CN101934858A - 一种小型电动涵道螺旋桨式智能无人飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种小型电动涵道螺旋桨式智能无人飞行器。飞行器由涵道围壳、支架、共轴反转螺旋桨、整流罩、电池、电动机、驱动控制电路和微控制器组成。机体外观为碟形，在旋翼外增加了涵道围壳，消除了传统结构旋翼暴露在外所造成飞行安全威胁，并增加了螺旋桨的工作效率；飞行器使用共轴反转式双旋翼设计，不需要设置尾旋翼来抵消机身的惯性自转，节省了材料并扩大了运行空间；螺旋桨由电动机驱动，电动机由驱动控制电路伺服控制；飞行器在空中的水平方向运动由螺旋桨下方的可偏转导流板来配合实现。此外，飞行器的涵道围壳中有多方位方便式插槽以供随时安装拆换各种传感器，微控制器综合处理各个传感器回馈的信息后，根据任务进行自主式飞行控制。
Description
技术领域
本发明涉及微型飞行器领域，与信号处理，自动飞行控制，人工智能领域。
背景技术
近年来随着空气动力学的发展与材料学的进步，飞行器的尺寸得以小型化。最近出现了很多微型电动直升机，全长在30厘米至100厘米之间，最小的可达12厘米。除单旋翼加尾旋翼的传统组合外，共轴反桨式与四轴式飞行器也大量涌现。如南京航空航天大学研制的“御精灵”等。
然而，机械结构上，这些飞行器都存在着螺旋桨暴露的问题。飞行中的任何碰撞都会导致其本身的坠毁，并危及附近的其他物品、甚至人身安全；从智能化方面考察，这些飞行器均需要人的直接遥控，或者智能化程度很低甚至不具备智能。
发明内容
本发明是一种智能垂直起降飞行器与智能技术的结合。机械部分，机体外观为碟形，以涵道围壳保护螺旋桨并增加螺旋桨效率；使用共轴反转式双旋翼设计，不设尾旋翼；螺旋桨由电动机驱动；螺旋桨下方有可偏转的导流板，实现飞行器在空中的移动。除此之外，在电子***与智能控制部分，飞行器的涵道围壳中有多方位方便式插槽以供随时安装拆换各种传感器，飞行器可根据实际需要安装多种传感器以探知外界环境信息；控制电路与微控制器综合处理所有传感器反馈的信息后自动控制飞行状态，并根据任务要求进行自主式飞行。
附图说明
图1是本发明涉及的飞行器外部形状及结构的正视示意图，视角自上而下。
图2是本发明涉及的飞行器内部形状及结构的剖面侧视示意图，视角为水平方向。
图3是本发明涉及的飞行器的外观立体结构视示意图，视角为斜向下45度角。
图4是本发明涉及的控制***的工作流程示意图。
这种飞行器由围壳1、支架2、共轴反转螺旋桨3、导流板4、电动机5、电池6，控制电路7与传感器阵列组成。围壳1与支架2和螺旋桨整流罩一起，将螺旋桨3包围在内，起到防撞作用的同时，其构成的涵道还增加了螺旋桨的效率。共轴反转的双螺旋桨3分别由两个电动机5驱动，提供升力。飞行姿态的控制通过支架上的导流板4的偏转来实现。超声波测距(9)，红外测距(10)，声音传感器(11)，视频传感器(12)等多种传感器安装在围壳1上设置的模块化传感器插槽(8)中，陀螺仪(14)，电池6与控制电路7固定在支架中央的舱室中，控制电路收集传感器信息并进行综合处理后，通过控制各舵机的动作和电动机功率调整飞行姿态，并决定是否开启网络传输设备(13)，并将视频等信息发送至其他计算机。
具体实施方式
围壳1为环形结构，以轻型材料(如泡沫塑料)制成，高15厘米，外径80厘米，内径65厘米。包围在螺旋桨周围，固定在支架上，可抵受一定程度的撞击，同时，围壳包围螺旋桨，也构成了螺旋桨的涵道，阻止翼尖下端的空气从***向上流动，改善了螺旋桨的工作环境，增加了螺旋桨的效率。围壳上端进气口边缘为弧形，可增加升力。
围壳1上预设有多个可插拔接口(8)用于各种传感器的安装，可用的选择有声音传感器(11)，视频传感器(12)，红外线测距传感器(10)，超声测距波传感器(9)等。传感器信号线依附于围壳1与支架2布设到达支架飞行器中心的控制电路。
支架2为十字形，以碳纤管为骨架制作，外敷泡沫塑料，做成流线型切面，以减少对螺旋桨气流的扰动。支架是整个飞行器的骨架，其他设备均固定于支架上。围壳1固定在支架***的四个端点上。支架中央有舱室，以容纳各种电子设备和电池。
两幅螺旋桨3规格对称，沿同一轴，即飞行器中轴线旋转，但旋转方向相反，上下桨叶由两个电动机5分别驱动。电动机的转速由控制电路7调节。悬停状态下，驱动双桨旋转产生的反作用力相互抵消。需要转向时，调节两个电动机的动力，上下双桨对主轴产生的反作用力之和不为零时，飞行器即开始自转。反向调节动力以令飞行器停止旋转甚至向另一个方向旋转。双桨功率同时增大则飞行器上升，反之下降。
支架四个分支的下方各有一个缺口，铰接可动导流板4，共有四片。其结构类似于固定翼飞机的襟翼。通过舵机驱动导流板，使飞行器具有水平机动能力。例如，转动：当导流板均向顺时针方向偏转时，飞行器向逆时针方向转动，反之相反；平动：与运动方向相垂直的两个导流板均向运动方向的反方向偏转；通过全部的导流板联合动作，可获得水平方向上的任意的运动方式。
导流板与电机功率的调节，共同构成了对飞行器进行姿态控制的硬件基础。
电池6和控制电路7都安装在机身中下部的舱室内，固定于支架2上。控制电路中含有可编程芯片，程序汇集各传感器的信息进行综合处理后，调节各电动机的功率，与各导流板偏转角度，以控制飞行姿态，躲避障碍物，决定飞行路线。所有传感器的信息均可通过网络连接设备(13)发送至其他电脑，或备份保存，便于以后随时检查飞行状态，或进行进一步的处理，如声音识别，视觉认知等。
各传感器的作用举例：红外线测距传感器和超声波测距传感器可以获得障碍物的距离，方位信息，处理器获得这些信息后，经过与地图对比，即可得知自身位置；再结合陀螺仪的数据，可知自身的姿态；由此可进行飞行控制；视频传感器可以获得环境的图像，声音传感 器可以拾取环境中的声音信号，在控制器认为必要的时候，网络传输设备打开，相关信息被发送至局域网或者互联网上。
飞行控制采取闭环控制设计。首先要保持飞行状态的稳定，陀螺仪及加速计测量得飞行器的姿态及运动方式后，与目标飞行姿态作对比，并根据二者差值做出补偿动作。飞行路线控制则根据测量到与各障碍物的举例，并根据地图定位后，与目标位置作对比，并根据二者差值做出补偿动作。
图4中，上方的虚线框内为飞行控制流程图，下方为数据传输流程。
除默认情况下的全自动控制模式外，也可手动控制飞行器的行动。飞行器在飞行中会逐步根据传感器信息建立所在地的地图，并参照地图进行自我定位。
本发明涉及的飞行器具有噪音小，飞行稳定，耐撞击的特点。可广泛应用于室内，市区侦查，家庭生活，体育娱乐以及农业生产等领域。
Claims (3)
1.一种小型电动涵道螺旋桨式智能无人飞行器，是人工智能技术、自动化技术与涵道升力直升机的结合；飞行器外形扁平，中央为共轴反转的双螺旋桨，轴与水平面垂直，轴向拉力直接提供升力；螺旋桨四周有围壳保护，围壳构成空气涵道，增加螺旋桨的气动效率；螺旋桨下方有可动导流板，可控制飞行器在空中移动；此系列飞行器螺旋桨直径从20厘米到100厘米不等，涵道长度从5厘米到50厘米不等；飞行器上可安装有多种传感器，至少包括测距传感器，陀螺仪，由控制电路实现飞行姿态，飞行路线的自动管理。
2.根据权利要求1所述的智能飞行器，其特征在于：通过网络连接与其他计算机通讯，可以将各传感器的信息发送至其它计算机，以实现进一步的智能化处理，如自我定位，人体探测，声音识别等，也可以从其它计算机获取指令。
3.根据权利要求2所述的智能飞行器，其特征在于：围壳上设有模块化的传感器接口，可以根据需要换插各种传感器，如红外线传感器，超声波传感器，音频传感器和视频传感器等。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20110105 |