CN207956052U - 一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器，包括机体、位于机体内部的飞行控制系统、设置于机体底部的有效载荷单元和连接在机体周围且在同一水平面的六个支撑臂；所述六个支撑臂包括两个大支撑臂和四个小支撑臂，两个大支撑臂位于机体前后相对侧，且成一直线，四个小支撑臂两两对称设置于机体左右相对侧，且与大支撑臂垂直，每个大支撑臂端部设有一升力旋翼，每个小支撑臂端部设有一控制旋翼，两个升力旋翼的旋转方向相反，相邻两个控制旋翼的旋转方向相反。本实用新型用于通过狭窄的空间飞行，设计结合了宽度有限，敏捷度高，续航能力强的矛盾要求，同时承载重要的有效载荷，适用于室内和室外。

Description

一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器

技术领域

本实用新型涉及飞行器技术领域，特别涉及一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器。

背景技术

无人机有各种尺寸，固定翼或旋转，用于执行各种任务应用，主要在遥感领域。目前，对旋转无人机在有限空间应用的兴趣日益增长，更具体地说，走廊，室内和室外。潜在的应用包括搜索倒塌的建筑物，搜查警察在房屋里的罪犯，并检查果树和果园之间的果园和葡萄园。旋转无人机通过走廊飞行的主要挑战是有限的宽度和所需的灵活性，特别是在风和阵风导致飞行器漂移的户外条件下。为了检查狭窄空间的较高区域，摄像机必须连接到地面车辆上方几米的杆上。这就需要一个系统来抵消由地形粗糙引起的地面机器人的倾斜，以保持摄像机稳定（并且在树木之外）。而飞行器可以不受地形的影响（山坡，山坡，坑洼，雨季泥泞的地形...）。

为了飞行器在狭窄空间飞行控制，使用多功能飞机通过走廊飞行的主要缺点是，尽管它已经很紧凑，宽度限制却迫使小型螺旋桨的使用与它们必须携带的重量相比。这导致控制效率较低，续航能力较差，如小于1m的典型四轴飞行器Pelican AscTec，只能航行20分钟或更短。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型提出一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器，通过合理的旋翼配置，使飞行器敏捷性最大化。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器，包括机体、设置于机体底部的有效载荷单元和连接在机体周围且在同一水平面的六个支撑臂；所述六个支撑臂包括两个大支撑臂和四个小支撑臂，两个大支撑臂位于机体前后相对侧，且成一直线，四个小支撑臂两两对称设置于机体左右相对侧，且与大支撑臂垂直，每个大支撑臂端部设有一升力旋翼和一直接驱动升力旋翼的直流无刷电机，每个小支撑臂端部设有一控制旋翼和一直接驱动控制旋翼的直流无刷电机；

进一步地，所述升力旋翼的尺寸大于控制旋翼的尺寸。

进一步地，所述有效载荷单元下设有起落架。

进一步地，所述机体为长方体。

进一步地，还包括飞行控制系统，所述飞行控制系统包括飞行控制器、数据采集单元、图像处理单元、前置摄像机，所述前置摄像机安装于机体前侧中间位置，所述数据采集单元与飞行控制器连接，用于采集飞行器的高度数据、姿态数据和位置数据，所述图像处理单元分别与飞行控制器和前置摄像机连接，用于根据颜色和纹理分割对前置摄像机拍摄的图像进行实时处理，以查找地面、障碍物和天空，从而估计飞行器相对于狭窄空间中间的相对位置。

进一步地，所述数据采集单元包括惯性测量单元、GPS单元、气压传感器、安装在机体底部的超声波高度传感器。

进一步地，两个升力旋翼的旋转方向相反，相邻两个控制旋翼的旋转方向相反。

与现有技术相比，本实用新型具有有益效果：

（1）本实用新型成本低，具有全新的旋翼单元结构布局，控制简单，选择合理的旋翼配置，通过给予每个转子不同的信号，可得到任何期望的升力和扭矩组合，使飞行器敏捷性最大化；

（2）本实用新型专用于通过狭窄的空间飞行，它的设计结合了宽度有限，敏捷度高，续航能力强的矛盾要求，同时可以承载重要的有效载荷，这种配置可以适用于室内和室外各种复杂环境的应用。

（3）本实用新型通过组合大小不同的旋翼，飞行器更加稳定；

（4）由于相邻四个小型控制旋翼和大型升力旋翼的旋转方向相反，每个旋翼机体施加的反扭矩与旋翼转向也相反，因此机体受到的扭矩可以相互抵消；每个旋翼由各自的直流无刷电机直接驱动，消除了传动系统的效率损失；该飞行器可以分开独立控制大旋翼的升力和小旋翼的姿态控制力矩，使其可以在空间上上实现独立控制，消除传统飞行器在狭窄空间上的欠驱动弱点；

（5）与传统的（主旋翼和尾旋翼）飞行器相比，本实用新型的飞行器将两个大升力旋翼和四个小型控制旋翼组合在一起呈矩形形状更适合在密闭狭窄空间飞行，也可以缩放到优选的尺寸。

（6）本实用新型的飞行器两个升力旋翼只需要提供一个恒定的推力，因此与标准六角旋翼相比，装机功率与悬停功率之比可以小得多，并且可以减少电机的重量，特别适合在狭窄的走廊飞行，尽管宽度有限，但复合配置实现了高度的敏捷性和耐久性。

附图说明

图1是本实用新型适用于狭窄空间的高续航能力飞行器的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中有效载荷单元的示意图；

图3是本实用新型一实施例中控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器，包括呈长方体的机体、设置于机体底部的有效载荷单元和连接在机体周围且在同一水平面的六个支撑臂；所述六个支撑臂包括两个大支撑臂和四个小支撑臂，两个大支撑臂位于机体前后相对侧，且成一直线，四个小支撑臂两两对称设置于机体左右相对侧，且与大支撑臂垂直，每个大支撑臂端部设有一升力旋翼和一直接驱动升力旋翼的直流无刷电机，每个小支撑臂端部设有一控制旋翼和一直接驱动控制旋翼的直流无刷电机；所述升力旋翼的尺寸大于控制旋翼的尺寸，所述有效载荷单元下设有起落架；

飞行器机体为长方体，并结合大升力旋翼和小型控制旋翼，扩大了产生期望升力所需的有效空间，从而获得高续航能力和极高的敏捷性能。

在本实施例中，如图2所示，有效载荷单元包括4个1D全向检查摄像机，分别拍摄飞行器左右侧的图像；机体下侧视摄像机设置的设计使得其容易适应倾斜飞行的状态，可以在更短的时间内检查更大的区域。

如图3所示，还包括飞行控制系统，所述飞行控制系统包括飞行控制器、数据采集单元、图像处理单元、前置摄像机，所述前置摄像机安装于机体前侧中间位置，所述数据采集单元与飞行控制器连接，用于采集飞行器的高度数据、姿态数据和位置数据，所述图像处理单元分别与飞行控制器和前置摄像机连接，用于根据颜色和纹理分割对前置摄像机拍摄的图像进行实时处理，以查找地面、障碍物和天空，从而估计飞行器相对于狭窄空间中间的相对位置。

所述数据采集单元包括惯性测量单元、GPS单元、气压传感器、安装在机体底部的两个超声波高度传感器。

本实用新型的工作原理如下：

两个升力旋翼的旋转方向相反，相邻两个控制旋翼的旋转方向相反，两个升力旋翼以恒定速度旋转，以保持机体在飞行中的悬停，飞行控制器根据图像处理单元产生的相对位置估计和轨迹并结合数据采集单元所采集的数据计算飞行器当前和期望的位置、姿态和速度，控制四个控制旋翼的直流无刷电机转速，从而控制飞行器位置和姿态，实现飞行器在狭窄空间中的飞行。

在本实施例中，如图1所示，两个大升力旋翼（L1和L2）与四个小型控制旋翼（C1，C2，C3和C4）组合在机体周围，L1、C1、C3为顺时针旋转，L2、C2、C4为逆时针方向旋转。四个小型控制旋翼可以倾斜10°，以便在复杂环境中改善飞行器的偏航控制，也可将其在飞行器的前后移动以应对外部的干扰，同时需要飞行器的刚度足够高，以达到快速准确的姿态响应。

两个升力旋翼以恒定速度反向旋转（L1和L2），以保持机体在飞行中的悬停，控制旋翼由飞行控制器控制，可视为具有适应能力的四轴飞行器。以高旋转速度旋转的控制旋翼在飞行时起到陀螺仪的作用，当飞行器倾斜时，升力螺旋桨的推力矢量也倾斜，降低垂直推力分量，用于姿态控制的四个控制旋翼，当与合适的控制器结合时，可以将不需要的控制功率降到最低。

控制飞行器位置和姿态依靠快速改变每个转子组合的推力来实现，其主要通过改变旋翼旋转速度来完成。飞行控制器（FC）从惯性测量单元（IMU），GPS，气压传感器（绝对高度）和两个超声波高度传感器（用于测量相对于地面的相对高度）收集数据以在狭窄空间外部导航 ，IMU非常精确地估计姿态， GPS实现了合理的精度（小于一米），用于绝对位置确定和偏移校正，在通过狭窄空间障碍物时，前视摄像机用于偏移校正，前置摄像头图像处理就成为主导，飞行器装载的两个图像处理单元（IPU），主要用于处理有效载荷照相机图像（每个IPU两个照相机），还用于处理前置摄像机图像，IPU根据颜色和纹理分割对前置摄像机图像执行实时图像处理，以查找地面、障碍物和天空，从而估计飞行器相对于狭窄空间中间的相对位置，也因此决定了狭窄空间的中间部分上轨迹，并保持飞行器前方指向合适的方向，并将有效载荷（如相机）瞄准所需目标。

还可以增加无人飞行器两侧的超声波传感器作为备用，以帮助避免障碍墙，而前置摄像头图像处理软件可以用物体检测算法进行扩展，以避免可能延伸到狭窄空间的轨迹分支。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施方式。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的构思和前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于狭窄空间的高续航能力飞行器，其特征在于，包括机体、设置于机体底部的有效载荷单元和连接在机体周围且在同一水平面的六个支撑臂；所述六个支撑臂包括两个大支撑臂和四个小支撑臂，两个大支撑臂位于机体前后相对侧，且成一直线，四个小支撑臂两两对称设置于机体左右相对侧，且与大支撑臂垂直，每个大支撑臂端部设有一升力旋翼和一直接驱动升力旋翼的直流无刷电机，每个小支撑臂端部设有一控制旋翼和一直接驱动控制旋翼的直流无刷电机。

2.根据权利要求1所述的高续航能力飞行器，其特征在于，所述升力旋翼的尺寸大于控制旋翼的尺寸。

3.根据权利要求1所述的高续航能力飞行器，其特征在于，所述有效载荷单元下设有起落架。

4.根据权利要求1所述的高续航能力飞行器，其特征在于，所述机体为长方体。

5.根据权利要求1所述的高续航能力飞行器，其特征在于，还包括飞行控制系统，所述飞行控制系统包括飞行控制器、数据采集单元、图像处理单元、前置摄像机，所述前置摄像机安装于机体前侧中间位置，所述数据采集单元与飞行控制器连接，用于采集飞行器的高度数据、姿态数据和位置数据，所述图像处理单元分别与飞行控制器和前置摄像机连接，用于根据颜色和纹理分割对前置摄像机拍摄的图像进行实时处理，以查找地面、障碍物和天空，从而估计飞行器相对于狭窄空间中间的相对位置。

6.根据权利要求5所述的高续航能力飞行器，其特征在于，所述数据采集单元包括惯性测量单元、GPS单元、气压传感器和安装在机体底部的超声波高度传感器。

7.根据权利要求1所述的高续航能力飞行器，其特征在于，所述有效载荷单元包括4个全向摄像机，用于拍摄飞行器左右侧的图像。

8.根据权利要求1所述的高续航能力飞行器，其特征在于，两个升力旋翼的旋转方向相反，相邻两个控制旋翼的旋转方向相反。