CN108146608A - 一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，包括浮空器与旋翼动力模块。旋翼动力模块中旋翼为由激光一次成型的8字型框架和柔性薄膜张成桨叶，周向等间距安装在浮空器最大直径圆面上，分为水平和垂直两种布局，可实现矢量推进的旋翼模块有规律编程输出动力，可完成飞行器各个方向的快速运动，包括爬升、下降、悬停、以及自旋等。浮空器的顶端设计有柔性薄膜太阳能电池模块，底端设计有充电及中央控制单元。本发明主要应用于临近空间、封闭室内空间及半封闭空间，既具有浮空器长续航时间、大升限、可稳定浮空及低飞行噪声等优势，又具有多旋翼无人机较高机动性、操控性能优异特点。

Description

一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器

技术领域

本发明属于无人机技术、新能源技术以及物联网技术，具体涉及一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器。

背景技术

浮空器一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的飞行器。在电子和军事民用领域，一般不将热气球划在浮空器范围内。此外，空间飞艇不一定依靠浮力。除了军用外，大型民用浮空器还可以用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等等。目前人们的研究主要集中于大型、高空浮空飞行器的研发和设计，对于近地空间使用浮空飞行器进行监测的应用较少。浮空器已经有近一个世纪的发展历史，衍生出诸多型号的大型浮空器，将浮空器从远地大气飞行的区域拉回近地使用，并且小型化，有潜在的应用价值，具有滞空时间长、对起降场地要求低等优点，但其飞行速度较慢，且机动性也较差。

而针对近地空间应用较多的主要为小型固定翼探测侦查无人机、多轴旋翼无人机及小型无人直升机等，同时应用最为广泛的安防***主要为固定位置安装云台摄像头监测***，这些***都有一定的使用局限性，例如固定翼无人机由于飞行速度相对较快，对于飞行高度有一定的要求，需要的飞行空间较大、转弯半径较大；多轴旋翼无人机由于其结构自身的问题，有效负载能力有限、续航时间是一直为人们诟病；小型无人直升机，相较于前两者，其有效载荷较大、飞行速度较低、空间机动性优于固定翼无人机，同时市面上诸多油动、电动直升机续航时间大于多轴旋翼无人机，然而其结构较为复杂、研发成本较高，操作难度较大，对于操纵手的操作要求较高，且具有一定的危险性。

发明内容

本发明针对以上问题，结合旋翼无人机与浮空器的特点，设计一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，既具有浮空器长续航时间、大升限(可在临近空间飞行)、可稳定浮空及低飞行噪声(极安静)等优势，又具有多旋翼无人机较高机动性、操控简单、飞行性能优异特点。

本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，由浮空体与旋翼动力模块构成。浮空体为一充气气囊，浮空体顶部设计有太阳能供电电源模块接口连接柔性太阳能电池模块，通过薄膜太阳能电池将太阳能转换为电能存储于太阳能供电电源内，由太阳能供电电源为浮空飞行器补充额外的能源。浮空体底部设计有充电及中央控制单元；其中，充电单元通过充电单元接口实现与地面充电设备间的电气和机械连接；中央控制单元用来接收控制指令控制所有旋翼动力模块有规律的动力输出，以及浮空飞行器与地面站间的数据传输和通信。中央控制单元内还集成有飞行器感知功能单元，用于测量飞行器姿态六自由度信息、图像采集以及信息传输等，可以实现对浮空飞行器的有效控制，并实现室内监控、室外长时间拍摄功能。

旋翼动力模块周向等角度间隔安装在浮空体水平最大半径圆周上；每个旋翼动力模块中均集成有转速反馈模块及红外测距模块。其中，相间隔的旋翼动力模块中旋翼转轴方向垂直设置，用来控制浮空飞行器的爬升、下降以及悬停；其余旋翼动力模块中旋翼转轴方向水平设置，用来组合控制浮空器的全方位移动以及自旋运动。

旋翼动力模块包括旋翼、桨叶与支架；旋翼由驱动电机带动旋转；通过支架安装于浮空体外壁上。且其中旋翼为由激光一次成型的8字型旋翼外框架结构，镂空处覆着有柔性薄膜，张成桨叶。

本发明中每个旋翼动力模块以及中央控制单元中还具有Zigbee无线通讯***，用于多个浮空器之间的信息通讯，以及中央控制单元和旋翼模块的通讯控制链路。

本发明的优点在于：

1、本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，充分利用浮空器和多旋翼无人机的特点，结构简洁，安全性高，同时具有较强操控性；

2、本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，利用浮空气囊充气提供的升力，能够减轻对旋翼升力的需求，减少能源的消耗，为长时间的续航提供了保证；

3、本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，具有丰富多样的运动方式，通过不同旋翼模块的数量的选择和布局方式，同时通过改变旋翼输出动力的方向，能够实现准确快速的运动调节，包括稳定悬停，自旋，上浮下行，左右偏航等运动；

4、本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其旋翼模块由激光一次成型的8字型金属框架和柔性薄膜张成桨叶，减轻旋翼的重量的同时，降低一般塑料或碳纤维桨桨叶旋转产生的气动噪声，保证了浮空飞行器的静音性；

5、本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，每个旋翼模块以及中央控制单元中集成有多种飞行器感知功能单元，使得其更加智能、灵敏，同时利用长距无线通讯***及高速图传模块与地面中控站之间建立实时图传及控制数据信息交互通道。

附图说明

图1为本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器整体结构示意图；

图2为本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器底部结构示意图；

图3为本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器中旋翼动力模块结构示意图；

图4为本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器中中央控制单元结构框图。

图中：

1-浮空体 2-旋翼动力模块 101-太阳能电池薄膜

102-太阳能供电电源 103-充电及中央控制单元 201-旋翼

202-桨叶 203-支架 204-驱动电机

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，由氦气浮空体1与独立的旋翼动力模块2两大主体部分构成，如图1、图2所示。

所述浮空体1用来提供主要升力，为球形、椭球形或其它对称型结构的薄膜型浮空器气囊，材料包括但不限于铝膜、乳胶等轻质材料；内部采用氦气或其它轻于空气的惰性气体为填充，由于气体密度低于空气，能够提供一定的升力；同时使用氦气为惰性气体，能够保证浮空飞行器的安全性且成本相对低廉。

所述旋翼动力模块2用来提供飞行器姿态调整及飞行动力。旋翼动力模块2包括旋翼201、桨叶202与支架203构成，如图3所示。其中，旋翼201为由激光一次成型的8字型旋翼外框架结构，其镂空处安装有柔性薄膜，张成桨叶202；由此，减轻旋翼201的重量的同时，可降低一般塑料或碳纤维桨叶旋转产生的气动噪声。通过旋翼动力模块2的驱动电机204带动旋翼201旋转。

旋翼动力模块2通过支架203固定安装于氦气浮空体1外壁上，周向均设于氦气浮空体1水平最大半径圆周上，且排布方式采用8旋翼阵列设计，其中，4个旋翼动力模块2中旋翼转轴方向垂直设置；另4个旋翼动力模块2中旋翼转轴方向水平设置；且垂直设置旋翼转轴方向与水平设置旋翼转轴方向的旋翼动力模块2周向上交替布置。上述4个旋翼转轴方向垂直设置的旋翼动力模块2，用来控制浮空飞行器1的爬升、下降以及悬停；4个旋翼转轴方向水平设置的旋翼动力模块2，用来控制浮空器1的全方位移动以及自旋运动。上述根据任务需求及所需外载荷的大小以及物体本身形状，选择旋翼动力模块2的数量、分布、输出功率及续航时间等，完成浮空飞行器1的搭建。

本发明中浮空体1顶部预留有太阳能供电电源模块接口，太阳能供电电源模块接口用来连接柔性太阳能电池模块，柔性太阳能电池模块包括4块太阳能电池薄膜101与太阳能供电电源102。太阳能电池薄膜101安装于太阳能供电电源102周向上，太阳能供电电源102与太阳能供电电源接口间连接，通过太阳能电池薄膜101将太阳能转换为电能存储于太阳能供电电源内，由太阳能供电电源为浮空飞行器补充额外的能源。

上述浮空体1底部安装有充电及中央控制单元103；充电单元包含7.4V400mAh锂电池，用来实现浮空飞行器的供电；充电单元通过浮空体1底部预留的充电单元接口实现与地面充电设备间的电气和机械连接，使得在空间飞行过程中通过单目摄像头找到地面充电设备的充电接口，实现根据浮空飞行器自身电量自主返航进行对接充电。

本发明的中央控制单元采用STM32F108核心控制器，用来接收控制指令控制所有旋翼动力模块有规律的动力输出，以及浮空飞行器与地面站间的数据传输和通信。如图4所示，中央控制单元具体包括***电源综合管理单元、稳压模块与wifi模块，其中，***电源综合管理单元用于管理和充电单元对整机的能源供给；使充电单元作为整机的主要电源供给，通过稳压模块为整机提供飞行所需的稳定电压，而太阳能薄膜为室外飞行提供额外能量。Wifi模块用来利用wifi信号实现中央控制器与电脑、手机终端间的信息数据交互。同时，中央控制单元内还集成有GPS室外定位模块、气压传感器、IMU惯性测量单元、电子罗盘、图像采集模块、图传模块与风速监测传感器等多种飞行器感知功能单元，用于测量飞行器的六自由度信息、图像采集以及信息传输等，可以实现对浮空飞行器的有效控制，并实现室内监控、室外长时间拍摄。上述每个旋翼动力模块2中均集成有转速反馈模块及红外测距模块，用于驱动电机测速以及避障等；同时每个旋翼动力模块2以及中央控制单元中还具有Zigbee无线通讯***，用于多个浮空器之间的信息通讯，以及中央控制单元和旋翼模块的控制链路。由此，本发明的飞行器数据交互及通讯模式，利用GPS实现飞行器的定位，利用Zigbee无线通讯***与地面中控站之间建立实时图传及控制数据信息交互通道，利用WIFI信号实现于电脑、手机终端的通讯。同时，单个独立的浮空飞行器之间还可以通过Zigbee无线模块构建空中无线数据链路节点，实现各个飞行器之间的信息交互，有效避免了多个飞行器飞行过程中可能的碰撞问题，同时为多机协同控制、协同任务提供了硬件基础。

本发明浮空飞行器的控制***，包括下位机控制板与上位机电脑端，用以完成飞行器的遥控或自主飞行的任务；下位机控制板与上位机电脑端分工明确，考虑到下位机控制板的处理性能以及实时性要求，需要对其进行任务分工，则本发明中下位机主要用来完成：输入检测、输出驱动、数据处理与算法执行。其中，输入检测包括上位机指令，传感器数据信息，电源供给检测；输出驱动包括各个旋翼动力模块2的驱动电机控制；数据处理包括各传感器数据解算，各旋翼动力模块2的动力分配；算法执行包括上位机传递的任务规划、轨迹规划、编队控制、返航充电等算法的执行。对于任务规划、轨迹规划、编队控制、返航充电等复杂的智能化且实时性要求不高的任务，则以上位机电脑端处理并下发给浮空飞行器的中央控制单元的方式，完整组建起整套控制***，即从作动器到气动力学到机体动力学再到反馈检测的控制算法层面，实现***闭环。

Claims (9)

1.一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：由浮空体与旋翼动力模块构成；

所述浮空体为一充气气囊，所充气体为氦气，顶部设计有太阳能供电电源模块接口连接柔性太阳能电池模块；底部设计有充电及中央控制单元；其中，充电单元通过充电单元接口实现与地面充电设备间的电气和机械连接；中央控制单元用来接收地面设备发出的控制指令，同时控制所有旋翼动力模块有规律地输出动力，以及浮空飞行器与地面站间的数据传输和通信；

旋翼动力模块周向等角度间隔安装在浮空体水平最大半径圆周上，每个旋翼动力模块间隔45°；其中，相间隔的旋翼动力模块中旋翼转轴方向相同设置；其中四个旋翼动力模块旋翼转轴方向水平设置；另外四个旋翼动力模块旋翼转轴方向垂直设置；且垂直设置旋翼转轴方向与水平设置旋翼转轴方向的旋翼动力模块周向上交替布置。

2.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：浮空体充气后为空间对称的球形薄膜浮空器气囊。

3.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：浮空体内部采用轻于空气的惰性气体填充。

4.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：旋翼动力模块包括旋翼、桨叶与支架；旋翼由驱动电机带动旋转；通过支架安装于浮空体外壁上。

5.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：旋翼为由激光一次成型的8字型旋翼外框架结构，镂空处覆着有柔性TPU薄膜，张成桨叶。

6.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：柔性太阳能电池模块包括周向设置的薄膜太阳能电池与太阳能供电单元；薄膜太阳能电池安装于太阳能供电单元周向上，薄膜太阳能电池与太阳能供电单元电气与机械接口间连接。

7.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：中央控制单元具体包括***核心控制器、电源综合管理单元、稳压模块、大容量航模锂电池与wifi模块；其中，***核心控制器用于整机飞行控制及环境感知；电源综合管理单元用于管理和充电单元对整机的能源供给；使大容量航模锂电池作为整机的主要能源供给，提供65％的电能，而太阳能薄膜为室外飞行提供35％的能量，通过稳压模块为整机提供飞行所需的稳定电压；Wifi模块用来利用wifi信号实现中央控制器与电脑、手机终端间的信息数据交互；同时，中央控制单元内还集成有飞行器感知功能单元，用于测量飞行器的飞行高度、飞行器姿态六自由度信息、图像采集以及信息传输、空间障碍物检测等，可以实现对浮空飞行器的有效控制，并实现室内监控、室外长时间拍摄。

8.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：每个旋翼动力模块中均集成有转速反馈模块及红外测距模块。

9.如权利要求1所述一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，其特征在于：每个旋翼动力模块以及中央控制单元中还具有Zigbee无线通讯***，用于多个浮空器之间的信息通讯，以及中央控制单元和旋翼模块的通讯控制链路。