CN111186551B - 一种水母飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水母飞行器，属于飞行器领域。本发明提供的水母飞行器，包括外囊体、支撑杆以及有效载荷舱，其中外囊体内部分割形成三个环形腔室：第一环形腔室中有提供升力的中心气囊；第二环形腔室内每个环形子腔室中有用于通过充放气提供推力的气球；第三环形腔室中具有姿态调节单元。本发明解决了同类微小飞行器不能携带较重有效载荷的问题以及同类飞行器提供的推进方式单一、推力有限且不能调整飞行姿态的缺陷。

Description

一种水母飞行器

技术领域

本发明涉及一种飞行器，具体涉及一种水母飞行器，属于飞行器领域。

背景技术

在飞行器研制中，许多生物为飞行器的发明和改进提供了思路。水和空气同样具有流体的特点，在空气中运动和水中运动有着较高的相似度，因此，水中生物运动也被用来研究设计飞行器，美国纽约大学的研究人员曾研制出具有四个“翅膀”的微小飞行器，飞行器利用四个“翅膀”的拍动将自身下方的空气压缩然后“喷”出，以此让飞行器在空中运动。然而，这种飞行器是一种微小飞行器，不能携带较重的有效载荷。

现有技术中，专利文献CN202624624U提供了一款仿水母飞行器，借助支架在牵引绳牵引作用下发生变形，使得充气囊不断收缩、扩张，对气囊下方的空气挤压，形成推力使飞行器在空中运动。但是这款飞行器提供的推进方式单一、推力有限且不能调整飞行姿态。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有多种推进方式、能调整飞行姿态并且能够携带诸如相机、灯具甚至货物等有效载荷的仿生水母的水母飞行器。

本发明提供了一种水母飞行器，具有这样的特征，包括：有效载荷舱，用于携带有效载荷；外囊体，具有下层以及上层，下层与上层之间形成有空腔，下层的下表面上具有多个出气口，上层的上表面上具有多个充气口，用于提供飞行动力；支撑杆，一端与在外囊体的下层连接，另一端与有效载荷舱连接；第一间隔板，设置在外囊体内，用于在外囊体内部中心位置与外囊体形成第一环形腔室；第二间隔板，设置在外囊体内，用于在外囊体内部边缘位置与外囊体形成第三环形腔室，在第一环形腔室以及第三环形腔室之间与第一间隔板以及外囊体形成第二环形腔室；中心气囊，内部充有氢气或氦气，设置在第一环形腔室内；多个侧板，周向均匀地设置在第二环形腔室内，将第二环形腔室分隔成多个环形子腔室，每个环形子腔室内设置有一个气球；以及姿态调整单元，用于调整水母飞行器飞行姿态，其中，气球具有：气球本体，具有上开口以及下开口；第一阀门，设置在气球本体上开口处；进风气扇，设置在气球本体以及第一阀门之间，用于将外囊体外部的气流通过充气口充入气球本体中；第二阀门，设置在气球本体下开口处，当第二阀门开启时，气球本体内的气体通过出气口排出。

在本发明提供的水母飞行器中，还可以具有这样的特征：其中，姿态调整单元包括：多个外侧气囊，充有氢气或氦气，均匀地设置在第三环形腔室内；以及多个伸缩致动器，设置在每两个相邻的外侧气囊之间。

在本发明提供的水母飞行器中，还可以具有这样的特征，还包括：弯曲致动单元，用于控制外囊体的形状从而提供动力，其中，弯曲致动单元包括：多组金属片组件，沿外囊体母线并呈周向均匀设置，每组金属片组件具有设置在外囊体内表面的内金属片以及设置在外囊体外表面且与内金属片位置相对应的外金属片；以及多组加热器，用于对金属片组件进行加热。

在本发明提供的水母飞行器中，还可以具有这样的特征：其中，金属片由记忆合金制成。

在本发明提供的水母飞行器中，还可以具有这样的特征：其中，设置在外囊体上层下表面的内金属片或设置在外囊体下层下表面的外金属片中的宽度大于设置在外囊体上层上表面的外金属片或设置在外囊体下层上表面的内金属片的宽度。

在本发明提供的水母飞行器中，还可以具有这样的特征，还包括：绳索牵引单元，用于与竖直设置在支撑杆上的滑槽相配合，通过绳索牵引改变外囊体的形状从而提供动力，其中，绳索牵引单元包括：多个滑块，可滑动地设置在滑槽内；环形支撑架，套设在所述支撑杆外；多个连接耳片，一端与滑块连接，另一端与环形支撑架连接；以及多根牵引绳索，一端连接在环形支撑架上，另一端连接在外囊体下层。

在本发明提供的水母飞行器中，还可以具有这样的特征，还包括：支撑板，设置在外囊体下层下表面中部，用于连接外囊体以及支撑杆。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的水母飞行器，因为具有中心气囊、多个气球以及姿态调整单元，所以，本发明的水母飞行器不仅具有足够的升力和推力从而能携带有效载荷，并且能够有效快捷地调整飞行姿态从而扩大了其应用前景。

附图说明

图1是本发明的实施例中水母飞行器展开状态时顶部结构示意图；

图2是本发明的实施例中水母飞行器伞体结构展开状态时底部结构示意图；

图3是本发明的实施例中水母飞行器伞体结构收拢状态时的结构示意图；

图4a是本发明的实施例中水母飞行器除去外囊体后的顶部结构示意图；

图4b是本发明的实施例中图4a中A区域的局部放大图；

图5是本发明的实施例中除去外囊体后的底部结构示意图；

图6是本发明的实施例中绳索牵引单元结构示意图；

图7是本发明的实施例中环形子腔室中气球充气原理图；

图8是本发明的实施例中环形子腔室中气球放气原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明的实施例中水母飞行器展开状态时顶部结构示意图。图2是本发明的实施例中水母飞行器伞体结构展开状态时底部结构示意图。图3是本发明的实施例中水母飞行器伞体结构收拢状态时的结构示意图。图4a是本发明的实施例中水母飞行器除去外囊体后的顶部结构示意图。图4b是本发明的实施例中图4a中A区域的局部放大图。图5是本发明的实施例中除去外囊体后的底部结构示意图。

如图1-5所示，本实施例提供的水母飞行器100包括：有效载荷舱4、外囊体7、支撑杆11、支撑板19、第一间隔板12、第二间隔板14、中心气囊6、侧板13、气球17、姿态调整单元20、绳索牵引单元9、弯曲致动单元21以及控制器(图中未示出)。

有效载荷舱4用于携带有效载荷，有效载荷包括相机、灯具、货物等，当有效载荷舱4携带相机时，本实施例提供的水母飞行器100可用于进行航拍；当有效载荷舱4携带灯具时，本实施例提供的水母飞行器100可用于夜间照明；当有效载荷舱4携带货物时，本实施例提供的水母飞行器100可用于运输货物。

外囊体7，呈伞状结构，包括下层和上层。上层具有多个与气球17相配合使用的充气口5，下层具有多个与气球17相配合使用的出气口10。

在本实施例中，当水母飞行器100处于展开状态时，上层呈圆盖状并包覆在下层上方，从而在上层和下层之间形成空腔。

在本实施例中，外囊体7由弹性材料制成，从而满足其收拢和展开的要求。

支撑板19，呈圆形，固定在外囊体7下层下表面中心位置。

支撑杆11一端与在外囊体7的下层连接，另一端与有效载荷舱4连接，支撑杆11在同一高度上具有多个竖直的滑槽111。

第一间隔板12设置在外囊体7内，用于在外囊体7内部中心位置与外囊体7形成第一环形腔室1。

第二间隔板14设置在外囊体7内，用于在外囊体7内部边缘位置与外囊体7形成第三环形腔室3，同时在第一环形腔室1以及第三环形腔室3之间与第一间隔板12以及外囊体7形成第二环形腔室2。

侧板13周向均匀地设置在第二环形腔室2内，将第二环形腔室2分隔多个环形子腔室。具体地，在本实施例中，侧板13的数量为12个，共分隔出12个大小相同的环形子腔室。

中心气囊6设置在第一环形腔室1内，内部充有氦气，用于给水母飞行器100提供上升力。

气球17设置在环形子腔室内。每个环形子腔室内，都设置有一个气球17。在本实施例中共设置了12个气球17。

图7是本发明的实施例中环形子腔室中气球充气原理图。图8是本发明的实施例中环形子腔室中气球放气原理图。

如图7-8所示，每个气球17包括：气球本体171、第一阀门51、进气风扇18以及第二阀门101。

气球本体171具有上开口以及下开口。

第一阀门51设置在气球本体171的上开口处。

进风气扇18设置在气球本体171以及第一阀门51之间，用于将外囊体7外部的气流通过充气口5充入气球本体171中。

第二阀门101设置在气球本体171下开口处，当第二阀门101开启时，气球本体171内的气体通过出气口10排出。

姿态调整单元20包括：多个外侧气囊15以及多个伸缩致动器16。

外侧气囊15均匀地设置在第三环形腔室3内。在本实施例中，外侧气囊15的数量为6个，每个外侧气囊15中均充有氦气。

伸缩致动器16设置在每两个相邻的外侧气囊15之间，受控制器驱动进行伸缩。

伸缩致动器16通过自身的伸缩来调整外侧气囊15在第三环形腔室内的位置，从而调整水母飞行器100的升力分布改变力矩，由此改变水母飞行器100的飞行姿态和飞行方向。

图6是本发明的实施例中绳索牵引单元结构示意图。

如图6所示，绳索牵引单元9用于与支撑杆11上的滑槽111相配合，通过绳索牵引改变外囊体7的形状从而提供动力，包括：滑块94、环形支撑架92、连接耳片93以及牵引绳索91。

滑块94可滑动地设置在滑槽111内，受控制器控制沿滑槽上下运动。

环形支撑架92套设在支撑杆11外部，通过连接耳片93与滑块94连接，通过牵引绳索91与外囊体7下层连接。

连接耳片93一端连接在滑块的两个侧面上，另一端与环形支撑架92连接。

牵引绳索91一端连接在环形支撑架92上，另一端连接在外囊体7下层。

在本实施例中，整个绳索牵引单元9以外囊体7下层的圆心为对称中心对称设置。

弯曲致动单元21用于控制外囊体7的形状从而提供动力，包括：多组金属片组件8以及多组加热器(图中未示出)。

每组金属片组件8包括下层内金属片81、下层外金属片82、上层内金属片83以及上层外金属片84。

同组金属片组件8沿同一外囊体母线设置。多组金属片组件8均匀设置在外囊体7上。在本实施例中，共有12组金属片组件8，所有金属片组件8均由记忆合金制成，多组金属片组件8相配合将外囊体7夹持住。

下层内金属片81设置在外囊体7下层上表面上，宽度较窄。

下层外金属片82设置在外囊体7下层下表面上，宽度较宽。

上层内金属片83设置在外囊体7上层下表面上，宽度较宽。

上层外金属片84设置在外囊体7上层上表面上，宽度较窄。

此处的宽与窄仅仅相对于同一组内的金属片而言。

加热器用于对金属片组件进行加热，当对较宽的记忆合金片加热时，较宽的记忆合金片向内侧弯曲，实现外囊体7上层和下层材料向外囊体7内侧弯曲；当对较窄的记忆合金片加热时，实现较窄的记忆合金片向外侧弯曲，从而加快外囊体7上部和下部材料向外侧恢复变形的速度。在本实施例中，使用的加热器为电加热器。

控制器具有无线通讯功能，用于接收信号，从而控制水母飞行器100的飞行，具体地，在本实施例中，控制器可以对进气风扇18、第一阀门51、第二阀门101、滑块94、伸缩致动器16以及加热器进行控制。

本实施例提供的水母飞行器100的工作方式如下：

当水母飞行器100在空中飞行时，中心气囊6和外侧气囊15提供的升力与水母飞行器100的重力平衡，实现水母飞行器100在空中的悬停。

当水母飞行器100需要在空中进行姿态调整时，通过控制伸缩致动器16的伸长和缩短调整外侧气囊15在第三环形腔室3的位置，进而调整水母飞行器100周向上的升力分布，改变绕水母飞行器100机身坐标系的力矩，由此改变水母飞行器100的飞行姿态和飞行方向。

具体地，本实施例提供的水母飞行器100有以下4种推进方式：

实现推进的方式1：

通过移动滑块94在滑槽111中的位置，带动牵引绳索91以改变外囊体7的展开和收拢状态，压缩并挤出外囊体7伞体结构下方的空气，实现飞行器的推进。滑块94停留在滑槽111中的不同位置，以维持外囊体7的伞体结构不同收拢程度的外形。

实现推进的方式2：

通过加热器交替加热同组金属片组件8中宽、窄不同的金属片，控制外囊体7伞体结构的收拢和展开，压缩并挤出外囊体7伞体结构下方的空气从而实现飞行器的推进。

具体而言，在需要驱动外囊体7收拢变形时，加热器加热位于外囊体7上层内表面和下层外表面较宽的记忆合金，使其向内侧中心弯曲，窄的记忆合金具有较小的阻碍变形的能力；当需要恢复收拢前的形态时，加热位于外囊体7上层外表面和下层内表面较窄的记忆合金金属片，使其反向朝外側弯曲，加速恢复外囊体7形态，在窄的记忆合金金属片加热期间，由于宽的记忆合金金属片不再被加热，经过环境冷却以逐步恢复形貌，对外囊体形态恢复阻碍逐渐减缓。

实现推进的方式3：

打开第一阀门51、关闭第二阀门101，启动进气风扇18，将外囊体7外部的气流引入第二环形腔室2内的气球17中，当达到一定充气量后，关闭第一阀门51、打开第二阀门101，将气流经气球17下部出气口10喷出从而实现飞行器的推进。

实现推进的方式4：

为了弥补可能出现的单一推进方式产生的推力不足，将上述推进方式1-3两两结合或三者一同协作实现飞行器的推进。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的水母飞行器，因为具有中心气囊、多个气球以及姿态调整单元，所以，本实施例的水母飞行器不仅具有足够的升力和推力从而能携带有效载荷，并且能够有效快捷地调整飞行姿态从而扩大了其应用前景。

进一步地，根据本实施例所涉及的水母飞行器，因为还具有弯曲致动单元以及绳索牵引单元，所以，本实施例的水母飞行器具有多种不同类型的推进方式，从而解决了可能出现的单一推进方式产生的推力不足的问题。

进一步地，根据本实施例所涉及的水母飞行器，因为同一组金属片组件中具有宽度不同的两种金属片，所以，本实施例的水母飞行器能够在较短时间完成收拢变形和恢复形态，从而能够提供更多的升力。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水母飞行器，用于携带有效载荷进行飞行，其特征在于，包括：

有效载荷舱，用于携带所述有效载荷；

外囊体，具有下层以及上层，所述下层与所述上层之间形成有空腔，所述下层的下表面上具有多个出气口，所述上层的上表面上具有多个充气口，用于提供飞行动力；

支撑杆，一端与在所述外囊体的下层连接，另一端与所述有效载荷舱连接；

第一间隔板，设置在所述外囊体内，用于在所述外囊体内部中心位置与所述外囊体形成第一环形腔室；

第二间隔板，设置在所述外囊体内，用于在所述外囊体内部边缘位置与所述外囊体形成第三环形腔室，在所述第一环形腔室以及所述第三环形腔室之间与所述第一间隔板以及所述外囊体形成第二环形腔室；

中心气囊，内部充有氢气或氦气，设置在所述第一环形腔室内；

多个侧板，周向均匀地设置在所述第二环形腔室内，将所述第二环形腔室分隔成多个环形子腔室，每个所述环形子腔室内设置有一个气球；以及

姿态调整单元，用于调整所述水母飞行器飞行姿态，

其中，所述气球具有：

气球本体，具有上开口以及下开口；

第一阀门，设置在所述气球本体上开口处；

进风气扇，设置在所述气球本体以及所述第一阀门之间，用于将所述外囊体外部的气流通过所述充气口充入所述气球本体中；

第二阀门，设置在所述气球本体下开口处，当所述第二阀门开启时，所述气球本体内的气体通过所述出气口排出。

2.根据权利要求1所述的水母飞行器，其特征在于：

其中，所述姿态调整单元包括：

多个外侧气囊，充有氢气或氦气，均匀地设置在所述第三环形腔室内；以及

多个伸缩致动器，设置在每两个相邻的所述外侧气囊之间。

3.根据权利要求1所述的水母飞行器，其特征在于，还包括：

弯曲致动单元，用于控制所述外囊体的形状从而提供动力，

其中，所述弯曲致动单元包括：

多组金属片组件，沿所述外囊体母线并呈周向均匀设置，每组所述金属片组件具有设置在所述外囊体内表面的内金属片以及设置在所述外囊体外表面且与所述内金属片位置相对应的外金属片；以及

多组加热器，用于对所述金属片组件进行加热。

4.根据权利要求3所述的水母飞行器，其特征在于，

其中，所述金属片由记忆合金制成。

5.根据权利要求3所述的水母飞行器，其特征在于，

其中，设置在所述外囊体上层下表面的内金属片或设置在所述外囊体下层下表面的外金属片中的宽度大于设置在所述外囊体上层上表面的外金属片或设置在所述外囊体下层上表面的内金属片的宽度。

6.根据权利要求1所述的水母飞行器，其特征在于，还包括：

绳索牵引单元，用于与竖直设置在所述支撑杆上的滑槽相配合，通过绳索牵引改变所述外囊体的形状从而提供动力，

其中，所述绳索牵引单元包括：

多个滑块，可滑动地设置在所述滑槽内；

环形支撑架，套设在所述支撑杆外；

多个连接耳片，一端与所述滑块连接，另一端与所述环形支撑架连接；以及

多根牵引绳索，一端连接在所述环形支撑架上，另一端连接在所述外囊体下层。

7.根据权利要求1所述的水母飞行器，其特征在于，还包括：

支撑板，设置在所述外囊体下层下表面中部，用于连接所述外囊体以及所述支撑杆。

Images