CN114750947A - 一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，构成该无人机包括：头部螺旋桨、螺旋桨驱动电机、折叠机翼、机翼作动电机、机身、可充电电池、电磁感应发电装置；所述头部螺旋桨位于所述机身头端；所述折叠机翼位于所述机身侧壁两侧；所述螺旋桨驱动电机为所述头部螺旋桨提供驱动力；所述机翼作动电机为所述折叠机翼的展开或者折叠提供驱动力；所述可充电电池为所述螺旋桨驱动电机和所述机翼作动电机提供电能；所述电磁感应发电装置用于为所述可充电电池充电。

Description

一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机
技术领域
本发明属于无人机设计领域，具体涉及一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机。
背景技术
尾坐式无人机作为一种兼顾垂直旋翼起飞降落和高效固定翼巡航飞行的新式飞行器，结合了旋翼机和固定翼飞机的优点，在复杂运用场景中有较大的优势。国内外开展了较多的研究，如悉尼大学设计的T-Wing尾坐式无人机、麻省理工学院设计的单旋翼悬停-平飞多模态无人机，西北工业大学的Novlit-3无人机等。现有的小型无人机基本采用电池提供动力，而受限于电池能量密度，无人机的飞行工作时间十分有限，在使用无人机进行侦查、搜救、巡逻等任务时，使用时间成为了其掣肘的软肋，这大大限制了无人机使用半径和任务多样性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，结合尾坐式起降技术、折叠翼/舵技术和无线充电技术，利用城市和野外较常见的高压输电线对无人机进行磁电转换充电，延长其使用时间，增大其飞行半径，解决无人机复杂场景适应和高效巡航飞行难以兼顾、续航时间短的问题。
本发明提供一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，构成该无人机包括：头部螺旋桨、螺旋桨驱动电机、折叠机翼、机翼作动电机、机身、可充电电池、电磁感应发电装置；所述头部螺旋桨位于所述机身头端；所述折叠机翼位于所述机身侧壁两侧；所述螺旋桨驱动电机为所述头部螺旋桨提供驱动力；所述机翼作动电机为所述折叠机翼的展开或者折叠提供驱动力；所述可充电电池为所述螺旋桨驱动电机和所述机翼作动电机提供电能；所述电磁感应发电装置用于为所述可充电电池充电。
进一步地，所述无人机，还包括：挂靠结构；所述挂靠结构用于将所述无人机挂靠在高压电线上。
进一步地，所述挂靠结构为挂钩。
进一步地，所述挂靠结构的位置高度高于所述无人机重心位置高度。
进一步地，所述无人机，还包括：磁矩效应磁力仪和GPS定位模块，用于为所述无人机提供导航功能。
进一步地，所述头部螺旋桨采用柔性共轴反桨螺旋桨。
进一步地，所述折叠机翼采用组装式连杆骨架结构，连杆间通过铰链连接，所述骨架结构可在机翼作动电机的驱动下，完成折叠或展开动作。
进一步地，所述骨架结构外部包覆高分子柔性蒙皮。
进一步地，所述无人机，还包括：尾舵和尾翼。
进一步地，所述尾舵和尾翼与所述机身间具有弹性体；所述尾舵和所述尾翼可在弹性体的作用下，收向所述机身或从所述机身中弹出。
本发明的有益效果如下：
1.本发明采用尾坐式技术，具有巡飞、垂直飞行两种飞行模式，并适应发射筒约束，可以同时满足长时远距巡航飞行和复杂环境垂直起降的要求，并为无人机停靠高压线提供条件；
2.本发明采用折叠翼舵和柔性螺旋桨设计，可以适应发射筒约束，并采用提高了机翼面积的连杆和铰链机械可变形结构，相比普通折叠翼，机翼面积可增加70％；
3.本发明有效利用了户外常见的高压电网的电磁场，不需额外的设施保障，令无人机可自行在市镇的多个地点充电，大大提高无人机的续航性能，提高了执行各类任务的持续时间。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定、在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机的组成示意图；
图2是根据本发明实施例的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机的不同飞行状态的示意图(其中：图2(a)为折叠状态；图2(b)为垂直飞行状态；图2(c)为垂直飞行模态)；
图3是根据本发明实施例的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机的不同翼舵状态的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机的悬挂充电状态示意图。
其中：1-头部螺旋桨 2-螺旋桨驱动电机 3-挂靠结构 4-机身 5-机翼作动电机6-折叠机翼 7-载荷 8-舵机 9-尾舵 10-尾翼 11-可充电电池及电磁感应发电装置 12-高分子柔性蒙皮 13-飞控计算机
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其组成示意图如图 1所示，构成该无人机包括：头部螺旋桨1、螺旋桨驱动电机2、机身4、机翼作动电机5、折叠机翼6、可充电电池、电磁感应发电装置(可充电电池及电磁感应发电装置，组合表示为图1中的标识11)；所述头部螺旋桨1位于所述机身4 头端；所述折叠机翼6位于所述机身4侧壁两侧；所述螺旋桨驱动电机2为所述头部螺旋桨1提供驱动力；所述机翼作动电机5为所述折叠机翼6的展开或者折叠提供驱动力；所述可充电电池为所述螺旋桨驱动电机2和所述机翼作动电机5 提供电能；所述电磁感应发电装置用于为所述可充电电池充电。
本无人机采用尾坐式技术，具有两种巡飞、垂直飞行两种飞行模式，可以同时满足长时远距巡航飞行和复杂环境垂直起降的要求；无人机利用自身携带的电磁感应发电装置，可以在自主对电线(如室外高压电网)停靠或靠近后进行电磁感应充电，无需额外的设施保障，令无人机可自行在市镇的多个地点充电，大大提高无人机的续航性能，提高了执行各类任务的持续时间。
所述无人机，还包括：挂靠结构3；所述挂靠结构3用于将所述无人机挂靠在高压电线上。通过挂靠(停靠)方式完成充电动作，可将头部螺旋桨1关闭，完成稳定停靠。当充电完成后，只需再次启动头部螺旋桨1，无人机即可自行飞离电线。
所述挂靠结构3为挂钩，采用挂钩完成挂靠动作，结构简单，易于操作，可靠性高。
所述挂靠结构3的位置高度高于所述无人机重心位置高度，避免无人机停靠状态下发生晃动，便于无人机的稳定停靠。
所述无人机，还包括：磁矩效应磁力仪和GPS定位模块，用于为所述无人机提供导航功能；在靠近高压线过程中，由于高压线的电磁效应，飞行器自身将通过其携带的磁矩效应磁力仪以及GPS定位系统进行精确制导飞行。
所述头部螺旋桨1采用柔性共轴反桨螺旋桨；采用柔性共轴反桨螺旋桨，可柔性适应发射筒约束。通过共轴反桨设计，螺旋桨工作时不产生滚转力矩，减轻俯仰舵控制负担。
所述折叠机翼6采用组装式连杆骨架结构，连杆间通过铰链连接，所述骨架结构可在机翼作动电机5的驱动下，完成折叠或展开动作。折叠机翼6采用连杆和铰链的机械可变形结构，将机翼作动电机5安装在两翼中间，通过线性作动器的伸缩来改变折叠机翼6面积和后掠角，从而改变折叠机翼6的平面外形，以增大平飞巡航的机翼面积，进而增大升阻比和航程。
所述骨架结构外部包覆高分子柔性蒙皮12。
所述无人机，还包括：尾舵9和尾翼10。
所述尾舵9和尾翼10与所述机身4间具有弹性体；所述尾舵9和所述尾翼 10可在弹性体的作用下，收向所述机身4或从所述机身4中弹出。弹性体可采用弹簧，在发射筒内时，筒壁将弹簧压紧，尾舵9和尾翼10收向机身4内部；当发射出筒后，弹簧预紧力消失，尾翼10和尾舵9弹出。
优选实施例
本发明无人机采用常规布局设计，其结构如图1所示，全机从头到尾为：柔性共轴反桨螺旋桨1、螺旋桨驱动电机2、机身4、机翼作动电机5、折叠机翼6、载荷7、舵机8、尾舵9和尾翼10、可充电电池、电磁感应发电装置(可充电电池及电磁感应发电装置，组合表示为图1中的标识11)、模块化可更换任务模块、飞控计算机13。
机身4的结构为壳式结构，机翼和尾舵9、尾翼10均可折叠，可采用高密度树脂或航空铝材制造。
柔性共轴反桨螺旋桨位于机体头部，用于为飞行提供动力，可柔性适应发射筒约束，通过共轴反桨设计，螺旋桨工作时不产生滚转力矩，减轻俯仰舵控制负担。
折叠机翼6位于机体两侧中部，为中弹翼布局，可改变机翼面积和后掠角，从而改变机翼的平面外形，以增大平飞巡航的机翼面积，进而增大升阻比和航程。折叠机翼6采用连杆和铰链的机械可变形结构，外覆尾翼10，将机翼作动电机5 安装在两翼中间，通过机翼作动电机5的伸缩来改变机翼面积，完成折叠和展开动作。
尾舵9和尾翼10采用可折叠设计，在发射筒内时，由筒壁将弹簧压紧，当发射出筒后，弹簧预紧力消失，尾翼10和尾舵9弹出。
采用可充电电池，在正常飞行时为无人机提供动力，在电量不足时，可以利用高压线的磁场进行磁电转换感应充电。
可充电电池的电磁感应充电原理及过程：
无人机在执行飞行任务中遇到的最棘手的问题是续航上的考验，由于自身携带的电池装置的体积和重量的限制，无人机的航程将受到严重的限制。本发明创新性的提出了利用城市和乡下随处可见的高压线缆进行自主充电操作，这将极大的提升飞行器的飞行性能。
在高压线附近，电磁效应非常显著，以磁场强度达到地磁场强度(0.5高斯) 为标准，在我国一般的高压线附近(输电线路约为200kv)，在距离5米内，磁场强度就已达到1高斯，无人机利用自身携带的电磁感应发电装置，可以在自主对电线停靠后进行电磁感应充电，该技术难点主要体现在停靠过程的实现。
为了实现飞行器的自主高压电线停靠，根据仿生学原理，仿照鸟类在停靠线绳前的一系列动作：获取停靠目标位置(通过自身携带的图像传输工具)，在靠近过程中，由于高压线的电磁效应，飞行器自身将通过其携带的磁矩效应磁力仪以及GPS定位系统进行精确制导飞行，而后，飞行器进行大功角飞行，转为垂直飞行状态，利用如图4所示高于重心位置的挂钩挂在电线上，关闭螺旋桨驱动电机2，完成稳定的停靠。当充电完成后，只需再次启动头部螺旋桨1，无人机即可自行飞离电线。
无人机具备三种状态，如图2所示，满足不同的使用和飞行要求：
(1)折叠状态：无人机翼舵均折叠，可适配发射筒约束；
(2)巡飞状态：无人机外形为正常的螺旋桨平直固定翼飞机，以大展弦比机翼飞行，使无人机能够获得更大的升阻比，实现长时间巡航；
(3)垂直飞行状态：机翼收起，整机以竖直状态，变为旋翼机，有限机动。使飞行器在有限的空间内做有限的机动飞行，能够实现垂直起降功能，并可停靠悬挂在高压电线上进行充电。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，构成该无人机包括：头部螺旋桨、螺旋桨驱动电机、折叠机翼、机翼作动电机、机身、可充电电池、电磁感应发电装置；所述头部螺旋桨位于所述机身头端；所述折叠机翼位于所述机身侧壁两侧；所述螺旋桨驱动电机为所述头部螺旋桨提供驱动力；所述机翼作动电机为所述折叠机翼的展开或者折叠提供驱动力；所述可充电电池为所述螺旋桨驱动电机和所述机翼作动电机提供电能；所述电磁感应发电装置用于为所述可充电电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述无人机，还包括：挂靠结构；所述挂靠结构固定在所述机身侧壁，用于将所述无人机挂靠在高压电线上。
3.根据权利要求2所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述挂靠结构为挂钩。
4.根据权利要求2所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述挂靠结构的位置高度高于所述无人机重心位置高度。
5.根据权利要求1所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述无人机，还包括：磁矩效应磁力仪和GPS定位模块，用于为所述无人机提供导航功能。
6.根据权利要求1所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述头部螺旋桨采用柔性共轴反桨螺旋桨。
7.根据权利要求1所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述折叠机翼采用组装式连杆骨架结构，连杆间通过铰链连接，所述骨架结构可在机翼作动电机的驱动下，完成折叠或展开动作。
8.据权利要求7所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述骨架结构外部包覆高分子柔性蒙皮。
9.据权利要求1所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述无人机，还包括：尾舵和尾翼。
10.据权利要求1所述的一种适应发射筒的自充电尾坐式无人机，其特征在于，所述尾舵和尾翼与所述机身间具有弹性体；所述尾舵和所述尾翼可在弹性体的作用下，收向所述机身或从所述机身中弹出。
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