CN113148139A - 利用发动机废气进行垂直起降的无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用发动机废气进行垂直起降的无人机，所述无人机包括无人机机体和柔性连接于所述无人机机体上方的热气球气囊；所述无人机机体的尾部安装有发动机驱动机构和转向机构；所述发动机驱动机构的排气管出气口经管道连通至所述热气球气囊的底部开口；所述无人机还包括有设于所述热气球气囊内的内部传感器和设于所述无人机机体外的外部传感器；所述无人机机体上设有控制单元，所述发动机驱动机构、转向机构、内部传感器和外部传感器均与所述控制单元连接。本发明通过将发动机的高温废气排入热气球气囊内，以热气球气囊带动无人机机体升空，从而充分发挥燃料的作用，节省燃料用料，显著提高了无人机的起飞能力和载重能力。

Description

利用发动机废气进行垂直起降的无人机

技术领域

本发明涉及垂直起降无人机技术领域，具体涉及到一种利用发动机废气进行垂直起降的无人机。

背景技术

近年来，随着无人机的发展，相较于以往，无人机不断地被运用于更多行业领域。其中的小型无人机因其建造、使用成本低、地勤保障要求低、机动性强的部分优势更是不断被用于军用、民用等。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需。目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。

与垂直起降的无人机相比，现有固定翼小型无人机在起飞重量和功率比上存在较大优势，可以携带更多的设备和物资。但是固定翼无人机存在需要专用跑道、起飞距离相对较长、起飞不容易等问题。因此，在一些起飞条件较差的地区和航行速度需求较低的领域内，垂直起降无人机具有不可替代的优势。而对于垂直起降的无人机而言，其相同功率的载重能力远小于固定翼无人机，导致其应用范围受到极大的限制，性价比不高。因此，有必要寻找一种手段，使得垂直起降无人机能够在增加载重能力的同时又不过多地产生其他负担，扩大其应用范围和经济价值，尤其是对于农业等领域低附加值领域具有重要的社会价值和经济价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种利用发动机废气进行垂直起降的无人机，以解决传统的垂直起降无人机载重能力弱的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种利用发动机废气进行垂直起降的无人机，所述无人机包括无人机机体和柔性连接于所述无人机机体上方的热气球气囊；所述无人机机体的尾部安装有发动机驱动机构和转向机构；所述发动机驱动机构的排气管出气口经管道连通至所述热气球气囊的底部开口；所述无人机还包括有设于所述热气球气囊内、用于检测所述热气球气囊内部气体环境物理参数的内部传感器，以及设于所述无人机机体外、用于检测所述无人机所处外部大气环境物理参数的外部传感器；所述无人机机体上设有控制单元，所述发动机驱动机构、转向机构、内部传感器和外部传感器均与所述控制单元连接。

作为上述方案的进一步技术方案，所述发动机驱动机构的排气管经三通阀连接有导气管和废气管；所述三通阀与所述控制单元连接并由控制单元控制动作；其中，所述导气管的出气口朝向所述热气球气囊的底部开口，所述废气管的出气口远离所述热气球气囊的底部开口。

作为上述方案的进一步技术方案，所述无人机还包括有与所述控制单元连接的发动机废气温度传感器，所述控制单元接收到发动机废气温度传感器检测到的废气温度后控制三通阀动作。

作为上述方案的进一步技术方案，所述发动机驱动机构包括设于所述无人机机体尾部的发动机以及与所述发动机连接的螺旋桨。

作为上述方案的进一步技术方案，所述发动机驱动机构还包括有离合器，所述螺旋桨通过所述离合器与所述发动机连接。

作为上述方案的进一步技术方案，所述发动机驱动机构还包括有变速器，所述螺旋桨通过所述变速器与所述离合器连接。

作为上述方案的进一步技术方案，所述环境物理参数包括气体的温度、湿度和/或气压。

作为上述方案的进一步技术方案，所述外部传感器包括海拔高度计。

作为上述方案的进一步技术方案，所述外部传感器包括有设于所述无人机机体上并与所述控制单元连接的空速传感器。

作为上述方案的进一步技术方案，所述热气球气囊的重心与所述无人机机体的重心同在一条竖直线上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：通过将发动机的高温废气排入热气球气囊内，以热气球气囊带动无人机机体升空，从而充分发挥燃料的作用，节省燃料用料，显著提高了无人机的起飞能力和载重能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中各标号的释义为：热气球气囊10，无人机机体11，发动机12，离合器13，变速器14，螺旋桨15，三通阀16，方向舵17，内部传感器18，外部传感器19。

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，以便对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的了解。

显然，对这些实施例的说明是示意性的，并不构成对本发明的具体限定，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本申请实施例所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机包括无人机机体11和热气球气囊10，

所述热气球气囊10通过柔性连接与所述无人机机体11连接在一起，并且热气球气囊10在起飞时位于无人机机体11的正上方，优选为所述热气球气囊10的重心与所述无人机机体11的重心同在一条竖直线上，以保证无人机能垂直起飞，且有较佳的起飞载重能力。

所述无人机机体11的尾部安装有发动机驱动机构和转向机构，所述发动机驱动机构的排气管出气口经管道连通至所述热气球气囊10的底部开口。本申请实施例通过热气球气囊10给无人机机体11提供升力，大大提升了无人机的起飞能力和载重能力。所述无人机机体11可以根据需求设计成任意形状，作为优选可以设计成流线型以降低飞行阻力。所述无人机机体11设有载物仓以装载货物。

所述无人机还包括有设于所述热气球气囊10内、用于检测所述热气球气囊10内部气体环境物理参数的内部传感器18，以及设于所述无人机机体11外、用于检测所述无人机所处外部大气环境物理参数的外部传感器19。所述无人机机体11上设有控制单元，所述发动机驱动机构、转向机构、内部传感器18和外部传感器19均与所述控制单元连接。所述发动机驱动机构用于为无人机机体11提供动力，包括直接提供的前行动力和间接提供的上升动力。所述转向机构用于实现无人机机体11前行方向的调整，可根据需求改变无人机的飞行方向，本申请实施例采用方向舵17作为转向机构，方向舵17结构简单，易于控制，且不太影响飞行姿态。所述发动机驱动机构和转向机构均由所述控制单元控制动作，无人机升空后，所述控制单元可在接收到内部传感器18和外部传感器19采集的环境物理参数数据后控制发动机驱动机构和转向机构动作。

所述发动机驱动机构的排气管经三通阀16连接有导气管和废气管，所述三通阀16与所述控制单元连接并由控制单元控制动作。其中，所述导气管的出气口朝向所述热气球气囊10的底部开口，所述废气管的出气口远离所述热气球气囊10的底部开口（即将此部分废气直接排入大气）。在需要为热气球气囊10充气时，通过调整三通阀16使发动机驱动机构的排气管排出的高温废气全部通过导气管排入热气球气囊10内，以快速增大热气球气囊10的体积，尽早升空。在空中平稳飞行时，减少往导气管中的发动机废气的排入量，以维持无人机在大气中的飞行高度。

为提高本申请实施例的自动化程度，所述无人机还包括有与所述控制单元连接的发动机废气温度传感器，所述控制单元接收到发动机废气温度传感器检测到的废气温度后控制三通阀16动作。无人机在空中平稳飞行时，由发动机废气温度传感器检测发动机的废气温度，并据此调整三通阀16的开闭程度，确保热气球气囊10内气体温度不发生大的改变，由此保证无人机始终在同一高度飞行。所述发动机废气温度传感器可设于排气管处，也可设于导气管处，理论上讲，设于导气管处将能得到更准确的废气温度。

本申请实施例中所述的发动机驱动机构包括设于所述无人机机体11尾部的发动机12以及与所述发动机12连接的螺旋桨15。发动机12提供驱动力并产生废气，所述螺旋桨15为推力桨，用于为整个无人机提供前行动力。所述发动机驱动机构的输出轴与所述无人机机体11的轴线平行，优选为两者同轴设置，以使螺旋桨15能为无人机机体11提供水平推力。

在地面未起飞前，需要通过发动机12对热气球气囊10充气。此时，由于螺旋桨15也随发动机12转动，无人机机体11有向前运动的趋势。为了避免在充气过程中无人机机体11运动，本申请实施例中所述的发动机驱动机构还包括有离合器13，所述螺旋桨15通过所述离合器13与所述发动机12连接。在充气时，离合器13断开螺旋桨15与发动机12之间的连接，发动机12全力向热气球气囊10内充气。当充气后的热气球气囊10带动无人机机体11升空后，离合器13接通螺旋桨15与发动机12之间的连接，为无人机提供前行动力。

所述发动机驱动机构还包括有变速器14，所述螺旋桨15通过所述变速器14与所述离合器13连接。所述变速器14可以根据需求改变螺旋桨15与发动机12的转速比，调整无人机前行动力的大小以及发动机12的排气量。

为检测所述热气球气囊10内部气体环境物理参数和所述无人机所处外部大气环境物理参数，所述内部传感器18和所述外部传感器19包括温度传感器、湿度传感器和/或气压传感器，所述外部传感器19还包括海拔高度计和空速传感器，所述海拔高度计用于检测无人机所处的海拔高度，所述空速传感器用于检测无人机的飞行速度。这些数据都反馈到控制单元，用于实时调整无人机的飞行姿态。

本申请实施例还可设置燃料供给系统，该燃料供给系统与控制单元连接，由控制单元根据接收到的检测数据控制燃料供给系统对发动机驱动机构的燃料供给，以控制无人机的飞行姿态、飞行速度和热气球气囊10的充气温度和体积。

本申请实施例所述的无人机的控制方法包含如下内容：

1、充气策略

无人机位于地面时，控制单元根据指令启动发动机12，此时控制单元控制离合器13分离，螺旋桨15不输出动力。

进一步地，控制单元控制三通阀16将发动机12燃烧后所排出的高温排气全部不断充入到热气球气囊10内，热气球气囊10内充入的高温气体密度小于空气，从而使得热气球气囊10受空气的浮力而逐渐上升，直到整个热气球气囊10带着无人机机体11飞离地面到目标高度。为了更快地完成热气球气囊10的充气过程，控制单元控制发动机12以较高的转速运行。

2、高度保持策略：

无人机到达目标高度后，控制单元记录当前状态下由内部传感器18和外部传感器19检测到的热气球气囊温度、大气温度、大气湿度、大气压力、海拔高度信息，控制单元根据发动机12的转速、发动机12的油门开度、发动机12的废气温度和热气球气囊10内的温度与大气温度的差值，计算出三通阀16的基础开度值，并以海拔高度作为反馈修正信号对三通阀16的开度进行闭环反馈控制，以此保持无人机的飞行高度不变。

3、飞行控制策略：

当需要飞行时，控制单元根据需求控制离合器13啮合，螺旋桨15产生推力使无人机机体11产生水平位移。当离合器13啮合后，控制单元根据目标发动机转速信号控制油门开度以使发动机12工作在目标转速下。无人机的飞行状态控制根据空速传感器和大气湿度进行调整。

4、飞行状态变化控制策略：

在飞行过程中，当无人机的负重和目标飞行速度发生变化时，

①、若负重增加，目标飞行速度不变，发动机12废气的流量和温度不能满足无人机的热气球气囊10需求时，控制单元控制变速器14增加发动机12与螺旋桨15的传动比，以保证在螺旋桨15转速不变的情况下提高发动机12的转速和排气温度，确保无人机的热气球气囊10废气需求量，由此保证无人机飞行高度。

②、若负重减小，目标飞行速度不变，当三通阀16的开度减小到一定值后，表明废气流量过大，控制单元控制变速器14降低发动机12与螺旋桨15的传动比，以保证在螺旋桨15转速不变的情况下降低发动机12的转速和排气温度，在确保无人机的热气球气囊10废气需求量和保证无人机飞行高度不变的情况节约发动机12的燃料消耗量。

③、若负重不变，目标飞行速度增加，当三通阀16的开度减小到一定值后，表明废气流量过大，控制单元控制变速器14降低发动机12与螺旋桨15的传动比，以保证在螺旋桨15转速不变的情况下降低发动机12的转速和排气温度，在确保无人机的热气球气囊10废气需求量和保证无人机飞行高度不变的情况节约发动机12的燃料消耗量。

④、若负重不变，目标飞行速度降低，发动机12废气的流量和温度不能满足无人机的热气球气囊10需求时，控制单元控制变速器14增加发动机12与螺旋桨15的传动比，以保证在螺旋桨15转速不变的情况下提高发动机12的转速和排气温度，确保无人机的热气球气囊10废气需求量，由此保证无人机飞行高度。

本申请实施例实现了发动机废气余热的充分利用，在相同的发动机排量和燃油消耗量条件下可以为无人机提供更大的起飞重量，节约能源；其生产成本低，操作简单，有利于在飞行速度要求不高和生产附加值较低的农业等领域内推广。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之类。

Claims (10)

1.一种利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述无人机包括无人机机体（11）和柔性连接于所述无人机机体（11）上方的热气球气囊（10）；所述无人机机体（11）的尾部安装有发动机驱动机构和转向机构；所述发动机驱动机构的排气管出气口经管道连通至所述热气球气囊（10）的底部开口；所述无人机还包括有设于所述热气球气囊（10）内、用于检测所述热气球气囊（10）内部气体环境物理参数的内部传感器（18），以及设于所述无人机机体（11）外、用于检测所述无人机所处外部大气环境物理参数的外部传感器（19）；所述无人机机体（11）上设有控制单元，所述发动机驱动机构、转向机构、内部传感器（18）和外部传感器（19）均与所述控制单元连接。

2.如权利要求1所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述发动机驱动机构的排气管经三通阀（16）连接有导气管和废气管；所述三通阀（16）与所述控制单元连接并由控制单元控制动作；其中，所述导气管的出气口朝向所述热气球气囊（10）的底部开口，所述废气管的出气口远离所述热气球气囊（10）的底部开口。

3.如权利要求2所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述无人机还包括有与所述控制单元连接的发动机废气温度传感器，所述控制单元接收到发动机废气温度传感器检测到的废气温度后控制三通阀（16）动作。

4.如权利要求1所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述发动机驱动机构包括设于所述无人机机体（11）尾部的发动机（12）以及与所述发动机（12）连接的螺旋桨（15）。

5.如权利要求4所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述发动机驱动机构还包括有离合器（13），所述螺旋桨（15）通过所述离合器（13）与所述发动机（12）连接。

6.如权利要求5所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述发动机驱动机构还包括有变速器（14），所述螺旋桨（15）通过所述变速器（14）与所述离合器（13）连接。

7.如权利要求1所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述环境物理参数包括气体的温度、湿度和/或气压。

8.如权利要求1所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述外部传感器（19）包括海拔高度计。

9.如权利要求1所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述外部传感器（19）包括有设于所述无人机机体（11）上并与所述控制单元连接的空速传感器。

10.如权利要求1所述的利用发动机废气进行垂直起降的无人机，其特征在于：所述热气球气囊（10）的重心与所述无人机机体（11）的重心同在一条竖直线上。

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