CN116062202B - 一种组合式共轴双旋翼无人机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种组合式共轴双旋翼无人机系统，涉及无人机组合技术领域，包括至少两个无人机和主控支架组件；所述无人机的机壳处设置对接插口组件，所述对接插口组件包括插口壳体、柔性块组件和航电插槽，所述插口壳体的外壳固定设置在无人机的机壳预设的开口处，所述柔性块组件中部设置方形的插口槽。本发明连接结构对无人机的结构无特殊要求，适用性广，无人机系统还可以实现自动组合或解散，解决挂载超出单个共轴双旋翼无人机设计载荷的载荷量，通过多个无人机灵活组合连结满足大载荷任务需求。无人机飞行时，消耗的电量不一致，考虑无人机飞行安全性，所有组合的无人机电源通过供电控制芯片集中控制供电，供电稳定性更好，续航里程大大增加。

Description

一种组合式共轴双旋翼无人机系统

技术领域

本发明涉及无人机组合技术领域，尤其是涉及一种组合式共轴双旋翼无人机系统。

背景技术

无人机具备执行任务能力突出、研发成本低廉、消耗资源少以及无人驾驶等优点，随着国际军事需要、国防安防技术发展以及民用领域的业务需求，其发展空间巨大。

小型共轴双旋翼无人机有着体积小、重量轻便、机动性好、任务载荷相对较大、气动布局好、应用灵活多变、噪声量低等优点。但单个无人机载荷量有限，在野外飞行作业时如遇突发情况需挂载超过自身额定载荷时无法应对。

目前，无人机领域也有组合式的无人机，公开号为CN115556931A的中国发明专利公开一种可重构无人机，包括两个以上无人机单元；每架所述无人机单元均具有感知系统、自主对接系统、控制系统、能量系统、动力系统和运输系统；所述无人机单元间通过所述自主对接系统对接或解体，切换无人机单元的单体和组合体工作模式；

能够实现无人机单元(即无人机最小重构单元)之间的自主动态对接和解体，从而快速实现无人机的拓扑重构，实现多架无人机间的机械层面、信息层面和能量层面的互联和重构。

然而其自组对接系统只能适用于具有矩形外框架的四旋翼无人机，且对接机构设置过于臃肿，会在实施过程中造成过多的负载，大大增加组合式无人机的耗电量。

发明内容

为了解决现有技术中无人机组合的适用性窄和耗电量的技术问题，本发明提供一种组合式共轴双旋翼无人机系统。采用如下的技术方案：

一种组合式共轴双旋翼无人机系统，包括至少两个无人机和主控支架组件；

所述无人机的机壳处设置对接插口组件，所述对接插口组件包括插口壳体、柔性块组件和航电插槽，所述插口壳体的外壳固定设置在无人机的机壳预设的开口处，所述柔性块组件中部设置方形的插口槽，所述柔性块组件的外壁固定安装在插口壳体的内壁处，所述航电插槽固定在柔性块组件内，并位于插口槽的底部，航电插槽与无人机的飞控系统通信连接；

所述主控支架组件包括支架机壳、一组插入式连接杆组件和基于微控制器的主控电路板，所述插入式连接杆组件包括插入式连接杆、航电插头、导航信标和压力传感器，所述插入式连接杆的一端铰接在支架机壳的四周，当展开时与可通过锁紧装置固定位置，所述航电插头固定在插入式连接杆的另一端预设的安装槽内，并通过导线与主控电路板通信电连接，当航电插头跟随插入式连接杆插入插口槽时，主控电路板与无人机的飞控系统完成通信和供电连通，所述导航信标设置在航电插头的外壳表面，导航信标可被飞控系统识别，飞控系统在导航信标的引导下控制无人机完成插入式连接杆插入插口槽，所述压力传感器设置在插入式连接杆的外壁上，且当插入式连接杆插入插口槽完成组合连接时，检测无人机相对于主控支架组件产生的升力值，导航信标和压力传感器分别与主控电路板通信电连接，当航电插头与航电插槽完成连接后，主控电路板通过飞控系统控制无人机的执行动作。

通过采用上述技术方案，在无人机的主机壳的一侧开槽，内部装上对接插口组件，对接插口组件内设置柔性块组件和航电插槽，柔性块组件的设置当插入式连接杆插入连接后，在飞行过程中相当于由一组无人机将主控支架组件抬起来，原则上插入式连接杆的下表面与插口槽的内壁下表面接触，但当某个无人机的动力控制出现故障或者升力控制出现短暂性的偏差时，柔性块组件的设置避免对整个对接位置产生较大冲击。

无人机系统可以实现手动的组合完成后，主控电路板对整个无人机系统的各个执行器进行控制，使各个无人机的升力大致相同，在主控支架组件的底部设置载荷挂载位，组合后能够大大增加可携带单个载荷的重量。

连接结构对无人机的结构无特殊要求，一般的无人机均设置有主机壳，只需对主机壳进行改造即可。

可选的，所述主控支架组件还包括无线收发模组，所述主控电路板与无线收发模组通信连接，并通过无线收发模组与无人机的飞控系统无线通信连接。

通过采用上述技术方案，无人机系统还可以实现自动组合或解散，主控支架组件的底部还可以设置起落架，需要自动组合时，起落架将整个主控支架组件撑起离开地面，主控电路板通过无线收发模组向外对目标无人机进行广播，广播内容包括需要进行组合的地点坐标和对接位置导航信标的密钥，这样目标无人机就可以在地点坐标的指引下飞到组合地，当接近组合地后，在导航信标的密钥解析作用下，与导航信标形成导航通信，最终完成自行对接动作。

可选的，插口壳体整体为中空结构包括连接段和导向段，所述连接段为矩形结构，所述导向段的截面为梯形，设置在连接段的一端。

通过采用上述技术方案，整个连接部分采用矩形中空结构，对接后避免转动导致的结构不稳定。

可选的，柔性块组件包括矩形外框、实心承重块、固定半框、柔性半框和一组缓冲弹簧，所述矩形外框的外壁固定在连接段的内壁处，所述实心承重块上表面设置矩形凹槽，所述实心承重块的其它表面固定在矩形外框的内壁上，并位于矩形外框内部空间的下半部，所述固定半框的外壁固定在实心承重块的矩形凹槽处，所述柔性半框扣装在固定半框上，且被一组缓冲弹簧压紧，固定半框和柔性半框之间的矩形空间构成插口槽。

通过采用上述技术方案，柔性块组件内部下半部设置实心承重块用于承载无人机与主控支架组件直接的相互作用力，上半部设置成可分离的柔性半框，在一组缓冲弹簧的作用下，当无人机出现动力异常时，避免完全刚性连接带来的结构损坏风险。

可选的，缓冲弹簧是弹性环。

通过采用上述技术方案，缓冲弹簧可以是弹性环、弹性柱、弹性条等柔性连接件。

可选的，所述导航信标是无线电导航信标。

通过采用上述技术方案，无线电导航信标可以在密钥解析后与无人机的无线电通信系统实现精准定位导航。

可选的，导航信标贴装在航电插头的外壳表面。

通过采用上述技术方案，导航信标裸露在航电插头的外壳表面，可以形成以航电插头为中心的精准定位指引。

可选的，还包括集中供电模块，所述集中供电模块包括锂电池组和供电控制芯片，所述锂电池组设置在支架机壳内，所述供电控制芯片分别与锂电池组和主控电路板电连接，所述供电控制芯片通过依次通过主控电路板、航电插槽和航电插头为无人机供电。

可选的，当一组无人机通过主控支架组件组成无人机系统后，供电控制芯片是采集无人机的电量信息，优先控制使用锂电池组为无人机系统的所有电器件供电，当锂电池组电量低于满电量的20%后停止供电，依次选用无人机系统中电量最高的无人机电池为整个系统供电，直到所有无人机的电量低于20%后，进行电量过低报警，且恢复无人机电池自行供电。

通过采用上述技术方案，通过供电控制芯片的控制，锂电池组的携带能大大增加整个组合式无人机系统的续航，组合完成后的无人机系统采用均摊式的供电策略，使整个无人机系统的供电稳定性大大增加，也能延迟续航时间。

可选的，无人机和主控支架组件自动组合的控制方法是：

步骤1，主控电路板通过无线收发模组向外界指定的无人机的飞控系统发送组合指令，组合指令包括组合坐标和指定导航信标的密钥；

步骤2，飞控系统接收到组合指令后，控制无人机飞向组合坐标，当到达组合坐标后，按照导航信标的密钥与指定导航信标完成配对，在导航信标的导航下将插口槽对准插入式连接杆，后完成插入动作，将航电插槽与航电插头对接；

步骤3，主控电路板通过航电插槽和航电插头完成无人机的配对识别，并获得飞控系统的控制权限；

步骤4，压力传感器检测无人机的相对于主控支架组件产生的升力值传输给主控电路板，并通过各个升力值控制对应的无人机执行动作，使各个反馈的升力值趋于平均。

通过采用上述技术方案，可以实现多个无人机的自动组合动作。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

本发明能提供一种组合式共轴双旋翼无人机系统，连接结构对无人机的结构无特殊要求，适用性广，无人机系统还可以实现自动组合或解散，解决挂载超出单个共轴双旋翼无人机设计载荷的载荷量，通过多个无人机灵活组合连结满足大载荷任务需求。无人机飞行时，消耗的电量不一致，考虑无人机飞行安全性，所有组合的无人机电源通过供电控制芯片集中控制供电，供电稳定性更好，续航里程大大增加。

附图说明

图1是本发明四台无人机组合状态俯视结构示意图；

图2是本发明三台无人机组合状态俯视结构示意图；

图3是本发明插口壳体的结构示意图；

图4是图3的A-A截面结构示意图；

图5是本发明插入式连接杆端部结构示意图；

图6是本发明无人机加装对接插口组件的结构示意图；

图7是本发明的电器件连接原理示意图。

附图标记说明：1、无人机；10、无线收发模组；11、插口壳体；111、连接段；112、导向段；12、柔性块组件；121、矩形外框；122、实心承重块；123、固定半框；124、柔性半框；125、缓冲弹簧；126、插口槽；13、航电插槽；20、主控电路板；21、插入式连接杆；22、航电插头；23、导航信标；24、压力传感器；26、支架机壳；31、锂电池组；32、供电控制芯片；100、飞控系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开一种组合式共轴双旋翼无人机系统。

参照图1－图7，一种组合式共轴双旋翼无人机系统，包括至少两个无人机1和主控支架组件；

无人机1的机壳处设置对接插口组件，对接插口组件包括插口壳体11、柔性块组件12和航电插槽13，插口壳体11的外壳固定设置在无人机1的机壳预设的开口处，柔性块组件12中部设置方形的插口槽126，柔性块组件12的外壁固定安装在插口壳体11的内壁处，航电插槽13固定在柔性块组件12内，并位于插口槽126的底部，航电插槽13与无人机1的飞控系统100通信连接；

主控支架组件包括支架机壳26、一组插入式连接杆组件和基于微控制器的主控电路板20，插入式连接杆组件包括插入式连接杆21、航电插头22、导航信标23和压力传感器24，插入式连接杆21的一端铰接在支架机壳26的四周，当展开时与可通过锁紧装置固定位置，航电插头22固定在插入式连接杆21的另一端预设的安装槽内，并通过导线与主控电路板20通信电连接，当航电插头22跟随插入式连接杆21插入插口槽126时，主控电路板20与无人机1的飞控系统100完成通信和供电连通，导航信标23设置在航电插头22的外壳表面，导航信标23可被飞控系统100识别，飞控系统100在导航信标23的引导下控制无人机1完成插入式连接杆21插入插口槽126，压力传感器24设置在插入式连接杆21的外壁上，且当插入式连接杆21插入插口槽126完成组合连接时，监测无人机1相对于主控支架组件产生的升力值，导航信标23和压力传感器24分别与主控电路板20通信电连接，当航电插头22与航电插槽13完成连接后，主控电路板20通过飞控系统100控制无人机1的执行动作。

在无人机1的主机壳的一侧开槽，内部装上对接插口组件，对接插口组件内设置柔性块组件12和航电插槽13，柔性块组件12的设置当插入式连接杆21插入连接后，在飞行过程中相当于由一组无人机1将主控支架组件抬起来，原则上插入式连接杆21的下表面与插口槽126的内壁下表面接触，但当某个无人机1的动力控制出现故障或者升力控制出现短暂性的偏差时，柔性块组件12的设置避免对整个对接位置产生较大冲击。

无人机系统可以实现手动的组合完成后，主控电路板20对整个无人机系统的各个执行器进行控制，使各个无人机1的升力大致相同，在主控支架组件的底部设置载荷挂载位，组合后能够大大增加可携带单个载荷的重量。

连接结构对无人机1的结构无特殊要求，一般的无人机均设置有主机壳，只需对主机壳进行改造即可。

主控支架组件还包括无线收发模组10，主控电路板20与无线收发模组10通信连接，并通过无线收发模组10与无人机1的飞控系统100无线通信连接。

无人机系统还可以实现自动组合或解散，主控支架组件的底部还可以设置起落架，需要自动组合时，起落架将整个主控支架组件撑起离开地面，主控电路板20通过无线收发模组10向外对目标无人机1进行广播，广播内容包括需要进行组合的地点坐标和对接位置导航信标23的密钥，这样目标无人机1就可以在地点坐标的指引下飞到组合地，当接近组合地后，在导航信标23的密钥解析作用下，与导航信标23形成导航通信，最终完成自行对接动作。

插口壳体11整体为中空结构包括连接段111和导向段112，连接段111为矩形结构，导向段112的截面为梯形，设置在连接段111的一端。

整个连接部分采用矩形中空结构，对接后避免转动导致的结构不稳定。

柔性块组件12包括矩形外框121、实心承重块122、固定半框123、柔性半框124和一组缓冲弹簧125，矩形外框121的外壁固定在连接段111的内壁处，实心承重块122上表面设置矩形凹槽，实心承重块122的其它表面固定在矩形外框121的内壁上，并位于矩形外框121内部空间的下半部，固定半框123的外壁固定在实心承重块122的矩形凹槽处，柔性半框124扣装在固定半框123上，且被一组缓冲弹簧125压紧，固定半框123和柔性半框124之间的矩形空间构成插口槽126。

柔性块组件12内部下半部设置实心承重块122用于承载无人机1与主控支架组件直接的相互作用力，上半部设置成可分离的柔性半框124，在一组缓冲弹簧125的作用下，当无人机1出现动力异常时，避免完全刚性连接带来的结构损坏风险。

缓冲弹簧125是弹性环。

缓冲弹簧125可以是弹性环、弹性柱、弹性条等柔性连接件。

导航信标23是无线电导航信标。

无线电导航信标可以在密钥解析后与无人机1的无线电通信系统实现精准定位导航。

导航信标23贴装在航电插头22的外壳表面。

导航信标23裸露在航电插头22的外壳表面，可以形成以航电插头22为中心的精准定位指引。

还包括集中供电模块，集中供电模块包括锂电池组31和供电控制芯片32，锂电池组31设置在支架机壳26内，供电控制芯片32分别与锂电池组31和主控电路板20电连接，供电控制芯片32通过依次通过主控电路板20、航电插槽13和航电插头22为无人机1供电。

当一组无人机1通过主控支架组件组成无人机系统后，供电控制芯片32是采集无人机1的电量信息，优先控制使用锂电池组31为无人机系统的所有电器件供电，当锂电池组31电量低于满电量的20%后停止供电，依次选用无人机系统中电量最高的无人机1电池为整个系统供电，直到所有无人机1的电量低于20%后，进行电量过低报警，且恢复无人机1电池自行供电。

通过供电控制芯片32的控制，锂电池组31的携带能大大增加整个组合式无人机系统的续航，组合完成后的无人机系统采用均摊式的供电策略，使整个无人机系统的供电稳定性大大增加，也能延迟续航时间。

无人机1和主控支架组件自动组合的控制方法是：

步骤1，主控电路板20通过无线收发模组10向外界指定的无人机1的飞控系统100发送组合指令，组合指令包括组合坐标和指定导航信标23的密钥；

步骤2，飞控系统100接收到组合指令后，控制无人机1飞向组合坐标，当到达组合坐标后，按照导航信标23的密钥与指定导航信标23完成配对，在导航信标23的导航下将插口槽126对准插入式连接杆21，后完成插入动作，将航电插槽13与航电插头22对接；

步骤3，主控电路板20通过航电插槽13和航电插头22完成无人机1的配对识别，并获得飞控系统100的控制权限；

步骤4，压力传感器24检测无人机1的相对于主控支架组件产生的升力值传输给主控电路板20，并通过各个升力值控制对应的无人机1执行动作，使各个反馈的升力值趋于平均。

可以实现多个无人机的自动组合动作。

本发明实施例一种组合式共轴双旋翼无人机系统的实施原理为：

在一个具体的共轴双旋翼无人机系统组合应用场景下，采用四台共轴双桨无人机与主控支架组件进行组合，主控支架组件的底部还可以设置起落架，需要自动组合时，起落架将整个主控支架组件撑起离开地面，主控支架组件也可放置在起飞平台上，避免共轴双桨无人机高度过高，在组合时与地面产生接触，主控电路板20通过无线收发模组10向外界指定的四台共轴双旋翼无人机的飞控系统100发送组合指令，组合指令包括组合坐标和指定导航信标23的密钥；

飞控系统100接收到组合指令后，控制共轴双旋翼无人机飞向组合坐标，当到达组合坐标后，按照导航信标23的密钥与指定导航信标23完成配对，在导航信标23的导航下将插口槽126对准插入式连接杆21，后完成插入动作，航电插槽13与航电插头22实现通信和供电双向对接；

主控电路板20通过航电插槽13和航电插头22完成无人机1的配对识别，并获得飞控系统100的控制权限；

压力传感器24检测无人机1的相对于主控支架组件产生的升力值传输给主控电路板20，并通过各个升力值控制对应的无人机1执行动作，使各个反馈的升力值趋于平均。

最终组合的共轴双旋翼无人机系统完成自动组合，主控电路板20的控制下起飞，离开地面后可在主控支架组件的底部挂载大重量载荷。

插入式连接杆21可以采用折叠设计，减少收纳负担，主控支架组件底部安装活动固定扣，满足不同大小的任务载荷。

以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：包括至少两个无人机（1）和主控支架组件；

所述无人机（1）的机壳处设置对接插口组件，所述对接插口组件包括插口壳体（11）、柔性块组件（12）和航电插槽（13），所述插口壳体（11）的外壳固定设置在无人机（1）的机壳预设的开口处，所述柔性块组件（12）中部设置方形的插口槽（126），所述柔性块组件（12）的外壁固定安装在插口壳体（11）的内壁处，所述航电插槽（13）固定在柔性块组件（12）内，并位于插口槽（126）的底部，航电插槽（13）与无人机（1）的飞控系统（100）通信连接；

所述主控支架组件包括支架机壳（26）、一组插入式连接杆组件和基于微控制器的主控电路板（20），所述插入式连接杆组件包括插入式连接杆（21）、航电插头（22）、导航信标（23）和压力传感器（24），所述插入式连接杆（21）的一端铰接在支架机壳（26）的四周，当展开时与可通过锁紧装置固定位置，所述航电插头（22）固定在插入式连接杆（21）的另一端预设的安装槽内，并通过导线与主控电路板（20）通信电连接，当航电插头（22）跟随插入式连接杆（21）插入插口槽（126）时，主控电路板（20）与无人机（1）的飞控系统（100）完成通信和供电连通，所述导航信标（23）设置在航电插头（22）的外壳表面，导航信标（23）可被飞控系统（100）识别，飞控系统（100）在导航信标（23）的引导下控制无人机（1）完成插入式连接杆（21）插入插口槽（126），所述压力传感器（24）设置在插入式连接杆（21）的外壁上，且当插入式连接杆（21）插入插口槽（126）完成组合连接时，检测无人机（1）相对于主控支架组件产生的升力值，导航信标（23）和压力传感器（24）分别与主控电路板（20）通信电连接，当航电插头（22）与航电插槽（13）完成连接后，主控电路板（20）通过飞控系统（100）控制无人机（1）的执行动作。

2.根据权利要求1所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：所述主控支架组件还包括无线收发模组（10），所述主控电路板（20）与无线收发模组（10）通信连接，并通过无线收发模组（10）与无人机（1）的飞控系统（100）无线通信连接。

3.根据权利要求1所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：插口壳体（11）整体为中空结构包括连接段（111）和导向段（112），所述连接段（111）为矩形结构，所述导向段（112）的截面为梯形，设置在连接段（111）的一端。

4.根据权利要求3所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：柔性块组件（12）包括矩形外框（121）、实心承重块（122）、固定半框（123）、柔性半框（124）和一组缓冲弹簧（125），所述矩形外框（121）的外壁固定在连接段（111）的内壁处，所述实心承重块（122）上表面设置矩形凹槽，所述实心承重块（122）的其它表面固定在矩形外框（121）的内壁上，并位于矩形外框（121）内部空间的下半部，所述固定半框（123）的外壁固定在实心承重块（122）的矩形凹槽处，所述柔性半框（124）扣装在固定半框（123）上，且被一组缓冲弹簧（125）压紧，固定半框（123）和柔性半框（124）之间的矩形空间构成插口槽（126）。

5.根据权利要求4所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：缓冲弹簧（125）是弹性环。

6.根据权利要求1所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：所述导航信标（23）是无线电导航信标。

7.根据权利要求6所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：导航信标（23）贴装在航电插头（22）的外壳表面。

8.根据权利要求1所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：还包括集中供电模块，所述集中供电模块包括锂电池组（31）和供电控制芯片（32），所述锂电池组（31）设置在支架机壳（26）内，所述供电控制芯片（32）分别与锂电池组（31）和主控电路板（20）电连接，所述供电控制芯片（32）通过依次通过主控电路板（20）、航电插槽（13）和航电插头（22）为无人机（1）供电。

9.根据权利要求8所述的一种组合式共轴双旋翼无人机系统，其特征在于：当一组无人机（1）通过主控支架组件组成无人机系统后，供电控制芯片（32）是采集无人机（1）的电量信息，优先控制使用锂电池组（31）为无人机系统的所有电器件供电，当锂电池组（31）电量低于满电量的20%后停止供电，依次选用无人机系统中电量最高的无人机（1）电池为整个系统供电，直到所有无人机（1）的电量低于20%后，进行电量过低报警，且恢复无人机（1）电池自行供电。

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