CN111452979A - 一种除冰装置及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种除冰装置及无人机，在每个机翼表面安装柔性加热器、电容传感器及喷涂一层超疏水涂层，根据冰和水的介电常数不同及介电常数随着温度的变化不同，当机翼上结冰时，电容器的介电常数发生变化，进而导致电容器的电容发生变化，电容传感器将这种变化信号传递给控制器，控制器根据电容量控制柔性加热器的工作状态，实现机翼的除冰；此外，超疏水涂层可使过冷的水滴撞击在机翼表面后直接滚落，而不会粘附在机翼表面后凝固结冰；同时，超疏水涂层还可以防止回流结冰，即超疏水涂层可使机翼前缘的结冰融化后产生的水直接会从机翼表面滚落，而不会向机翼后缘流去导致机翼表面上的再次结冰。

Description

一种除冰装置及无人机
技术领域
本发明属于无人机除冰技术领域，特别涉及一种除冰装置及无人机。
背景技术
目前由于无人机(UAVs)相对于有人驾驶飞机，可以在特殊场所作业且具有更叫高效、更加经济和更加安全等特点，已被广泛运用，例如从民用的植保救灾到军用的情报侦察等等。但由于无人机的飞行高度一般较低及飞行时间较长，在含有大量冻雨或有雪的天气情况下飞行时容易导致机翼上结冰，一旦机翼上结冰将会给无人机的飞行安全带来极大的威胁。
通常情况下，飞机上开始结冰的地方是区域半径最小的机翼前缘处。过冷的水滴撞击到飞机机翼前缘后凝固和累积就会导致结冰。结冰通常有两种不同的形式：雾凇和明冰，前者通常在-15℃至-20℃的温度下形成，后者通常在2℃到-10℃的温度下形成。其中明冰是更为危险的，因为雾凇的表面粗糙，不易成型且容易脱落；而明冰会在机翼表面凝结成各种形状，例如槽状和楔形等等，且表面光滑，坚固透明。机翼上凝结的这些冰块会导致流经机翼表面的气流分离，机翼产生升力的能力也随之减小，同时湍流边界层的面积和厚度不断增加，直到气流完全分离并最终会导致飞机失速。总之，机翼表面结冰不仅会增加飞机重量，降低机翼产生升力的能力，还增大了阻力和飞机失速的风险。
而目前相对于有人驾驶飞机，无人机的动力和有效载荷一般都很有限，所以对功耗和载重的要求也比有人驾驶飞机严苛。在这种情况下，现有很多常规的无人机机翼结冰检测和除冰的系统都显得过于笨重。承载这样的系统，将不仅会耗费更多的动力还减少了飞机的有效载荷，进而将牺牲包括飞机的续航、任务半径和有效载荷等的任务性能作为代价。
因此设计一种轻质的，低功耗的，同时可以保证具备良好的工作性能和工作稳定性的无人机机翼结冰检测和除冰系统就显得格外重要。
发明内容
针对无人机表面结冰导致阻力增大和飞机失速的问题，本发明提供一种除冰装置及无人机，实现自动检测机翼是否结冰和自动除冰的功能，且系统响应速度快，工作稳定性好，安装和维护方便。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种除冰装置，包括多个电容传感器、柔性加热器和控制器；
所述柔性加热器用于覆盖在物体表面，电容传感器设置在柔性加热器的顶面，电容传感器和柔性加热器分别与控制器连接；
所述控制器根据物体表面温度变化导致的电容变化量，输出柔性加热器的开关动作。
优选的，所述柔性加热器和电容传感器的表面覆盖有防护层。
优选的，所述柔性加热器粘接在物体表面。
优选的，所述柔性加热器铺设在第一保护膜层的表面，第一保护膜层的底部涂覆有粘合剂层，柔性加热器的顶部铺设第二保护膜层，电容传感器设置在第二保护膜层的表面，电容传感器的表面铺设第三保护膜层。
优选的，所述柔性加热器由碳纳米管材料制成。
优选的，所述电容传感器是介质变化型传感器。
一种无人机，所述无人机的结冰区域覆盖权利要求1-6任一项所述的除冰装置。
优选的，所述柔性加热器覆盖在机翼前缘，并沿机翼的上表面和下表面向机翼后缘延伸。
优选的，所述柔性加热器覆盖机翼面积占机翼总面积的15％。
优选的，所述柔性加热器至机翼后缘之间的区域喷涂有超疏水涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出了一种除冰装置，将柔性加热器覆盖在需要阻止结冰的物体表面，同时将电容传感器设置在柔性加热器的顶面，由于冰和水的介电常数不同，两者的介电常数随温度变化也不同，冰的介电常数随着冰的温度降低而增加，水的介电常数随着水的温度升高而降低；所以当介电常数变化时，会导致电容变化，则可根据电容传感器测得的电容变化量快速检测出机翼上是否结冰；当检测到结冰时，控制器开启柔性加热器，柔性加热器可在短时间内迅速提高物体表面温度来融化其表面的结冰，当结冰完全融化时，控制器关闭加热器，实现自动除冰的目的。
进一步，采用多层保护膜对柔性加热器和电容传感器进行隔离保护，避免和周围器件相互干扰，同时也便于安装。
进一步地，介质变化型电容传感器具有环境适应性强，动态响应好和灵敏度高的特点；此外，冰和水的介电常数不同，以及冰和水的介电常数随温度变化不同，则可根据电容传感器测得的电容变化快速检测出机翼上是否结冰。
进一步地，相比于常规的导电导热材料，碳纳米管材料除了质量轻，还具有强度高、导电导热性能好、耐腐蚀、化学性质稳定和静电屏蔽等优势。通过电容传感器，一旦检测到机翼结冰，控制器开启加热器加热，可快速提升机翼表面温度，达到快速除冰的效果。
本发明提供的无人机，在机翼的表面设置除冰装置，实现了机翼的结冰检测和除冰目的，同时碳纳米管材料质量轻，可大大降低除冰装置的总重量，整个装置总重可保证在200g以下，总功耗低于15瓦。显然，系统重量轻，功耗小，进而间接地增加了飞机的航程航时和有效载荷等，同时系统结构简易，安装和修护方便。
进一步地，超疏水涂层可以有效御制过冷的水滴吸附在机翼表面结冰，同时还可防止回流结冰。
附图说明
图1为本发明无人机俯视图；
图2为本发明机翼的局部放大图；
图3为本发明柔性加热装置的结构图；
图4为本发明实施例1除冰装置的结构框图。
图中：10为机身，11为机载电源，12为机翼，13为机翼前缘，14为机翼后缘，15为控制器，16为电容传感器，17为超疏水涂层，18为柔性加热器，30为机翼表面，31为粘合剂层，32为第一保护膜层，34为第二保护膜层，35为第三保护膜层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1，一种除冰装置，包括多个电容传感器16、柔性加热器18和控制器15。
所述柔性加热器18贴覆在物体表面，电容传感器16设置在柔性加热器的顶面，电容传感器16和柔性加热器18分别与控制器15连接。
控制器15根据物体表面温度变化导致的电容变化量，输出柔性加热器的开关动作。
本发明提供的一种除冰装置，将柔性加热器18覆盖在需要阻止结冰的物体表面，同时将电容传感器16设置在柔性加热器的顶面，由于冰和水的介电常数不同，两者的介电常数随温度变化也不同，冰的介电常数随着冰的温度降低而增加，水的介电常数随着水的温度升高而降低；所以当介电常数变化时，会导致电容变化，则可根据电容传感器测得的电容变化量快速检测出机翼上是否结冰；当检测到结冰时，控制器开启柔性加热器，柔性加热器可在短时间内迅速提高物体表面温度来融化其表面的结冰，当结冰完全融化时，控制器关闭加热器，实现自动除冰的目的。
具体的，所述柔性加热器铺设在第一保护膜层32的表面，第一保护膜层32的底部涂覆有粘合剂层31，柔性加热器18的顶部铺设第二保护膜层34，电容传感器16设置在第二保护膜层34的表面，电容传感器16的表面铺设第三保护膜层35。
采用第一保护膜层32将柔性加热器粘接在需要除冰的物体表面，便于操作，且固定牢靠，同时通过第二保护膜层34将柔性加热器18与电容传感器16隔离，并采用第三保护膜层对容传感器16进行保护，提高除冰装置的使用寿命。
所述多个电容传感器16沿柔性加热器18的长度方向间隔设置，其数量优选为3个。
所述柔性加热器18由碳纳米管材料制成，碳纳米管材料具有轻质、高强度和导电导热性能好的特点。
所述电容传感器16是介质变化型传感器，具有环境适应性强，动态响应好和灵敏度高的特点。
一种带有除冰装置的无人机，包括机身10，机身10两侧对称设有一对与其固连的机翼12，每个机翼上设置一上述除冰装置，机身10内置有机载电源11，机载电源11用于给无人机动力系统提供动力，同时也为除冰装置提供电力，也可以采用独立的机载电源为除冰装置供电。
所述除冰装置的柔性加热器通过第一保护膜层32粘接在机翼前缘13，并沿机翼12的上表面和下表面向机翼后缘14延伸，控制器15安装在机身上、机身内部或机翼上。
所述柔性加热器覆盖机翼面积占机翼总面积的15％。
柔性加热器为条带状结构，可以完好地粘附在机翼前缘，故而对流经机翼表面的气流几乎不会造成影响。
所述机翼12的上表面喷涂有超疏水涂层17，喷涂区域为加热器的边缘至机翼后缘之间的区域。
每个机翼表面至少包括一个柔性加热器、一个电容传感器和一层超疏水涂层；本发明提出的系统中每个机翼表面包括两个柔性加热器和三个电容传感器以及一层超疏水涂层，其中左右机翼各有一个电容传感器是冗余的。
优选的，每个机翼上两个加热器，三个电容传感器，三层保护膜层和一层粘合剂层，共同构成了一个加热装置。
实施例1
参照图4，一种带有除冰装置的无人机，该无人机的左机翼和右机翼上分别设置一组除冰装置，两组除冰装置共用一个控制器，采用独立的机载电源11对除冰装置进行供电。
每个除冰装置包括3个电容传感器，沿机翼的长度方法间隔设置在机翼的表面，两组除冰装置共6个电容传感器分别与控制器15相交互。
两个柔性加热器分别与控制器15相交互，将柔性加热器粘接在机翼上容易结冰的区域，因为机翼的部分表面是不易结冰区域，因此不需要进行除冰，则不需要粘接柔性加热器，这样节约了成本，同时降低了无人机的重量。
柔性加热器和电容传感器均通过保护膜层进行覆盖保护，避免和周围器件相互干扰，同时也便于安装。
控制器15可以是单核处理器，多核处理器或两者的组合。此外，控制器独立于飞机上的其他系统；电容传感器用在控制回路中，冰和水的介电常数不同，两者的介电常数随温度变化也不同，冰的介电常数随着冰的温度降低而增加，水的介电常数随着水的温度升高而降低；所以当介电常数变化时，会导致电容变化，则可根据电容传感器测得的电容变化量快速检测出机翼上是否结冰；当检测到结冰时，控制器开启相应的柔性加热器，柔性加热器可在短时间内迅速提高机翼表面温度来融化机翼表面的结冰；当不再检测到结冰时，控制器关闭柔性加热器。因此，结冰被自主地检测并融化，且仅当检测到结冰时才开启柔性加热器，减少了不必要的功耗。
同时，根据超疏水原理，水滴和超疏水涂层的接触面积很小，水滴滴落在涂层表面时大部分都会直接滚落，故而超疏水涂层可以有效地御制过冷的水滴滴附于机翼表面，后凝固和不断地累积而最终导致的机翼结冰；超疏水涂层还可使冰融化后产生的水直接从机翼表面滚落，而不会向机翼后缘流去导致机翼表面上的再次结冰；整个系统总重在200g以下，总功耗低于15瓦；以上共同构成了一套完整的结冰检测和除冰的系统及方法。
由上述内容可知，本发明提供的一种无人机，当机翼上结冰时，电容器的介电常数发生变化，进而导致电容器的电容发生变化，电容传感器将这种变化信号传递给控制器，如果控制器得到的是结冰信号，控制器将会开启相应的加热器，加热器可在短时间内迅速提高机翼表面温度来融化机翼表面的结冰，有效地实现了机翼结冰检测并且除冰的功能，还减轻了飞机重量，进而减小了飞机功耗，提高飞机的航程航时，增加了飞机的有效载荷。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种除冰装置，其特征在于，包括多个电容传感器(16)、柔性加热器(18)和控制器(15)；
所述柔性加热器(18)用于覆盖在物体表面，电容传感器(16)设置在柔性加热器的顶面，电容传感器(16)和柔性加热器(18)分别与控制器(15)连接；
所述控制器(15)根据物体表面温度变化导致的电容变化量，输出柔性加热器的开关动作。
2.根据权利要求1所述的一种除冰装置，其特征在于，所述柔性加热器(18)和电容传感器(16)的表面覆盖有防护层。
3.根据权利要求1所述的一种除冰装置，其特征在于，所述柔性加热器(18)粘接在物体表面。
4.根据权利要求1或2所述的一种除冰装置，其特征在于，所述柔性加热器铺设在第一保护膜层(32)的表面，第一保护膜层(32)的底部涂覆有粘合剂层(31)，柔性加热器(18)的顶部铺设第二保护膜层(34)，电容传感器(16)设置在第二保护膜层(34)的表面，电容传感器(16)的表面铺设第三保护膜层(35)。
5.根据权利要求4所述的一种除冰装置，其特征在于，所述柔性加热器(18)由碳纳米管材料制成。
6.根据权利要求4所述的一种除冰装置，其特征在于，所述电容传感器(16)是介质变化型传感器。
7.一种无人机，其特征在于，所述无人机的结冰区域覆盖权利要求1-6任一项所述的除冰装置。
8.根据权利要求7所述的一种无人机，其特征在于，所述柔性加热器覆盖在机翼前缘(13)，并沿机翼(12)的上表面和下表面向机翼后缘(14)延伸。
9.根据权利要求7所述的一种无人机，其特征在于，所述柔性加热器覆盖机翼面积占机翼总面积的15％。
10.根据权利要求8所述的一种无人机，其特征在于，所述柔性加热器至机翼后缘之间的区域喷涂有超疏水涂层。
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