CN110312657A - 一种设有辅助飞行组件的飞行器 - Google Patents

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娜乌西卡·阿西娅·韦佐利
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Abstract

一种远程驾驶飞行器(1)，包括一辅助飞行组件(4)，该辅助飞行组件(4)适于在飞行器(1)发生故障或紧急情况下进行干预，所述辅助飞行组件(4)设有一附加控制单元(5)，该附加控制单元(5)被配置为处理与飞行相关的数据且包括一附加接收器(27)，该附加接收器(27)被配置为通过一附加控制单元(70)接收来自远程飞行员的命令，其中在发生故障或紧急情况时，所述附加控制单元(5)被配置为作为响应，产生一激活命令(S1)，所述激活命令(S1)适于激活一第一装置(8)，用于排出放置在飞行器(1)的一第一隔室(12)内的一上翼(9)，且该激活命令(S1)适于使容纳在飞行器(2)的一第二隔室(25)内的一下翼(17)膨胀，同时所述附加控制单元(5)被配置为产生主推进单元(23)的一阻断命令(S2)，通过所述另一遥控单元(70)操纵所述上翼(9)。

Description

一种设有辅助飞行组件的飞行器
本发明涉及一种设有辅助飞行组件的飞行器。
已知有一种远程驾驶飞机(RPA)，俗称无人机。除了RPA外，英语中还有其它首字母缩略词用来表示无人机：UAV(无人驾驶飞行器)、RPV(遥控飞行器)、ROA(远端操作飞行器)或UVS(无人驾驶车辆系统)。
无人机的特征在于飞行器上没有人类飞行员。在地面上的导航员或飞行员的远程遥控下，飞行器的飞行受到飞行器上的计算机的控制。无人机现已用于军事目的，且日渐用于民用，例如用于防火或消防救灾目的，用于非军事安全目的，例如管道监测，用于遥感和研究目的。更广泛地，在上述所有目的中，通过这种系统，人们通常只要花费比传统飞行器低得多的成本来执行“阴暗、污秽和危险的”任务。
无人机通常配备有救援装置，用于飞行器出现故障时回收飞行器。例如，US-6416019描述了一种带有降落伞的回收装置，用于在无人机没有损坏的情况下回收无人机，使得无人机能够安全，非破坏性地降落在理想位置。具有降落伞的回收装置包括一降落伞、一伺服系统和一电子引导控制系统。降落伞的形状为矩形，通过多根控制电缆连接到伺服系统，伺服系统又由电子控制系统控制。电子控制系统和伺服系统用于控制下滑航迹并实现无人机的安全，非破坏性着陆。伺服系统特别适于调节连接到降落伞的所述多根控制缆线的每根缆线的长度，用于控制降落伞以改变速度和方向。
然而，这种带有降落伞的回收装置实现起来比较复杂，因为它使用降落伞自身的大量控制缆线进行操作，并且也不允许飞行员继续控制无人机以完成任务。此外，不能确定它不会因撞到障碍物而受到损害，或者也不确定是否会对地面的人们造成威胁。
本发明的目的是提供一种回收装置，该回收装置易于实现并且能够允许无人机和地面人员安全着陆，同时还允许飞行员继续正在进行的任务。
根据本发明，这种目的是通过根据权利要求1所述的遥控飞行器实现的。
在飞行器出现故障或出现紧急情况时，通过上翼和下翼而不是通过螺旋桨确保飞行器的飞行状态。
通过以下本发明的实际实施例的具体描述，本发明的这些和其它特征将变得更加显而易见，其中实际实施例通过非限制性示例示出，其中：
图1示出了根据本发明的遥控飞行器的第一轴测图；
图2示出了图1中飞行器的第二个轴测图；
图3和图4示出了没有框架的一个或多个部分的图1的飞行器的视图；
图5示出了图1中的飞行器的轴测的局部剖视图，其中示出了在发生故障时的飞行器的配置；
图6-8示出了图1中的飞行器出现故障或紧急情况时的假设的配置的视图；
图9示出了根据本发明的遥控飞行器的侧视图，该遥控飞行器设有推进螺旋桨；
图10示出了包括在图1中的飞行器中的辅助飞行组件的方框图。
图1示出了根据本发明的远程驾驶飞行器(RPA)1。
飞行器1包括作为支撑结构的框架2，所述框架可以由各种材料(包括塑料、铝或碳)制成。众所周知，框架2的组成对于飞行器1的强度、重量以及由此的飞行时间都有着至关重要的影响。同样地，框架2的尺寸及由此其直径影响飞行器1的空中性能：直径越大，飞行器飞行越稳定，但同时这也意味着更多的重量和更多的能耗。在优选实施例中，框架2包括一中心体21，多个相互等距的分支22径向离开所述中心体21。
飞行器1包括一主推进单元23(图11)，主推进单元23又包括至少一个马达，该马达被布置成旋转多个螺旋桨3。例如，飞行器1可包括多个马达，每个马达位于所述多个分支22中的一个分支22上，所述每个马达适于旋转一个螺旋桨3，使得飞行器1起飞，离开地面。安装在无人机上的马达是电动马达，并且通常为“无刷”型马达。或者，飞行器1可包括一单个马达，该单个马达适于通过相应的机械传动元件旋转所述多个螺旋桨3。
附图示出了包括六个螺旋桨3的飞行器1(六旋翼飞行器)，但是飞行器1上可以有三个马达(三旋翼飞行器)、四个马达(四旋翼飞行器)、八个马达(八旋翼飞行器)等。
飞行器1包括由控制器构成的一主控制单元，该控制器被配置成接收来自遥控单元的命令并且通过根据从其所配备的硬件和软件中导出的信息自动操作以使飞行器1在飞行过程中保持平衡等。所述遥控单元可以是遥控发射器，通过遥控发射器，远程飞行员可以控制主推进单元23，从而控制飞行器1的飞行。或者，遥控单元可以是陆地站或可以编写自动飞行程序的任何装置。
主控制单元与惯性测量单元(IMU)相连接，IMU包括一组电子元件，例如GPS天线、气压计、惯性测量仪器，例如陀螺仪和加速度计，这些电子元件允许控制单元在记录的因素的突然变化时做出更加积极的响应。
主控制单元被配置为从所述惯性测量单元接收多个飞行相关数据，其中通过惯性测量单元的测量得到所述多个飞行相关数据，同时该主控制单元还被配置为对所述多个飞行相关数据进行处理以确定飞行器1执行一个或多个动作。
主控制单元还包括至少一个接收器，该至少一个接收器被配置成在输入中接收来自主推进单元23的遥控单元的命令，以控制飞行器1的飞行。
另外，飞行器1包括一辅助飞行组件4，该辅助飞行组件4适于在飞行器1发生故障或紧急情况下进行干预。
辅助飞行组件4包括一附加控制单元5(图10)，该附加控制单元5由一自主控制单元构成且被配置为处理飞行相关数据，因为该辅助飞行组件4设有一附加惯性测量单元，该附加惯性测量单元包括多个传感器6，所述多个传感器适于检测一系列量级，其中至少包括飞行器1受到的加速度(线性加速度和角度加速度)，和环境压力，特别是飞行器1的高度的突然变化所引起的压力差。在这种情况下，附加控制单元5被配置为将从所述附加惯性测量单元接收的所述量与识别飞行器1的故障状况的极限值进行比较，以便识别飞行器1是否发生故障。
然后，辅助飞行组件4设有一附加接收器27，该附加接收器被配置成在输入中接收来自飞行器1的飞行的附加遥控单元70的命令。同样地，附加遥控单元70可以是发射器无线电控制、陆地站或能够编写自动飞行程序的装置。例如，附加遥控单元为无线电控制的情况下，附加遥控单元70可以与遥控单元一起集成到设备上。
附加控制单元5还被配置为监视无线电信号强度，该无线电信号强度使飞行器1与遥控单元70(例如，地面控制站(GCS))通信，并且该附加控制单元5被配置为将所述无线电信号强度与识别紧急情况的阈值进行比较。
此外，附加控制单元5被配置为通过所述遥控单元70识别紧急命令，例如，按下设有无线电控制单元70的紧急按钮，附加惯性测量单元的传感器6的故障或超过给定安全极限的螺旋桨3的旋转速度(所谓的“旋翼机超限”)。
如下面更详细讨论的，在飞行器1发生故障或出现紧急情况下，附加控制单元5被配置为，作为响应，产生激活命令S1并且同时产生阻断命令S2以阻断主推进单元23。
辅助飞行组件4包括一第一装置8，第一装置适于弹出放置在飞行器1的中心体21的上部中的第一隔室12(图3)内的上翼9，所述上翼9可通过连接到所述附加控制单元5的控制装置来进行操作，所述控制装置由所述遥控单元70控制。
第一装置8可以是例如紧急降落伞气动发射装置，如专利EP-0716015中所述的那种紧急降落伞气动发射装置。在这种装置中，通过命令打开快速排气阀，并释放存储在小储罐中的压缩气体，该小储罐装有压力计。储罐包含空气、氮气或不可燃气体。气体的逸出瞬间使膨胀室膨胀，膨胀室通过延伸使降落伞以可变加速度进行直线运动，降落伞分离，尽管降落伞通过多根电缆仍然保持在飞行器结构上。
类似地，第一装置8包括一储罐10(图4)，以高压(例如，在超过160巴的压力下)将压缩流体储存在所述储罐10中，所述储罐10设有一快速排气阀，该快速排气阀适于在飞行器1发生故障或在紧急情况下由所述激活命令S1机电激活，其中所述激活命令S1由所述附加控制单元5产生。
在飞行器1发生故障或紧急情况下，所述阀被配置为释放容纳在储罐10内的压缩流体，该储罐10位于一膨胀室11内，膨胀室11在飞行器1的所述第一隔室12内折叠成波纹管状，该膨胀室11通过管道24能够支撑产生的压力。
波纹管状膨胀室11适于由于储罐10引入其中的高压而快速膨胀，呈现出用于排出和展开上翼9的(或储罐的)锥形的形状(图5)。)。第一隔室12放置在飞行器1的上部，并包括铰接到飞行器1的框架2的封闭盖13(图1)，所述盖13适于在来自膨胀室11内部的瞬时推力偏差下打开。
特别地，所述上翼9由具有柔性特性的织物或其它材料制成，并且主要由两个半圆台形表面14和两个连接的顶点组成(图6-8)。这种机翼也被称为“罗加洛回收翼”。所述上翼9通过一对电缆15受限于飞行器1的框架2，所述一对电缆15又沿着其周边分散成连接到上翼9的多根电缆16，所述上翼9也设想一定向电缆19，该定向电缆19适于将上翼9的周边的至少一个点连接到所述控制装置。如接下来将详细说明的，控制装置适于通过从附加遥控单元70接收的远程命令将牵引力施加到所述定向缆线19，以使上翼9的结构变形，从而操纵该上翼。
辅助飞行组件4还包括一可膨胀下翼17(图5)，该可膨胀下翼17容纳在飞行器1的一第二隔室25中并且适于在飞行器1发生故障时使用，所述下翼17通过一出口通道18与膨胀室11流体连通；第二隔室25位于飞行器1的中心体21下方，并且还包括一封闭盖26(图2)。借助于先前用于使膨胀室11膨胀的流体使下翼17膨胀。实际上，膨胀室11在排出上翼9之后，膨胀室11包含与在较低压力下(例如，在2巴的压力下)膨胀的储罐10相同量的流体，所述流体流向所述出口通道18并使下翼17膨胀，所述下翼17凭借所获得的量打开所述封闭盖26并且定位在飞行器1的下方(图5)。
下翼17成形为与上翼9配合以保持飞行器的稳定性；通过这种方式，飞行员可以适当地管理机动飞行。换言之，下翼被成形为与上翼9配合，以便稳定飞行器的飞行。例如，下翼17可具有由国家航空咨询委员会NACA定义的标准化翼型形状。此外，下翼17还用作气囊，该气囊能够保护物体或人们不受到飞行器1的最有害零件的撞击。
在飞行器1发生故障或紧急情况下，辅助飞行组件4因而适于启动所述第一装置8以排出上翼9并适于使所述下翼17膨胀。特别地，附加控制单元5被配置成在将从附加惯性测量单元接收的数据(至少线性和角加速度和环境压力)与这些极限值进行比较之后，识别出飞行器1的故障状态时产生所述激活命令S1，或者，当使飞行器1与附加遥控单元70通信的无线电信号强度低于识别紧急情况的极限值时，产生所述激活命令S1；当在附加惯性测量单元中检测到故障或者检测到超过所述预定安全极限的螺旋桨3的转速时，也能产生所述激活命令S1。附加控制单元5被配置为当其从遥控单元70接收到紧急命令时也产生所述致动命令S1。
在激活命令S1的同时，附加控制单元5被配置为产生主推进单元23的所述阻断命令S2，该阻断命令S2适于中断螺旋桨3的旋转，以确保被排出的上翼9不会与螺旋桨3缠绕在一起。
上翼9和下翼17成形为产生飞行器1的连续转弯(向右或向左转弯)，而通过所述定向缆线19的远程牵引，可以产生直线轨迹状态或一转弯状态，该直线轨迹状态或转弯状态与由上翼9产生的方向相反，由此改变上翼9本身的形状。很容易理解所述控制装置如何易于实现，因为它们作用于单根电缆(所述定向电缆19)；这也意味着更高的安全性，因为单根电缆在打开时更难以与上翼9的其余结构缠绕在一起。
辅助飞行组件4可以包括一另一推进螺旋桨20(图9)，所述另一推进螺旋桨20也由遥控单元70控制并且在垂直于飞行器1的侧倾轴线的平面上操作，所述附加推进螺旋桨20使升力增加，这使得飞行器1能够继续执行任务。推力的增加还将使飞行器1的机动稳定性进一步增强，从而具有在强流或侧风的情况下继续飞行轨迹的能力。
在操作期间，当控制单元检测到飞行器1的故障状态或紧急情况时，同时产生致动命令S1和阻断命令S2，所述致动命令S1适于启动所述第一装置8以排出上翼9并使下翼17膨胀，而阻断命令S2适于停止飞行器1的主推进单元23。
如上所述，通过将飞行数据，特别是量级，例如至少加速度(线性加速度和角加速度)和环境压力与识别故障状态的极限值进行比较来检测故障状态，或者通过将附加遥控单元70的无线电信号强度与识别紧急状态的所述极限值进行比较来检测紧急状态。此外，在紧急命令的情况下，或者如果检测到附加惯性测量单元发生故障或旋翼机超限条件的故障，则由附加控制单元5产生所述致动命令S1和阻断命令S2。
上翼9借助于阀的开口被排出以对储罐10进行快速排气，这使得通过释放一开始在第一隔室12内折叠的膨胀室11内的压缩流体使其通过延伸打开第一隔室12的盖子13，并使上翼9进行直线运动，上翼9在空中展开，并且通过一对电缆15及其延伸部(电缆16)保持固定在飞行器1上。
在排出主翼之后，借助于所述出口通道18，包含在膨胀室11内的流体量在下翼17内部以较低的压力流动，从而使下翼17膨胀(图5)。
一旦辅助流体组件4被激活，上翼9和下翼17一起产生飞行器1的连续转弯(向右或向左转弯)，而通过所述遥控单元70，可以产生直线轨迹状态或一转弯状态，该转弯状态与由上翼9产生的转弯状态方向相反，由此改变上翼9的形状。借助于将牵引力施加到所述定向缆线19的控制装置，以使上翼9的结构变形，使得在发生故障或紧急情况下飞行器1可被继续操纵且能继续已经开始的任务。
在附加推进螺旋桨20的情况下，再次借助于附加遥控单元70，还可以借助于辅助飞行组件4增加飞行器1的推力，从而增加飞行器1的可操纵性。
在所述上翼9和下翼17的协同作用，飞行器1保持可被完全操纵，使得能够以绝对不会对飞行器1下的人们造成伤害的可控方式来处理飞行器1可能出现的故障或紧急情况，所述飞行器1本身保持完全可控。

Claims (12)

1.一种远程驾驶飞行器(1)，包括：一主推进单元(23)，所述主推进单元(23)具有适于使多个螺旋桨(3)旋转的至少一个引擎；和一主控制单元，包括至少一个接收器，所述至少一个接收器被配置为接收来自一遥控单元的命令，所述飞行器(1)的特征在于，包括一辅助飞行组件(4)，所述辅助飞行组件(4)适于在飞行器(1)发生故障或紧急情况下进行干预，所述辅助飞行组件(4)设有一附加控制单元(5)，所述附加控制单元(5)被配置为处理与飞行相关的数据且包括一附加接收器(27)，所述附加接收器(27)被配置为接收来自另一遥控单元(70)的命令，在发生故障或紧急情况时，所述附加控制单元(5)被配置为作为响应，产生一激活命令(S1)，所述激活命令(S1)适于激活一第一装置(8)，用于排出放置在所述飞行器(1)的一第一隔室(12)内的一上翼(9)，且所述激活命令(S1)适于使容纳在所述飞行器(1)的一第二隔室(25)内的一下翼(17)膨胀，同时所述附加控制单元(5)被配置为产生所述主推进单元(23)的一阻断命令(S2)，通过所述另一遥控单元(70)操纵所述上翼(9)，所述下翼(17)成形为与所述上翼(9)协作，以增加所述飞行器的稳定性。
2.根据权利要求1所述的飞行器(1)，其特征在于，所述附加控制单元(5)设有多个传感器(6)，用于检测一系列量级，其中包括至少检测所述飞行器(1)受到的线性加速度和角加速度，和环境压力，所述附加控制单元(5)被配置为将所述量级与识别所述飞行器(1)的故障状态的极限值进行比较，以识别出所述故障状态，同时作为响应，产生所述激活命令(S1)和所述阻断命令(S2)。
3.根据权利要求1所述的飞行器(1)，其特征在于，所述附加控制单元(5)被配置为监测所述无线电信号强度，所述无线电信号将所述飞行器(1)与所述另一遥控单元(70)连接，以及用于将所述无线电信号强度与识别紧急状况的一极限值进行比较，同时作为响应，产生所述激活命令(S1)和所述阻断命令(S2)。
4.根据权利要求1所述的飞行器(1)，其特征在于，所述附加控制单元(5)被配置为通过所述附加遥控单元(70)，所述传感器(6)中的故障以及超过一给定安全限速的飞行器速度识别一紧急命令，同时作为响应，产生所述激活命令(S1)和所述阻断命令(S2)。
5.根据权利要求1所述的飞行器(1)，其特征在于，所述第一装置(8)包括一膨胀室(11)，所述膨胀室(11)在所述飞行器(1)的所述第一隔室(12)内折叠成波纹管状且连接至一储罐(10)，其中以高压将压缩流体储存在所述储罐(10)中，所述储罐(10)设有一快速排气阀，所述快速排气阀适于在所述飞行器(1)发生故障或在紧急情况下由所述激活命令(S1)机电激活，其中所述激活命令(S1)由所述附加控制单元5产生，所述阀被配置为释放容纳在所述储罐(10)内的所述压缩流体，其中所述储罐(10)位于所述膨胀室11内，所述膨胀室(11)适于由于从所述储罐(10)引入其中的高压而快速膨胀，假设排出和展开所述上翼(9)的形状为圆锥形或圆柱形。
6.根据权利要求1所述的飞行器(1)，其特征在于，所述上翼(9)由具有柔性特性的织物或其它材料制成，并且主要由彼此连接的两个半圆台形表面(14)组成，所述上翼(9)通过一对电缆(15)连接至所述飞行器(1)的一框架(2)，
所述一对电缆(15)又沿着其周边分散成连接到所述上翼(9)的多根电缆(16)，
所述上翼(9)还提供一定向电缆(19)，所述定向电缆(19)适于将所述上翼(9)的至少一个点连接到所述控制装置。
7.根据权利要求6所述的飞行器(1)，其特征在于，通过连接到所述附加控制单元(5)的所述控制装置操作所述上翼(9)，所述控制装置适于通过从所述附加遥控单元(70)接收的远程命令牵引所述定向缆线(19)，以使所述上翼(9)的结构变形。
8.根据权利要求5所述的飞行器(1)，其特征在于，所述可膨胀下翼(17)通过一出口通道(18)与所述膨胀室(11)流体连通，借助于先前用于使所述膨胀室(11)膨胀的流体使所述下翼(17)膨胀。
9.根据权利要求1所述的飞行器(1)，其特征在于，所述下翼(17)具有由美国联邦机构NACA定义的标准化翼型形状。
10.根据前述权利要求中任一项所述的飞行器(1)，其特征在于，所述下翼(17)还用作气囊，所述气囊适于保护物体或人们不受到所述飞行器(1)的最有害零件的撞击。
11.根据权利要求6所述的飞行器(1)，其特征在于，所述上翼(9)和所述下翼(17)成形为产生所述飞行器(1)的连续转弯，向右或向左转弯，而通过所述定向缆线(19)的远程牵引，可以产生一直线轨迹条件或一转弯条件，所述直线轨迹条件或转弯条件与由所述上翼(9)产生的方向相反。
12.根据前述权利要求中任一项所述的飞行器(1)，其特征在于，所述辅助飞行组件(4)包括一另一推进螺旋桨(29)，所述另一推进螺旋桨(20)也由所述遥控单元(70)控制并且在垂直于所述飞行器(1)的侧倾轴线的平面上操作，所述附加推进螺旋桨(20)使升力增加。
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