CN110844101B - 一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，包括飞行部、操作台和辅助起落组件，飞行部起飞前与降落后停放于辅助起落组件上，操作台分别与飞行部、辅助起落组件通过无线信号连接。辅助起落组件包括落机平台、加速杆、加速管架和加速筒，加速筒设置于基础上，加速筒包括筒体和设置与筒体内部的线圈；加速管架包括加速管、限位弹簧，加速管竖直悬于筒体中心，加速管内表侧面设有凸块槽，限位弹簧设置在凸块槽内，加速管、限位弹簧均为塑料件；加速杆包括磁体柱和凸块，凸块设置于磁体柱下端侧面，磁体柱竖直插在中心孔内，凸块位于凸块槽内，磁体柱由永磁体制成，磁体柱的磁场方向与线圈通电后所产生的磁场方向相斥。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体是一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机。
背景技术
无人机在越来越多的领域被使用，无人机有时需要快速起飞，应对一些紧急情况。
现有技术中，民用的螺旋桨式无人机，起飞时完全依靠螺旋桨自身旋转所产生的力，当类似于消防类较为大型的、负重较大的无人机，起飞时又需要较长的准备时间，与其应用工况下（消防）所需要的快速反应有所矛盾，如何解决在一般场合下，无人机快速地达到起飞条件、起飞速度是某些无人机应用场合下急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，包括飞行部、操作台和辅助起落组件，飞行部起飞前与降落后停放于辅助起落组件上，操作台分别与飞行部、辅助起落组件通过无线信号连接。
辅助起落组件帮助飞行部在起飞时具有辅助加速作用，帮助其快速获得起飞速度，降落时提供缓冲，飞行部降落时即使下落速度较大，也能提供平稳的支撑平台并消除降落冲击力，操作台是操作者控制无人机的部件，控制飞行部的飞行路线、高度等参数，以及可以用于接收无人机所发回的视频信号等操作，是控制枢纽。
进一步的，辅助起落组件以电磁方式对飞行部进行起飞前加速与降落时的减速。电磁方式相比于气动或液压式的弹射方式，具有可控性好的特点，结构上都是电气设备，紧凑，易于制造与装配，相比于气缸、弹性绳等机械式加速方式，可靠性也高，不易损坏。电磁方式即通过磁极相斥的原理，通过电流形成具有一定方向与强度的磁场，以期托举起本身就是永磁体或也是通过电流构造出的具有方向性的升降磁体部件，升降磁体部件再去托举飞行部对其进行加速与减速。
进一步的，辅助起落组件包括落机平台、加速杆、加速管架和加速筒，加速筒设置于基础上，加速筒包括筒体和设置与筒体内部的线圈；线圈通电后产生磁场，方向遵循右手定则，
加速管架包括加速管、限位弹簧，加速管竖直悬于筒体中心，加速管的上端侧向延伸并固定到基础上，加速管中央具有中心孔，加速管内表侧面设有凸块槽，限位弹簧设置在凸块槽内，限位弹簧的压缩与释放方向为竖直，加速管、限位弹簧均为塑料件；
加速杆包括磁体柱和凸块，凸块设置于磁体柱下端侧面，磁体柱竖直插在中心孔内，凸块位于凸块槽内，磁体柱由永磁体制成，磁体柱的磁场方向与线圈通电后所产生的磁场方向相斥；
加速管是磁体柱的导向管，当线圈通电时，磁体柱受到磁力作用加速上升，上升的加速度可以通过改变线圈电流大小来控制，
落机平台包括平板，平板水平设置并在其上停放飞行部，平板侧向延伸而出并连接到磁体柱的顶端；平板连接着磁体柱顶端，从而磁体柱的上升能传递到平板上，平板上停放的飞行部也能获得上升加速度，当磁体柱上升到顶部后，飞行部已经具备起飞速度并离开平板，磁体柱依然具有上升速度，如果不加以限制，那么磁体柱会冲出加速管，所以，加入限位弹簧以便在最高点限制磁体柱的上升，凸块跟随磁体柱上升并接触上限位弹簧后即认定为辅助加速过程的结束。
线圈与操作台通过无线信号连接，控制通电状态与电流大小。
进一步的，加速管架还包括旋钮、第一位置传感器和第二位置传感器，旋钮铰接于凸块槽侧面槽底，旋钮位于限位弹簧的下方，旋钮的铰接轴为水平，旋钮具有两个朝向磁体柱的凸牙，磁体柱升降、凸块经过旋钮时，凸块拨动旋钮进行俯仰旋转，第一位置传感器设置于凸块槽侧面槽底，第一位置传感器位于旋钮背部，旋钮位于仰角姿态时，第一位置传感器与旋钮相接触并给出信号，第二位置传感器设置于加速管内底部，磁体柱落回加速管管底后，第二位置传感器给出信号，旋钮为塑料件，第一位置传感器、第二位置传感器均与操作台通过无线信号连接。
如果加速管内只有限位弹簧来限制凸块的上升极限的话，那么辅助加速结束后，线圈电流取消，磁体柱会掉落回加速管管底，从而在飞行部降落过程中，平板只是作为一个刚性平台，飞行部需要预先就通过自身的螺旋桨将下降速度降低至一定程度，否则飞行部降落时会有较大冲击，损伤飞行部的支腿部分。本发明通过在加速管内分别设置第一位置传感器和第二位置传感器，从而让操作台能够获知磁体柱的高度位置，飞行部起飞时，磁体柱从加速管底部离开，第二位置传感器给出信号，直至凸块上升到旋钮处并拨动旋钮使其仰起，其背后靠上第一位置传感器，作为飞行部起飞时加速过程的结束，信号量得以精确界定，原先的限位弹簧并不方便给出信号量，辅助加速结束后，飞行部离开平板，线圈电流消失，磁场消失，磁体柱回落时，凸块被旋钮挡住，旋钮具有一定的旋转阻力，只有凸块施加在旋钮上的旋转力矩超过旋转阻力时，磁体柱才能回落，而旋钮的旋转阻力设置时就使其大于加速杆和落机平台的整体重力施加于旋钮上而造成的旋转力矩，这样，磁体柱在上升加速过程结束后，会被停放在高处，等待飞行部下落到平板上，凸块得到足够的下落力克服掉旋钮旋转阻力，进入下落缓冲过程，下落缓冲过程的起始是旋钮背面离开第一位置传感器，终点是磁体柱的底部再次接触上加速管管底的第二位置传感器，下落缓冲过程线圈通电，从而磁体柱获得下落阻力，辅助飞行部进行减速，从而飞行部能够以较大的下落速度直接下落在平板上而不会损伤支腿部分。
进一步的，旋钮与凸块槽的铰接接触面上带有摩擦垫用以设定旋钮的旋转阻力，飞行部飞走后、凸块位于旋钮上方时，加速杆和落机平台的整体重力施加于旋钮上而造成的旋转力矩小于旋钮、凸块槽铰接面上的旋转阻力，旋转力矩小于旋转阻力的幅度为飞行部重量转化成的旋转力矩的10%~20%。摩擦垫可以用于调节旋钮的旋转阻力，使其大小正好使得加速杆和落机平台的整体重力造成的旋钮旋转力矩小于旋钮旋转阻力，而加上飞行部重量后能够超过旋钮旋转阻力从而越过旋钮。
作为优化，线圈通过胶黏的方式可拆式贴敷在筒体的内表圆柱面上。线圈通过胶黏的方式可以方便地去改变线圈圈数、轴向长度等尺寸，方便通过硬件参数而非电流大小去控制电磁场强度。
作为优化，落机平台还包括缓冲板、压力传感器和缓震器，缓冲板通过缓震器安装在平板上表面，缓冲板和平板之间缝隙的中央设置压力传感器，压力传感器与操作台通过无线信号连接。缓冲板、缓震器消除飞行部降落时的微小冲击力，而压力传感器可以用于帮助识别起飞速度，当飞行部自身螺旋桨造成的上升加速度大于平板时，飞行部会有脱离平板的趋势，此时压力传感器所受的压力逐渐减小，但此速度可能并不足以克服飞行部的重力使飞行部能够飞行起来，而是应当进一步增大平板的上升速度以便为飞行部提供更大的托举速度，即：当压力传感器受到的压力开始减小时，应当增大线圈电流，以更强的磁场驱动落机平台以更大的加速度上升，维持压力传感器所受压力的大小保持稳定，为飞行部提供与其上升速度相匹配的辅助加速度。
作为优化，飞行部包括螺旋桨和包裹于螺旋桨外围的球形罩，球形罩由弹性丝网制成。球形罩保护螺旋桨，防止螺旋桨触碰上异物。
作为优化，线圈第一位置传感器、第二位置传感器、压力传感器与操作台的无线连接方式为UWB超宽频连接。UWB超宽频可以以低延迟进行无线信号传输，适用于本发明各电气部件需要快速反应的需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过电流建立强度方向可调的磁场，用于辅助飞行部进行前期加速，可以帮助飞行部获得较大的起飞速度，达到快速起飞的目的；通过在加速管内设置旋钮以及两个位置传感器，可以在辅助加速起飞过程结束后，让落机平台停留在高处，然后飞行部降落时，落机平台与飞行部一同下落，再次以磁力作为下降时的缓冲力；平板上的压力传感器可以帮助操作台自动控制线圈电流大小，从而使得磁体柱的加速度与飞行部的上升速度相匹配；飞行部螺旋桨外包裹的球形罩可以防止飞行过程中螺旋桨触碰上异物造成损坏。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的视图A；
图3为图1中的视图B；
图4为图2中的视图C-C；
图5为本发明飞行部的外形示意图；
图6为本发明的起飞原理图。
图中：1-飞行部、11-螺旋桨、12-球形罩、2-落机平台、21-平板、22-缓冲板、23-压力传感器、24-缓震器、3-加速杆、31-磁体柱、32-凸块、4-加速管架、41-加速管、411-中心孔、412-凸块槽、42-旋钮、43-第一位置传感器、44-限位弹簧、5-加速筒、51-筒体、52-线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，包括飞行部1、操作台和辅助起落组件，飞行部1起飞前与降落后停放于辅助起落组件上，操作台分别与飞行部1、辅助起落组件通过无线信号连接。
辅助起落组件帮助飞行部1在起飞时具有辅助加速作用，帮助其快速获得起飞速度，降落时提供缓冲，飞行部1降落时即使下落速度较大，也能提供平稳的支撑平台并消除降落冲击力，操作台是操作者控制无人机的部件，控制飞行部1的飞行路线、高度等参数，以及可以用于接收无人机所发回的视频信号等操作，是控制枢纽。
辅助起落组件以电磁方式对飞行部1进行起飞前加速与降落时的减速。电磁方式相比于气动或液压式的弹射方式，具有可控性好的特点，结构上都是电气设备，紧凑，易于制造与装配，相比于气缸、弹性绳等机械式加速方式，可靠性也高，不易损坏。电磁方式即通过磁极相斥的原理，通过电流形成具有一定方向与强度的磁场，以期托举起本身就是永磁体或也是通过电流构造出的具有方向性的升降磁体部件，升降磁体部件再去托举飞行部1对其进行加速与减速。
如图1所示，辅助起落组件包括落机平台2、加速杆3、加速管架4和加速筒5，加速筒5设置于基础上，加速筒5包括筒体51和设置与筒体51内部的线圈52；线圈52通电后产生磁场，方向遵循右手定则，如图6所示，以图中方向行进的电流通过左旋（图6中显示的是剖切后的背面的线圈52，完整的线圈52为左旋的）布置的线圈52时，将产生N极朝上的磁场，
如图1、2、4所示，加速管架4包括加速管41、限位弹簧44，加速管41竖直悬于筒体51中心，加速管41的上端侧向延伸并固定到基础上，加速管41中央具有中心孔411，加速管41内表侧面设有凸块槽412，限位弹簧44设置在凸块槽412内，限位弹簧44的压缩与释放方向为竖直，加速管41、限位弹簧44均为塑料件；
加速杆3包括磁体柱31和凸块32，凸块32设置于磁体柱31下端侧面，磁体柱31竖直插在中心孔411内，凸块32位于凸块槽412内，磁体柱31由永磁体制成，磁体柱31的磁场方向与线圈52通电后所产生的磁场方向相斥；
加速管41是磁体柱31的导向管，磁体柱31为永磁体且N极在下，形成图6中的磁场布置，当线圈52通电时，磁体柱31受到磁力作用加速上升，上升的加速度可以通过改变线圈52电流大小来控制，
落机平台2包括平板21，平板21水平设置并在其上停放飞行部1，平板21侧向延伸而出并连接到磁体柱31的顶端；平板21连接着磁体柱31顶端，从而磁体柱31的上升能传递到平板21上，平板21上停放的飞行部1也能获得上升加速度，当磁体柱31上升到顶部后，飞行部1已经具备起飞速度并离开平板，磁体柱31依然具有上升速度，如果不加以限制，那么磁体柱31会冲出加速管41，所以，加入限位弹簧44以便在最高点限制磁体柱31的上升，凸块32跟随磁体柱31上升并接触上限位弹簧44后即认定为辅助加速过程的结束。
线圈52与操作台通过无线信号连接，控制通电状态与电流大小。
如图2、4所示，加速管架4还包括旋钮42、第一位置传感器43和第二位置传感器，旋钮42铰接于凸块槽412侧面槽底，旋钮42位于限位弹簧44的下方，旋钮42的铰接轴为水平，旋钮42具有两个朝向磁体柱31的凸牙，磁体柱31升降、凸块32经过旋钮42时，凸块32拨动旋钮42进行俯仰旋转，第一位置传感器43设置于凸块槽412侧面槽底，第一位置传感器43位于旋钮42背部，旋钮42位于仰角姿态时，第一位置传感器43与旋钮42相接触并给出信号，第二位置传感器设置于加速管41内底部，磁体柱31落回加速管41管底后，第二位置传感器给出信号，旋钮42为塑料件，第一位置传感器43、第二位置传感器均与操作台通过无线信号连接。
如果加速管41内只有限位弹簧44来限制凸块32的上升极限的话，那么辅助加速结束后，线圈52电流取消，磁体柱31会掉落回加速管41管底，从而在飞行部1降落过程中，平板21只是作为一个刚性平台，飞行部1需要预先就通过自身的螺旋桨11将下降速度降低至一定程度，否则飞行部1降落时会有较大冲击，损伤飞行部1的支腿部分。本发明通过在加速管41内分别设置第一位置传感器43和第二位置传感器，从而让操作台能够获知磁体柱31的高度位置，飞行部1起飞时，磁体柱31从加速管41底部离开，第二位置传感器给出信号，直至凸块32上升到旋钮42处并拨动旋钮42使其仰起，其背后靠上第一位置传感器43，作为飞行部1起飞时加速过程的结束，信号量得以精确界定，原先的限位弹簧44并不方便给出信号量，辅助加速结束后，飞行部1离开平板21，线圈52电流消失，磁场消失，磁体柱31回落时，凸块32被旋钮42挡住，如图2所示，旋钮42具有一定的旋转阻力，只有凸块32施加在旋钮42上的旋转力矩超过旋转阻力时，磁体柱31才能回落，而旋钮42的旋转阻力设置时就使其大于加速杆3和落机平台2的整体重力施加于旋钮42上而造成的旋转力矩，这样，磁体柱31在上升加速过程结束后，会被停放在高处，等待飞行部1下落到平板21上，凸块32得到足够的下落力克服掉旋钮42旋转阻力，进入下落缓冲过程，下落缓冲过程的起始是旋钮42背面离开第一位置传感器43，终点是磁体柱31的底部再次接触上加速管41管底的第二位置传感器，下落缓冲过程线圈52通电，从而磁体柱31获得下落阻力，辅助飞行部1进行减速，从而飞行部1能够以较大的下落速度直接下落在平板21上而不会损伤支腿部分。
旋钮42与凸块槽412的铰接接触面上带有摩擦垫用以设定旋钮42的旋转阻力，飞行部1飞走后、凸块32位于旋钮42上方时，加速杆3和落机平台2的整体重力施加于旋钮42上而造成的旋转力矩小于旋钮42、凸块槽412铰接面上的旋转阻力，旋转力矩小于旋转阻力的幅度为飞行部1重量转化成的旋转力矩的10%~20%。摩擦垫可以用于调节旋钮42的旋转阻力，使其大小正好使得加速杆3和落机平台2的整体重力造成的旋钮42旋转力矩小于旋钮42旋转阻力，而加上飞行部1重量后能够超过旋钮42旋转阻力从而越过旋钮42。
线圈52通过胶黏的方式可拆式贴敷在筒体51的内表圆柱面上。线圈52通过胶黏的方式可以方便地去改变线圈52圈数、轴向长度等尺寸，方便通过硬件参数而非电流大小去控制电磁场强度。
如图3所示，落机平台2还包括缓冲板22、压力传感器23和缓震器24，缓冲板22通过缓震器24安装在平板21上表面，缓冲板22和平板21之间缝隙的中央设置压力传感器23，压力传感器23与操作台通过无线信号连接。缓冲板22、缓震器24消除飞行部1降落时的微小冲击力，而压力传感器23可以用于帮助识别起飞速度，当飞行部1自身螺旋桨11造成的上升加速度大于平板21时，飞行部1会有脱离平板21的趋势，此时压力传感器23所受的压力逐渐减小，但此速度可能并不足以克服飞行部1的重力使飞行部1能够飞行起来，而是应当进一步增大平板21的上升速度以便为飞行部1提供更大的托举速度，即：当压力传感器23受到的压力开始减小时，应当增大线圈52电流，以更强的磁场驱动落机平台2以更大的加速度上升，维持压力传感器23所受压力的大小保持稳定，为飞行部1提供与其上升速度相匹配的辅助加速度。
飞行部1包括螺旋桨11和包裹于螺旋桨11外围的球形罩12，球形罩12由弹性丝网制成。球形罩12保护螺旋桨11，防止螺旋桨11触碰上异物。
线圈52第一位置传感器43、第二位置传感器、压力传感器23与操作台的无线连接方式为UWB超宽频连接。UWB超宽频可以以低延迟进行无线信号传输，适用于本发明各电气部件需要快速反应的需求。
本发明的主要使用过程是：操控者通过操作台控制飞行部1起飞，线圈52通电，建立电磁场，磁体柱31受到磁力作用而加速上升，其连接着的落机平台2加速上升为飞行部1提供辅助加速；飞行部1降落时，以较大的速度落在平板21上，凸块32拨转旋钮42，线圈52再次通电，磁力作为缓冲力，帮助飞行部1下落速度降低。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述无人机包括飞行部(1)、操作台和辅助起落组件，所述飞行部(1)起飞前与降落后停放于辅助起落组件上，所述操作台分别与飞行部(1)、辅助起落组件通过无线信号连接；
所述辅助起落组件以电磁方式对飞行部(1)进行起飞前加速与降落时的减速；
所述辅助起落组件包括落机平台(2)、加速杆(3)、加速管架(4)和加速筒(5)，所述加速筒(5)设置于基础上，加速筒(5)包括筒体(51)和设置与筒体(51)内部的线圈(52)；
所述加速管架(4)包括加速管(41)、限位弹簧(44)，所述加速管(41)竖直悬于筒体(51)中心，加速管(41)的上端侧向延伸并固定到基础上，加速管(41)中央具有中心孔(411)，加速管(41)内表侧面设有凸块槽(412)，所述限位弹簧(44)设置在凸块槽(412)内，限位弹簧(44)的压缩与释放方向为竖直，所述加速管(41)、限位弹簧(44)均为塑料件；
所述加速杆(3)包括磁体柱(31)和凸块(32)，所述凸块(32)设置于磁体柱(31)下端侧面，所述磁体柱(31)竖直插在中心孔(411)内，所述凸块(32)位于凸块槽(412)内，所述磁体柱(31)由永磁体制成，磁体柱(31)的磁场方向与线圈(52)通电后所产生的磁场方向相斥；
所述落机平台(2)包括平板(21)，所述平板(21)水平设置并在其上停放飞行部(1)，平板(21)侧向延伸而出并连接到磁体柱(31)的顶端；
所述线圈(52)与操作台通过无线信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述加速管架(4)还包括旋钮(42)、第一位置传感器(43)和第二位置传感器，所述旋钮(42)铰接于凸块槽(412)侧面槽底，旋钮(42)位于限位弹簧(44)的下方，旋钮(42)的铰接轴为水平，所述旋钮(42)具有两个朝向磁体柱(31)的凸牙，磁体柱(31)升降、凸块(32)经过旋钮(42)时，凸块(32)拨动旋钮(42)进行俯仰旋转，所述第一位置传感器(43)设置于凸块槽(412)侧面槽底，第一位置传感器(43)位于旋钮(42)背部，所述旋钮(42)位于仰角姿态时，第一位置传感器(43)与旋钮(42)相接触并给出信号，所述第二位置传感器设置于加速管(41)内底部，磁体柱(31)落回加速管(41)管底后，第二位置传感器给出信号，所述旋钮(42)为塑料件，所述第一位置传感器(43)、第二位置传感器均与操作台通过无线信号连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述旋钮(42)与凸块槽(412)的铰接接触面上带有摩擦垫用以设定旋钮(42)的旋转阻力，飞行部(1)飞走后、凸块(32)位于旋钮(42)上方时，加速杆(3)和落机平台(2)的整体重力施加于旋钮(42)上而造成的旋转力矩小于旋钮(42)、凸块槽(412)铰接面上的旋转阻力，旋转力矩小于旋转阻力的幅度为飞行部(1)重量转化成的旋转力矩的10％～20％。
4.根据权利要求2所述的一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述线圈(52)通过胶黏的方式可拆式贴敷在筒体(51)的内表圆柱面上。
5.根据权利要求2所述的一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述落机平台(2)还包括缓冲板(22)、压力传感器(23)和缓震器(24)，所述缓冲板(22)通过缓震器(24)安装在平板(21)上表面，缓冲板(22)和平板(21)之间缝隙的中央设置压力传感器(23)，所述压力传感器(23)与操作台通过无线信号连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述飞行部(1)包括螺旋桨(11)和包裹于螺旋桨(11)外围的球形罩(12)，所述球形罩(12)由弹性丝网制成。
7.根据权利要求5所述的一种具有自我保护功能且可快速起落的无人机，其特征在于：所述线圈(52)、第一位置传感器(43)、第二位置传感器、压力传感器(23)与操作台的无线连接方式为UWB超宽频连接。
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