利要求1所述的一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，其特征在于：所述蜗杆的上下两侧分别设有上支撑板和下支撑板，蜗杆与上支撑板和下支撑板转动连接，步进电机设置于上支撑板上，上支撑板和下支撑板之间设有固定板，固定板与上支撑板垂直，固定板中部开设有孔，无人机本体框架从固定板的中部穿过，使转动机构固定于无人机本体框架上。
3.如权利要求2所述的一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，其特征在于：上支撑板的下表面和下支撑板的上表面与蜗杆相对应的位置分别设置有蜗杆轴承。
4.如权利要求2所述的一种用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置，其特征在于：所述下支撑板上位于蜗轮轴的两端的位置分别设有蜗轮轴承。
5.利用权利要求1至4任一项所述的用于混合动力无人机的喷射后坐力消除装置对无人机喷射后坐力进行消除的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)安装于支撑杆上的压力传感器实时测量灭火药剂喷射时产生的后坐力Fh，并发送到无人机的飞控系统；
(2)飞控系统根据实验统计数据判定该后坐力是否可由无刷电机通过姿态调整直接抵消，若可以，则通过四个无刷电机的姿态调整机制直接抵消后坐力，若不可直接抵消，则进入步骤(3)；
(3)飞控系统根据压力传感器采集到的后坐力的值，计算步进电机的调整角度并控制步进电机转动，步进电机依次带动蜗杆、蜗轮和支撑杆转动，从而使双发动机倾斜，实现对后坐力的抵消。
6.如权利要求5所述的一种抵消方法，其特征在于：所述步骤(3)中，飞控系统计算步进电机调整角度的过程如下：
当双发动机的倾斜角度为α时，其产生的拉力F可分解为水平分量Ft和垂直分量Fs，水平分量Ft用于抵消后坐力Fh，垂直分量Fs仍用于提供升力，设无人机整体的重量为M，则水平分量Ft＝M×sinα，垂直分量Fs＝M×sinα，要使无人机保持稳定，水平分量需全部抵消掉后坐力，因此水平分量Ft等于压力传感器检测到的后坐力Fh，据此可计算出双发动机的倾斜角度为α＝arcsin Ft/M；
蜗轮轴与双发动机的旋转中心一致，其传动比为1:1，那么蜗轮的偏转量即为双发动机的旋转角度，令蜗轮和蜗杆的传动比为B，当双发动机所需偏转量为α时，可以算出蜗杆的旋转角度为α×B，因此步进电机的旋转角度也为α×B。
7.如权利要求6所述的一种抵消方法，其特征在于：双发动机倾斜时，无人机向上的拉力减小，需要通过增加无刷电机的转速保持无人机稳定，每个无刷电机需要增加的拉力为(M-Fs)/4，飞控系统计算出无刷电机的转速，从而控制无刷电机调整转速，使无人机保持稳定的升力，每个无刷电机的转速调整值可通过转速与拉力的关系进行计算。
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