TWI629213B - 無人飛行器 - Google Patents

Abstract

一種無人飛行器，包括一機體以及一氣流推進器。機體具有一中心軸轂、一氣流導引結構以及一外環部。氣流導引結構之內部連通於中心軸轂與外環部之間，中心軸轂具有一氣流入口，且外環部設有多個側向導引出口，此些側向導引出口對應朝向無人飛行器的重力方向。氣流推進器設置於中心軸轂內，用以產生複數個噴射氣流，使此些噴射氣流經由氣流導引結構流向此些側向導引出口，以產生推進力。

Description

無人飛行器

本發明是有關於一種飛行器，且特別是有關於一種無人飛行器。

無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV)近年來受到注目及報導。除了用無人機空拍之外，更可使用於救災、探勘、送貨等場合。由於無人飛行器的價格越來越低，且使用的人越來越多，在娛樂或商業上的應用也越來越廣，因此無人飛行器的市場已勢不可擋。

然而，近日新聞常有報導無人飛行器掉落而傷害人的事件，因而無人飛行器所引發的安全問題必定要早日防範。此外，如何減輕機體的重量及旋翼的數量也是亟待開發的重點之一。

本發明係有關於一種無人飛行器，以中心氣流動力產生多個用來控制無人飛行器的噴射氣流，做為無人飛行器的動力來源。

根據本發明之一方面，提出一種無人飛行器，包括 一機體以及一氣流推進器。機體具有一中心軸轂、一氣流導引結構以及一外環部。氣流導引結構之內部連通於中心軸轂與外環部之間，中心軸轂具有一氣流入口，且外環部設有複數個側向導引出口，此些側向導引出口對應朝向無人飛行器的重力方向。氣流推進器設置於中心軸轂內，用以產生複數個噴射氣流，使此些噴射氣流經由氣流導引結構流向此些側向導引出口，以產生推進力。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧無人飛行器

101‧‧‧機體

110‧‧‧中心軸轂

112‧‧‧氣流入口

120‧‧‧氣流導引結構

121~124‧‧‧四個通道

125‧‧‧外環面

126‧‧‧開口

127‧‧‧第一斜向出風柵門

128‧‧‧第二斜向出風柵門

130‧‧‧外環部

131‧‧‧環狀片

132‧‧‧側向導引出口

140、140-1、140-2‧‧‧氣流推進器

141‧‧‧隔板

142‧‧‧電動機

143‧‧‧轉軸

144‧‧‧葉片組

146‧‧‧控制裝置

150‧‧‧氣流控制器

Ain‧‧‧入口氣體

A1~A4‧‧‧四個噴射氣流

X‧‧‧第一軸線

Y‧‧‧第二軸線

Z‧‧‧第三軸線

M‧‧‧重量

W‧‧‧重力方向

G‧‧‧底側間隙

Q1~Q4‧‧‧四個象限

C1‧‧‧第一旋轉方向

C2‧‧‧第二旋轉方向

D1‧‧‧第一方位

D2‧‧‧第二方位

第1圖繪示依照本發明一實施例之無人飛行器的外觀示意圖。

第2圖繪示第1圖之無人飛行器沿著B-B剖面線的示意圖。

第3圖繪示第1圖之無人飛行器的氣流導引結構的分解示意圖。

第4圖繪示無人飛行器的氣流導引結構的剖面示意圖。

第4-1圖繪示另一實施例之無人飛行器的氣流導引結構的剖面示意圖。

第5A圖繪示無人飛行器的各出口方向的噴射氣流的分布圖。

第5B~5D圖繪示控制各出口方向的噴射氣流使無人飛行器上升、下降及懸停的示意圖。

第6A及6B圖繪示控制各出口方向的噴射氣流使無人飛行器 逆時鐘旋轉的示意圖。

第7A及7B圖繪示控制各出口方向的噴射氣流使無人飛行器順時鐘旋轉的示意圖。

第8A及8B圖繪示控制各出口方向的噴射氣流使無人飛行器向前移動的示意圖。

第9A及9B圖繪示控制各出口方向的噴射氣流使無人飛行器向後移動的示意圖。

在本發明之一實施例中，提出一種無人飛行器，用以產生控制飛行方向的多個噴射氣流，本實施例之無人飛行器的機體中心僅有單個氣流推進器，以使葉片或旋翼不會外露在機體外，安全性較佳，相對於傳統四旋翼飛行器具有四個旋翼以及四個馬達，重量較重，且四個旋翼外露在機體外側，容易傷害人或周圍的事物，故本發明之無人飛行器可避免旋翼高速旋轉時產生的殺傷力。

在本發明之一實施例中，各出口方向的噴射氣流的推進力可以相等或不相等。例如，在各出口方向的噴射氣流的推進力相等的情況下，當噴射氣流產生的推進力大於無人飛行器的重力時，無人飛行器上升，而當噴射氣流產生的推進力小於無人飛行器的重力時，無人飛行器下降，當噴射氣流產生的推進力等於無人飛行器的重力時，無人飛行器懸停。

在本發明之一實施例中，噴射氣流的數量為大於1的整數或偶數，例如二個、三個、四個、六個或八個等等，本發明不以此為限，且氣流控制器可藉由改變通過各通道的氣流量大

小、流速來控制通道出口處的氣流推進力，氣流控制器例如是一電子閥門或具有電子閥門的控制器。在一實施例中，藉由計算單位時間內通過各個通道的氣流量大小即可得知各個通道內噴射氣流的推進力。

此外，在本發明之一實施例中，噴射氣流可藉由通道出口處的氣流導引元件(例如導引槽、孔板、柵門或肋板)改變出口方向，以產生不同角度的第一斜向氣流與第二斜向氣流。舉例來說，當第一斜向氣流產生的推進力大於第二斜向氣流產生的推進力時，無人飛行器以一第一旋轉方向旋轉，而當第二斜向氣流產生的推進力大於第一斜向氣流產生的推進力時，無人飛行器以一第二旋轉方向旋轉，第一旋轉方向與第二旋轉方向相反，當第一斜向氣流產生的推進力等於第二斜向氣流產生的推進力時，無人飛行器不旋轉。

另外，在各個出口方向的噴射氣流的推進力不相等的情況下，無人飛行器可藉由控制部分噴射氣流的氣流量，使其小於其他噴射氣流的氣流量，而產生左右或前後水平移動。例如，在前後移動的方位上，藉由控制前方出口方向的噴射氣流的氣流量小於後方出口方向的噴射氣流的氣流量，使無人飛行器往前移動，或是藉由控制後方出口方向的噴射氣流的氣流量小於前方出口方向的噴射氣流的氣流量，使無人飛行器往後移動。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1、2及3圖，依照本發明一實施例之無人飛行器100包括一機體101、一氣流推進器140以及多個氣流控 制器150。機體101的中心具有一中心軸轂110，而氣流推進器140設置於中心軸轂110內。此外，接收器等控制裝置146及蓄電池可設置在中心軸轂110內，其中接收器用以接收外部的控制訊號，以對各氣流控制器150進行操控，蓄電池用以提供氣流推進器140所需的電力。在實際應用方面，使用者可透過無線遙桿或手持無線電子裝置來操控無人飛行器100，或透過定位系統使無人飛行器100直接飛往指定地點，同時也可包括在無人飛行器100上架設攝影機，以進行監控或空拍等任務。

在一實施例中，中心軸轂110的上方例如為一格柵，其具有一可供入口氣體Ain通過的氣流入口112，格柵可避免異物進入中心軸轂110內而影響氣流推進器140的運行。入口氣體Ain例如是空氣，此入口氣體Ain經由氣流推進器140增壓之後形成噴射氣流A1~A4，接著，噴射氣流A1~A4再經由氣流導引結構120的導引、控制而從不同出口方向噴出，以做為無人飛行器100的動力來源。

在第2圖中，氣流推進器140包括一電動機142以及一葉片組144(或旋槳)。電動機142的中心具有一轉軸143，而葉片組144設置在轉軸143上。電動機142用以驅動葉片組144旋轉，以產生噴射氣流A1~A4。葉片組144例如是離心式加壓葉輪，用以加壓通過氣流入口112的入口氣體Ain。入口氣體Ain例如是平行於中心軸轂110的軸向(Z軸方向)進入中心軸轂110，經葉片組144加壓後形成往中心軸轂110的徑向(垂直於Z軸方向)流動的噴射氣流A1~A4。

此外，機體101具有一氣流導引結構120以及一外 環部130，而環狀片131設置在外環部130。氣流導引結構120之內部連通於中心軸轂110與外環部130之間，且氣流導引結構120用以導引入口氣體Ain通過各通道121~124而進入到外環部130。

在一實施例中，氣流導引結構120例如具有四個通道121~124，但本發明不以此為限，第一通道121與第三通道123例如位於第一軸線X上，而第二通道122與第四通道124例如位於第二軸線Y上，第一軸線X與第二軸線Y相交於中心軸轂110的中心線。也就是說，每個通道121~124由中心軸轂110徑向延伸(即垂直於中心軸向延伸)至外環部130，以產生四個不同方向的第一噴射氣流A1、第二噴射氣流A2、第三噴射氣流A3以及第四噴射氣流A4。

此外，在第3圖中，氣流導引結構120具有一外環面125，且四個通道121~124於外環面125上例如具有四個可供此些噴射氣流A1~A4通過的開口126，使噴射氣流A1~A4大致上呈水平氣流進入到外環部130。

請參照第2、3及4圖，外環部130於第一軸線X上例如設有2個側向導引出口132，且外環部130於第二軸線Y上例如設有2個側向導引出口132，但本發明不以此為限。每個側向導引出口132對應朝向無人飛行器100的重力方向W。也就是說，側向導引出口132所對應的方向(重力方向W)大致上與各通道121~124的延伸方向垂直。此外，外環部130設有一環狀片131，此環狀片131包覆於氣流導引結構120之外環面125，且環狀片131與外環面125之間相隔一底側間隙G。此環狀片131用 以導引通過此些開口126的噴射氣流A1~A4轉向至無人飛行器100的重力方向W，並經由底側間隙G排出各個側向導引出口132之外。

請參照第3圖，在一實施例中，外環面125以中心軸轂110為中心區例如分為四個象限Q1~Q4，且四個通道121~124分別位於四個象限Q1~Q4中。外環面125於第一及第三象限Q1、Q3內分別設有一第一斜向出風柵門127，例如由左上向右下傾斜，以導引噴射氣流A1、A3產生一第一斜向氣流。此外，外環面125於第二及第四象限Q2、Q4內分別設有一第二斜向出風柵門128，例如由右上向左下傾斜，以導引此些噴射氣流A2、A4產生一第二斜向氣流。換句話說，位於第一軸線X上的二噴射氣流A1、A3經過環狀片131及位於第一及第三象限Q1、Q3內的第一斜向出風柵門127(數量不定，例如20~30個)的導引而往右下傾斜，用以產生第一斜向氣流，而位於第二軸線Y上的二噴射氣流A2、A4經過環狀片131及位於第二及第四象限Q2、Q4內的第二斜向出風柵門128(數量不定，例如20~30個)的導引而往左下傾斜，用以產生第二斜向氣流。第一斜向氣流與第二協向氣流在外環面125上交替排列，但不限定只有四個，亦可六個、八個或更多。

請參照第4圖，在一實施例中，無人飛行器100可藉由氣流控制器150來控制各出口方向的噴射氣流A1~A4的推進力。噴射氣流A1~A4的推進力與單位時間內通過各通道121~124的氣流量大小有關，且氣流量大小(或推進力大小)與中心軸轂110內氣流推進器140的轉速、葉片的形狀及大小所造成的氣壓差有 關，即氣壓差越高，推進力越大。例如：氣流控制器150調整閥門的開度，以改變各通道121~124內的氣流量，藉此，計算單位時間內通過各個通道121~124的氣流量大小即可得知各個通道121~124內噴射氣流A1~A4的推進力。

在一實施例中，當第一軸線X上的第一噴射氣流A1與第三噴射氣流A3的推進力相等，且第二軸線Y上的第二噴射氣流A2與第四噴射氣流A4的推進力相等時，無人飛行器100在第一軸線X及第二軸線Y上動力平衡，因此無人飛行器100僅會在垂直於第一軸線X與第二軸線Y的第三軸線Z上運動(例如上升、下降等)。

請參照第4-1圖，在另一實施例之無人飛行器100-1中，設置多個氣流推進器140-1、140-2於中心軸轂110內，例如2個、3個或4個。氣流推進器140-1、140-2之間可藉由隔板141區隔，以形成多個空間。當氣流推進器為2個時，每個氣流推進器可產生兩個噴射氣流至相對應的兩個通道。當氣流推進器為3或4個時，每個氣流推進器可產生一個噴射氣流至相對應的一個通道或二個通道。在一實施例中，當氣流推進器為4個，且通道的數量為4個時，每個通道121~124內的氣流量可由獨立的氣流推進器來控制，或由每個通道121~124內的氣流控制器150來控制。

如第5A圖所示，當第一噴射氣流A1、第二噴射氣流A2、第三噴射氣流A3與第四噴射氣流A4的推進力相等(以A1=A2=A3=A4表示)，且第一斜向氣流(即第一噴射氣流A1與第三噴射氣流A3)產生的推進力實質上等於第二斜向氣流(即第二 噴射氣流A2與第四噴射氣流A4)產生的推進力時，由於左旋的推進力等於右旋的推進力，因此無人飛行器100不會旋轉。在第5B圖中，當第一至第四噴射氣流A1~A4的推進力大於無人飛行器100的重力M時(以A1+A2+A3+A4>M表示)，無人飛行器100上升。在第5C圖中，當第一至第四噴射氣流A1~A4的推進力小於無人飛行器100的重力M時(以A1+A2+A3+A4<M表示)，無人飛行器100下降。在第5D圖中，當第一至第四噴射氣流A1~A4的推進力等於無人飛行器100的重力M時(以A1+A2+A3+A4=M表示)，無人飛行器100懸停。

請參照第6A及6B圖，在一實施例中，當第一斜向氣流(即第一噴射氣流A1與第三噴射氣流A3)產生的推進力大於第二斜向氣流(即第二噴射氣流A1~A4與第四噴射氣流A1~A4)產生的推進力時(以A1+A3>A2+A4表示)，無人飛行器100以一第一旋轉方向C1旋轉，例如是逆時鐘旋轉。請參照第7A及7B圖，在一實施例中，當第一斜向氣流(即第一噴射氣流A1與第三噴射氣流A3)產生的推進力小於第二斜向氣流(即第二噴射氣流A2與第四噴射氣流A4)產生的推進力時(以A1+A3<A2+A4表示)，無人飛行器100以一第二旋轉方向C2旋轉，例如是順時鐘旋轉。

此外，請參照第8A及8B圖，當第一噴射氣流A1的推進力等於第二噴射氣流A2的推進力，且第三噴射氣流A3的推進力等於第四噴射氣流A4的推進力時，第一斜向氣流與第二斜向氣流的推進力相等而不會旋轉，但由於第一噴射氣流A1與第二噴射氣流A2產生的推進力小於第三噴射氣流A3與第四噴 射氣流A4產生的推進力(以A3+A4>A1+A2表示)，無人飛行器100朝推進力較小的第一方位D1傾斜，例如向右方傾斜。由於無人飛行器100傾斜的緣故，使原本朝向重力方向W的四個噴射氣流A1~A4不再朝向無人飛行器100的重力方向W噴出，而是向左下傾斜噴出，以產生向右的推進力，並驅動無人飛行器100往第一方位D1橫向移動，例如向前移動。在一實施例中，一旦四個噴射氣流A1~A4的推進力變成相等時，無人飛行器100可回復到原本懸停的狀態而不再橫向移動。

接著，請參照第9A及9B圖，當第一噴射氣流A1與第二噴射氣流A2產生的推進力大於第三噴射氣流A3與第四噴射氣流A4產生的推進力時(以A3+A4<A1+A2表示)，無人飛行器100朝推進力較小的第二方位D2傾斜，例如向左方傾斜。由於無人飛行器100傾斜的緣故，使原本朝向重力方向W的四個噴射氣流A1~A4不再朝向無人飛行器100的重力方向W噴出，而是向右下傾斜噴出，以產生向左的推進力，並驅動無人飛行器100往第二方位D2橫向移動，例如向後移動。

由此可知，只要控制各出口方向的噴射氣流的大小相等或不相等，使機體水平或傾斜，即可控制無人飛行器上升、下降、懸停、向右旋轉、向左旋轉、水平移動等動作。除此之外，在其他實施例中，透過改變氣流的方向及更多的變化和控制，無人飛行器還可進行翻轉、斜向飛行或其他飛行方式，本發明對此不加以限制。

本發明上述實施例所揭露之無人飛行器，其葉片或旋翼不會外露在機體外，安全性較佳，可避免旋翼高速旋轉時產 生的殺傷力。此外，旋翼的數量減少，馬達的數量也減少，故整體重量減輕，且本發明僅以中心氣流動力產生放射狀的噴射氣流，能減少氣流相互干擾或受到外部氣流影響，還可藉由通道出口處的氣流導引元件(例如導引槽、孔板、柵門或肋板)改變出口方向，以產生不同角度的第一斜向氣流與第二斜向氣流，使無人飛行器產生旋轉，進而提高穩定性，並減少無人飛行器掉落的危險。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

1. 一種無人飛行器，包括：一機體，具有一中心軸轂、一氣流導引結構以及一外環部，該氣流導引結構之內部連通於該中心軸轂與該外環部之間，該中心軸轂具有一氣流入口，且該外環部設有複數個側向導引出口，該些側向導引出口對應朝向該無人飛行器的重力方向；以及一氣流推進器，設置於該中心軸轂內，用以產生複數個噴射氣流，使該些噴射氣流經由該氣流導引結構流向該些側向導引出口，以產生推進力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行器，其中該氣流推進器包括一電動機以及一葉片組，該電動機驅動該葉片組旋轉，以產生該些噴射氣流，其中當該些噴射氣流產生的推進力大於該無人飛行器的重力時，該無人飛行器上升，而當該些噴射氣流產生的推進力小於該無人飛行器的重力時，該無人飛行器下降，當該些噴射氣流產生的推進力等於該無人飛行器的重力時，該無人飛行器懸停。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行器，其中該氣流導引結構具有N個通道，N為大於1的偶數，當N為4時，第一通道與第三通道位於第一軸線上，第二通道與第四通道位於一第二軸線上，該第一軸線與該第二軸線相交於該中心軸轂的中心線。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無人飛行器，其中該氣流導引結構具有一外環面，且該N個通道於該外環面上具有N個可供該些噴射氣流通過的開口。
5. 如申請專利範圍第4項所述之無人飛行器，其中該機體的外環部設有一環狀片，該環狀片包覆於該氣流導引結構之該外環面，且該環狀片與該外環面之間相隔一底側間隙，該環狀片用以導引通過該些開口的該些噴射氣流轉向至該無人飛行器的重力方向，並經由該底側間隙排出該些側向導引出口之外。
6. 如申請專利範圍第3項所述之無人飛行器，更包括N個氣流控制器，分別設置於該N個通道內，以控制各通道內該些噴射氣流的推進力。
7. 如申請專利範圍第6項所述之無人飛行器，其中該外環面以該中心輪轂為中心區分為四個象限，且N為4時，該四個通道分別位於該四個象限中，該外環面於第一及第三象限內分別設有一第一斜向出風柵門，以導引該些噴射氣流產生一第一斜向氣流，該外環面於第二及第四象限內分別設有一第二斜向出風柵門，以導引該些噴射氣流產生一第二斜向氣流，其中，當該第一斜向氣流產生的推進力大於該第二斜向氣流產生的推進力時，該無人飛行器以一第一旋轉方向旋轉，而當該第一斜向氣流產生的推進力小於該第二斜向氣流產生的推進力時，該無人飛行器以一第二旋轉方向旋轉，該第一旋轉方向與該第二旋轉方向相反，當該第一斜向氣流產生的推進力等於該第二斜向氣流產生的推進力時，該無人飛行器不旋轉。
8. 如申請專利範圍第6項所述之無人飛行器，其中該外環面以該中心輪轂為中心區分為四個象限，且N為4時，該四個通道分別位於該四個象限中，該些噴射氣流於第一至第四象限內分別產生一第一噴射氣流、一第二噴射氣流、一第三噴射氣流以及一第四噴射氣流，其中，當該第一噴射氣流與該第二噴射氣流產生的推進力小於該第三噴射氣流與該第四噴射氣流產生的推進力時，該無人飛行器朝推進力較小的第一方位傾斜，使該些噴射氣流不朝向該無人飛行器的重力方向噴出，並驅動該無人飛行器往該第一方位橫向移動，當該第一噴射氣流與該第二噴射氣流產生的推進力大於該第三噴射氣流與該第四噴射氣流產生的推進力時，該無人飛行器朝推進力較小的第二方位傾斜，使該些噴射氣流不平行於該無人飛行器的重力方向噴出，並驅動該無人飛行器往該第二方位橫向移動，其中該第一方位與第二方位相反，當該第一噴射氣流與該第二噴射氣流產生的推進力等於該第三噴射氣流與該第四噴射氣流產生的推進力時，該無人飛行器懸停。
9. 如申請專利範圍第6項所述之無人飛行器，其中該氣流控制器為一電子閥門或具有該電子閥門的控制器，該氣流控制器調整閥門的開度，以控制各通道出口處的氣流推進力。
10. 如申請專利範圍第2項所述之無人飛行器，其中該葉片組為離心式加壓葉輪，用以加壓通過該氣流入口的一入口氣體，該入口氣體平行於該中心軸轂的軸向進入該中心軸轂，經該葉片組加壓後形成往該中心軸轂的徑向流動的該些噴射氣流。
11. 如申請專利範圍第1項所述之無人飛行器，其中該氣流推進器為多個，各氣流推進器對應產生至少一個噴射氣流。