CN107953995A - 一种浮空器无人机的组合*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种浮空器无人机组合***，浮空器为母体，在空中为作业无人机提供相应的支持。无人机电力***由浮空器携带的电源***提供，电源***可让旋翼无人机在空中长时间停留。浮空器还可以根据作业需求，携带液罐等设备。无人机执行农药喷洒等任务时，无人机不需要反复落地换药。无人机不需要飞行时，可在浮空器停机坪反向停机，停机时无人机无能源消耗。整个***极大的提高了旋翼无人机的作业能力和作业效率。
Description
技术领域
本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种浮空器无人机。
背景技术
旋翼无人机升力完全依靠旋翼电机带动旋翼叶片提供，耗能大，无法胜任长时间空中作业。无论是航拍作业还是执行大面积农药喷洒，其作业时间都较短。
目前提高旋翼无人机续航能力的设计方案大多数是依靠的是电池容量的增大，但是电池容量增大使得无人机的负重变大，而采用高能效高密度电池，增加了成本，而且能够起到的效果并不明显。
在无人机执行植保任务时，对于需要进行喷洒农药等工作时，由于其负载有限，携带药量有限，故每次喷洒范围较小，许多次作业。
一般旋翼无人机完成各类工作，除了自重以外，还需要携带相关设备，从连续作业能力来看，无论旋翼无人机具备多大的负重能力，其携带的设备重量都有很大的限制，限制了其作用的发挥。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中针对旋翼无人机执行飞行作业时续航能力极为有限，连续作业时操作手需要携带多块电池，并且无人机需要降落换电池；无人机携带药品进行植保等任务时，其带药量很低，每次作业范围有限。
为解决上述问题，本发明提供一种浮空器无人机组合***，该***可让旋翼无人机在空中长时间停留，无人机电力***由浮空器携带的电源***提供，电源***除了在地面充满外，还可以利用浮空器上表面的太阳能板向蓄电池充电。除了电源***，浮空器还可以根据作业需求，携带液罐等设备，在无人机执行农药喷洒等任务时，无人机不需要落地；在旋翼无人机不需要飞行时，可在浮空器停机坪反向停机，停机时无人机无能源消耗。无人机机身可不携带电池，由电缆供电，减低了飞行自重，可携带更多的外挂设备。由于液罐不在无人机机身上，所以无人机负重较低，而且浮空器可以携带重量更大的液罐，无人机执行农药喷洒任务时可以在更大范围内长时间起作用，整个***极大的提高了旋翼无人机的作业能力和作业效率。
本发明共分为五个部分组成，分别是浮空器***、电源控制***、停机***、缆线收纳***和外挂液罐***。
浮空器***包括了囊体、升降控制器、推进器、液罐腔、连接杆、吊舱、吊舱停机吸盘。
进一步的，囊体与吊舱通过连接杆连接，连接杆内部可以布线，升降控制器通过对囊体内部副气囊空气量的控制，改变浮力大小，实现整体设备的上升和降落，推进器由安装在囊体侧面的多个叶片组成，使浮空器稳定悬停，并可以改变浮空器空中悬停位置，吊舱外壳下表面安装吊舱停机吸盘。
电源控制***包括了太阳能板、充电电缆、输电电缆、充放电控制器和蓄电池。
进一步的，太阳能板安装在囊体上表面，可将太阳能转换为电能；充电电缆经过连接杆与吊舱内的蓄电池连接；蓄电池安装在吊舱内上部，其输出端连接输电电缆；输电电缆由吊舱内下部的电缆集线盘收纳，电缆另一端与无人机连接，为旋翼无人机飞行直接提供电力，充放电控制器管理电能的输入输出。
停机***包括无人机停机连杆、无人机停机吸盘。
进一步的，停机连杆内部空心，下端安装在无人机机体上表面，上端安装无人机停机吸盘，完成安装后，连杆上端高过无人机旋翼叶片高度，在停机连杆侧面高于旋翼叶片位置设置线缆孔，用于电缆和液体软管等线路布置；吊舱停机吸盘为电磁铁，通电时产生吸力，无人机停机吸盘为铁磁性材质，在吊舱停机吸盘通电工作时，无人机停机吸盘可与吊舱停机吸盘吸合，无人机停机吸盘与吊舱停机吸盘配合作用，使旋翼无人机不工作的时候能够在吊舱下方停机。
缆线收纳***包括电缆集线盘、软管集线盘、集线电机、转轴、收纳控制器。
进一步的，电缆集线盘、软管集线盘通过转轴同轴连接，集线电机输出端为转轴另一端，收纳控制器控制电机转向和速率，实现对线缆的收放功能，电缆集线盘、软管集线盘、集线电机、转轴和收纳控制器安装在吊舱内下部。
外挂液罐***包括储液罐、软管，根据浮空器无人机执行的任务决定是否使用。
进一步的，储液罐安装在浮空器的液罐腔内，软管一端连接储液罐，另一端通过连接杆布线位置进入吊舱，通过软管集线盘收纳，并通过无人机停机连杆上的线缆孔接入无人机上的喷液口。
无人机由输电电缆直接供电，不需要携带电池，输电电缆连接旋翼电机，旋翼电机带动旋翼叶片旋转，为无人机提供升力和动力，无人机各个旋翼电机下方设置喷液口，执行喷液任务时连接软管，喷洒农药等液体，无人机下方携带外挂设备，可携带摄像机等航拍设备。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1 浮空器无人机组合***示意图。
图2 电源控制***示意图。
图3 吊舱停机坪示意图。
图4 无人机示意图。
图5 无人机反向空中停机示意图。
图6 出线口集线方式示意图。
具体实施方式
本发明提供一种由浮空器、无人机共同配合工作的组合***，参考示意图，包括1浮空器、2电源控制***、3停机***、4缆线收纳***、5外挂液罐***、6无人机、11囊体、12推进器、13液罐腔、14吊舱、15吊舱停机吸盘、16升降控制器、17连接杆、21太阳能板、22充电电缆、23输电电缆、24充放电控制器、25蓄电池、31无人机停机连杆、32无人机停机吸盘、33线缆孔、41电缆集线盘、42软管集线盘、43集线电机、44转轴、45收纳控制器、46、出线口、51储液罐、52软管、61旋翼、62喷液口、63外挂设备。
在具体实施中，浮空器1包括囊体11、推进器 12、液罐腔 13、吊舱14、吊舱停机吸盘15、升降控制器 16、连接杆17，浮空器1作为母体，携带所有设备升空和降落。囊体11主气囊充有惰性气体氦气，副气囊内通过气阀门控制空气量，副气囊充入空气气囊整体密度变大，浮力减小；副气囊放出空气气囊整体密度变小，浮力增大；囊体与吊舱14通过连接杆17连接；连接杆17内部留有空间可以布线；升降控制器16安装在吊舱内，可以对囊体11内部气体量进行控制，进而调整升力的大小，实现整体设备的上升和降落；推进器12由安装在囊体11侧面的多个旋翼组成，由于空中有气流，推进器12的作用是提供与空中气流方向相反的力，防止浮空器1在空中失控，并可以改变浮空器1空中悬停位置；液罐腔13安装在囊体11内中心位置，确保整体受力平衡，在执行喷洒农药任务时，液罐腔13存入农药，通过软管52、软管集线盘42与无人机喷液口62连接；吊舱14外壳下表面安装吊舱停机吸盘15，吊舱停机吸盘15与无人机停机吸盘32配合作用，实现无人机6在不工作的时候反向停机在吊舱下方。
电源控制***2提供无人机6、缆线收纳***4、推进器12等所有设备的电力，包括太阳能板 21、充电电缆22、输电电缆23、充放电控制器 24、蓄电池25。太阳能板21安装在囊体11上表面，可将太阳能转换为电能，并通过充电电缆22将电能储存在蓄电池25里；充电电缆22布线在连接杆17内部；蓄电池25安装在吊舱14内上部，其输出端连接输电电缆23；输电电缆23由吊舱14内下部的电缆集线盘41收纳，输电电缆23另一端与无人机6连接，为无人机6飞行直接提供电力；充放电控制器24管理电能的输入输出；本发明的其余需要用电设备也通过蓄电池25的输出端供电。
停机***3包括无人机停机连杆31、无人机停机吸盘32、线缆孔 33，其中吊舱停机吸盘15也在停机***中配合作用，吊舱停机吸盘15为电磁铁，通电时产生吸力，无人机停机吸盘32为铁磁性材质，在吊舱停机吸盘15通电工作时，无人机停机吸盘32可与吊舱停机吸盘15吸合；无人机停机连杆31安装在无人机纵轴正上方，一端与无人机机身相连，另一端安装无人机停机吸盘32，无人机停机连杆31内部空心，在无人机停机连杆31侧面高于旋翼61位置设置线缆孔，用于输电电缆23和软管52等线路布置，完成安装后，连杆上端高过无人机旋翼叶片高度；无人机6准备空中反向停机时，首先缓慢飞至吊舱停机吸盘15附近，待缆线收纳***4完成工作后，无人机6飞至吊舱停机吸盘15正下方，并缓慢上升，当无人机停机吸盘32与吊舱停机吸盘15接触后，吊舱停机吸盘15通电产生吸力，无人机被牢牢吸在吊舱14下方，完成停机动作，此状态时无人机无需耗能。
线缆收纳***4包括电缆集线盘41、软管集线盘42、集线电机43、转轴 44、收纳控制器 45、出线口46，如图2所示，电缆集线盘41、软管集线盘42、集线电机43、转轴44和收纳控制器45安装在吊舱内下部，出线口46在吊舱外壳壁上；其中电缆集线盘41、软管集线盘42同轴安装，集线电机43通过转轴44驱动电缆集线盘41、软管集线盘42同步旋转，出线口46处设有集线器，其集线方式如图6所示，通过集线器可将软管52和输电电缆23分别引导至软管集线盘42和电缆集线盘41上，并可同时减弱软管52和输电电缆23进出吊舱时的摩擦阻力，收纳控制器45控制集线电机43转向和速率，实现对线缆的收放动作及收放速率的控制。
外挂液罐***5包括储液罐51、软管 52，根据浮空器无人机执行的任务决定是否使用。储液罐51安装在浮空器的液罐腔13内，软管52一端连接储液罐13，另一端通过连接杆17进入吊舱14，然后通过软管集线盘42收纳，穿过出线口46和无人机停机连杆31上的线缆孔33，最后通过无人机6内部线路接入喷液口62，执行喷液任务。
无人机6由输电电缆23直接供电，不需要携带电池，输电电缆23连接旋翼电机，旋翼电机带动旋翼61旋转，为无人机6提供升力和动力，无人机各个旋翼电机下方设置喷液口62，执行喷液任务时连接软管52，喷洒农药等液体，无人机下方携带外挂设备63，可携带摄像机等航拍设备。
在具体实施中，本发明首先在地面上运输至执行任务地点附近，并在地面做好包括蓄电池充电、囊体充气等准备工作。
进一步的，本发明起飞和降落时，无人机6反向停机在吊舱14下方，推进器12开始工作，当浮空器将组合***整体输送到指定作业任务，整个组合***处于稳定状态时，无人机6开机，开始执行相关任务。
进一步的，浮空器1起飞时，升降控制器16通过控制副气囊内气阀门减小囊体11副气囊内的空气量，副气囊抽出空气，气囊整体密度变小，浮力增大，当浮力大于组合***的整体重量时，组合***上升；到达指定高度后，升降控制器16通过控制副气囊内气阀门增大囊体11副气囊内的空气量，副气囊充入空气，气囊整体密度变大，浮力减小，组合***上升浮力减小至与组合***整体重力相同时，此时组合***高度保持不变；由于高空的不同作业环境风力影响也不尽相同，此时通过推进器12提供与风力相反的力，使得整个***动态稳定在空中指定高度，此时完成组合***的起飞过程；当组合***需要在空中进行位移时，推进器12可提供动力。
进一步的，浮空器1降落时，升降控制器16通过控制副气囊内气阀门增大囊体11副气囊内的空气量，副气囊充入空气，气囊整体密度变大，浮力减小，当浮力小于组合***的整体重力时，组合***下降，下降过程中囊体11内副气囊的空气量需缓慢变化，确保组合***缓慢下降，与此同时，推进器12需同时工作，保证下降过程中组合***处于一个相对稳定的空域，防止下降时由于关闭推进器12，风力产生的负面影响过大。
在具体实施中，若组合***执行航拍类任务，浮空器1无需携带外挂液罐***5，即无需携带储液罐51、软管52，组合***的整体线路只需布置电缆线。航拍任务开始于浮空器1起飞过程结束，即组合***稳定悬浮在指定空域时。此时充放电控制器24工作，蓄电池25通过输电电缆为无人机6供电，无人机6旋翼61启动，当升力接近无人机自身重力时，吊舱停机吸盘15断电，吸力消失，无人机6脱离浮空器吊舱停机坪，此时线缆收纳***4工作，收纳控制器45控制集线电机43正向旋转，电缆集线盘41正向旋转，促使输电电缆23拉长，配合无人机6飞离浮空器1，并提供无人机6飞行电力和航拍电力，无人机6开始执行各种航拍类任务。
进一步的，无人机6执行完任务，或者暂时不需要执行任务时，其可以在吊舱14下方反向停机。当无人机6需从工作状态转换为静止状态，首先，无人机6逐渐靠近浮空器1，此时线缆收纳***4改变工作方式，收纳控制器45控制集线电机43反向旋转，电缆集线盘41反向旋转，促使输电电缆23缩短；之后，无人机6飞抵吊舱停机吸盘32正下方位置，待线缆收纳***4将线缆收纳完毕后，无人机6继续上升，使无人机停机吸盘32与吊舱停机吸盘15接触，最后，吸盘通电，产生吸力，无人机6反向吸附在吊舱下方；旋翼61停机，此时外挂航拍设备可根据需要决定是否继续工作。
在具体实施中，若组合***执行固定面积较短时间农药喷洒类任务，浮空器1需携带外挂液罐***5，即需携带储液罐51、软管52，组合***的整体线路需布置电缆线和软管52。软管52将储液罐51中的液体传输到无人机喷液口62；此时可不布置电缆和太阳能板21，浮空器1携带少量蓄电池为推进器12、各类控制器、电磁铁等提供能量，无人机外挂设备携带电池，提供自身飞行所需电力，无人机6利用与上述方式相同的方式飞离浮空器1执行喷洒任务或者靠近吊舱14反向停机，因为组合***配有外挂液罐***，无人机6无需自行携带液罐，减轻负重，可较长时间飞行并长时间喷洒农药。
在具体实施中，若组合***需长时间执行病虫害监测、防治工作，既需要携带航拍设备监测农作物生长情况，又需要喷洒农药防止病虫害蔓延，或监测用药效果，此时可将电源控制***2和外挂液罐***5同时携带，浮空器1起飞降落工作方式与上述相同，无人机6飞离浮空器1执行任务和靠近吊舱14反向停机方式与上述过程相同，无人机在执行相关任务时外挂设备63处安装摄像机、喷液口62负责农药等液体喷洒。
在具体实施中，无人机停机连杆31高度根据所带线缆和软管得长度决定，即根据其飞行半径决定，无人机停机连杆31在地面起飞之前调至合适高度，确保无人机飞行时线缆不会与旋翼叶片碰触。
Claims (8)
1.一种浮空器无人机的电源组合***，其特征在于，包括浮空器（1）、电源控制***（2）、停机***（3）、缆线收纳***（4）、无人机（6）；浮空器（1）提供组合***的升力，包括囊体（11）、推进器（12）、吊舱（14）、吊舱停机吸盘（15）、升降控制器（16）、连接杆（17），囊体（11）中的主气囊中充满氦气，副气囊的气阀门由升降控制器（16）控制空气进出，推进器（12）在囊体侧面布置安装，吊舱（14）通过连接杆（17）与囊体连接，连接杆（17）内部设有布线空间，吊舱（14）外壳下表面中心位置安装吊舱停机吸盘（15），吊舱停机吸盘（15）为电磁铁，通电时吸盘可对铁磁性物质产生吸力；电源控制***（2）包括太阳能板（21）、充电电缆（22）、输电电缆（23）、充放电控制器（24）和蓄电池（25），太阳能板（21）安装在囊体上表面，通过充电电缆（22）与蓄电池（25）连接，充电电缆（22）经过连接杆（17）布线空间，充放电控制器（24）和蓄电池（25）安装在吊舱（14）内；停机***（3）实现无人机（6）反向停机，包括无人机停机连杆（31）、无人机停机吸盘（32）、线缆孔（33），无人机停机连杆（31）安装在无人机（6）纵轴正上方，一端与无人机（6）机身相连，另一端安装无人机停机吸盘（32），无人机（6）停机时，吊舱停机吸盘（15）和无人机停机吸盘（32）互相吸合，无人机停机连杆（31）侧面高于旋翼（61）位置设置线缆孔，无人机停机连杆（31）上端高过无人机旋翼叶片高度，输电电缆（23）一端与蓄电池（25）连接，另一端穿过线缆孔（33）、通过无人机停机连杆（31）内部进入无人机；线缆收纳***（4）控制输电电缆（23）收放长度，包括电缆集线盘（41）、集线电机（43）、转轴（44）、收纳控制器（45）、出线口（46）、集线器（47），电缆集线盘（41）、集线电机（43）、转轴（44）和收纳控制器（45）安装在吊舱（14）内下部，出线口（46）在吊舱外壳壁上，集线器（47）在出线口内安装，集线电机（43）通过转轴（44）驱动电缆集线盘（41）旋转，以实现输电电缆（23）的收放；无人机（6）为旋翼无人机，包括旋翼（61）、外挂设备（63），外挂设备在无人机（6）机身下方，无人机（6）所需电力消耗由输电电缆（23）提供。
2.如权利要求1所述的电源组合***，其特征在于无人机停机吸盘（32）为铁磁性材质，包括但不限于铁、铬和镍。
3.如权利要求1所述的电源组合***，其特征在于推进器（12）以囊体（11）中心对称安装，其数量为4个、8个、12个或16个。
4.如权利要求1所述的电源组合***，其特征在于电缆线采用BV、BVR 聚氯乙烯绝缘电缆。
5.如权利要求1所述的电源组合***，其特征在于太阳能板（21）采用柔性薄膜。
6.如权利要求1所述的电源组合***，其特征在于囊体（11）中副气囊的个数为1个或2个。
7.如权利要求1所述的电源组合***，其特征在于吊舱（14）为钛铝合金材质。
8.如权利要求1所述的喷液组合***，其特征在于无人机的旋翼个数为4个、6个或8个。
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