CN110194259B - 一种智能笼形旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能笼形旋翼无人机，包括机身，舵面，动力***，悬挂***和控制***，机身由上圆盘、下圆盘、八根截面为椭圆形的纵框和高强度碳纤维挡板构成，八根纵框的上下两端分别与上圆盘、下圆盘相连，每根纵框可绕上圆盘、下圆盘的轴心旋转折叠和打开，在纵框的固定位置处，框与框之间均呈

夹角，且每两根纵框之间安装有可拆卸的高强度碳纤维挡板；舵面分两组，包括上舵和下舵面，上下呈相互米字型垂直分布，动力***采用螺旋桨，位于飞行器内部顶端。本发明采用近似灯笼形圆形外保护框架和仿生机械爪设计，可实现垂直起飞、降落，空中定点悬停和悬挂等功能，能很好地抵抗外界不利环境和不必要的坠撞。

Description

一种智能笼形旋翼无人机

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种智能笼形旋翼无人机。

背景技术

随着无人机在救灾等场合的进一步应用，需要小型无人驾驶飞行器进入建筑物楼道、洞穴等狭小空间进行搜救，但是现有的小型无人驾驶飞行器很难进入，因为旋翼、机翼会很容易碰撞到墙壁，从而造成飞行器坠毁。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种智能笼形旋翼无人机，采用近似灯笼形圆形外保护框架和仿生机械爪设计，实现无人机钻入复杂环境进行悬挂，停机并延长飞行时间；可实现垂直起飞、降落，空中定点悬停和悬挂等功能，能很好地抵抗外界不利环境和不必要的坠撞。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能笼形旋翼无人机，包括机身，舵面，动力***，悬挂***和控制***，

所述机身由上圆盘、下圆盘、八根截面为椭圆形的纵框和高强度碳纤维挡板构成，八根纵框的上下两端分别与上圆盘、下圆盘相连，每根纵框可绕上圆盘、下圆盘的轴心旋转折叠和打开，在纵框的固定位置处，框与框之间均呈

夹角，且每两根纵框之间安装有可拆卸的高强度碳纤维挡板；

所述舵面分两组，包括上舵和下舵面，上下呈相互米字型垂直分布，上舵面共由四片舵面组成，分为两组，相互呈90°垂直；下舵面由四片舵面组成，分为两组，相互呈90°垂直；

所述动力***采用螺旋桨，位于飞行器内部顶端，用于在垂直起飞降落时提供克服重力的拉力，在水平飞行时提供推力；

所述悬挂***可拆卸安装在整个无人机机身最上方，由三爪型机械和一个小型作动器构成；

所述控制***包括自主飞行控制***、动态视觉识别***、卫星定位导航***、自动平衡仪、遥控接收器，其自主飞行控制***内载于飞行控制***芯片内，飞行控制***芯片位于飞行器内部底端的圆柱形舱内，用于接收操作员发出的控制命令以及传感器***采集到的数据实现飞行器的飞行控制，卫星定位导航***用于向操作员提供精确的导航和定位信息，动态视觉识别***用于实现接近感知、自动规避障碍物。

进一步地，所述纵框框体采用碳纤维复合材料，重量轻结构强。

进一步地，所述上圆盘、下圆盘上设有与所述纵框上下两端分别配合的纵框卡槽，且纵框卡槽沿上圆盘、下圆盘的圆周方向均匀布置，纵框通过头部的插头***纵框卡槽实现固定。

进一步地，所述螺旋桨安装在圆柱形舱顶端，圆柱形舱安装在下圆盘上方，内顶部安装有电机，电机的驱动轴穿过圆柱形舱的上顶面与螺旋桨相连。

进一步地，所述驱动轴上套接有一齿轮组，该齿轮组为共轴双桨机构齿轮组，将电机动力分配到共轴双桨；也可以不采用共轴双桨，而采用单桨，通过舵面偏转来克服单桨旋转产生的反扭矩。

进一步地，所述传感器***安装在飞行器的外框边缘。

进一步地，所述圆柱形控制仓内部安装有供电电池，所述供电电池采用锂电池或氢燃料电池为动力能源，增加续航时间。

进一步地，所述上圆盘的上顶面、下圆盘分别对称开设有一组弧形槽，八根纵框上下两端分别与弧形槽滑接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①悬挂隐蔽侦察：可自主悬挂于树梢、线缆和建筑物外缘等复杂场地环境，停转旋翼隐蔽待机，实现节约电量并相对延长飞行时间，执行任务时间可延长至数天。

②任意环境起降：具有“不倒翁”式结构，在任意室内外环境、复杂地面，以任意姿态起降，无需人工手持进行发射回收。

③狭小空间防撞：灯笼无人机因为有框架保护，在隧道坑道等狭小空间内碰壁不会造成坠机；可以贴墙壁、穿越窗户、门框飞行；飞行中推开、挤开门窗进入室内。

④动态视觉导航：基于动态视觉定位导航技术，摆脱对卫星导航***的依赖，应用于作战单元高速运动、战场光照骤变等环境。

⑤平飞加速接近：飞行中通过姿态转换，机身平行于水平面，旋翼提供拉力，舵面提供升力。可短时间快速飞行，迅速接近目标。

⑥机身折叠易携：灯笼无人机外框架可拆卸，并且框架可旋转折叠，大大降低无人机占用的存储空间，便于携带。

本发明采用螺旋桨作为动力，螺旋桨位于框架内部顶端，在垂直起降时用来提供克服重力的拉力，在平飞的时候提供拉力；传感器***安装于飞行器外框边缘，可以实现360°取景；基于动态视觉定位导航技术，不依赖卫星导航定位；在机身上方布置一个仿生鸟爪的悬挂结构***，可以通过抓取树枝、建筑物外缘等实现隐蔽待机侦察功能。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一种智能笼形旋翼无人机的立体图；

图2为本发明一种智能笼形旋翼无人机的正视图；

图3为本发明一种智能笼形旋翼无人机的俯视图；

图4为本发明一种智能笼形旋翼无人机的侧视图；

图5为本发明一种智能笼形旋翼无人机的纵框与卡座安装示意图；

图6为本发明一种智能笼形旋翼无人机中的高强度碳纤维挡示意图；

图7为本发明一种智能笼形旋翼无人机悬挂机构拆装示意图；

图8为本发明一种智能笼形旋翼无人机中悬挂机构示意图；

图9为本发明一种智能笼形旋翼无人机中纵框折叠与展开示意图；

图10为本发明一种智能笼形旋翼无人机中滚转起飞过程示意图；

图11为本发明一种智能笼形旋翼无人机中常规降落过程示意图；

图12为本发明一种智能笼形旋翼无人机中悬停状态示意图；

图13为本发明一种智能笼形旋翼无人机中水平飞行过程示意图；

图14为本发明一种智能笼形旋翼无人机中悬挂待机示意图；

图15为本发明一种智能笼形旋翼无人机中转弯飞行示意图；

图16为本发明一种智能笼形旋翼无人机中飞行控制***图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-图7，本发明提供以下技术方案：一种智能笼形旋翼无人机，包括机身，舵面，动力***，悬挂***和控制***，

所述机身由上圆盘1、下圆盘2、八根截面为椭圆形的纵框3和高强度碳纤维挡板4构成，所述上圆盘1的上顶面、下圆盘2分别对称开设有一组弧形槽，八根纵框3上下两端分别与弧形槽滑接，每根纵框可绕上圆盘1、下圆盘2的轴心旋转折叠和打开，所述上圆盘、下圆盘上设有与所述纵框上下两端分别配合的纵框卡槽，且纵框卡槽沿上圆盘、下圆盘的圆周方向均匀布置，纵框通过头部的插头***纵框卡槽实现固定；在纵框的固定位置处，框与框之间均呈45°夹角，且每两根纵框之间安装有可拆卸的高强度碳纤维挡板4；这样设计的机身，不仅能够通过拆卸和折叠的方式大大减少其所占有的存储空间，而且不论是强度还是刚度都非常强，同时还能保证有一定的弹性。当飞行器重着陆撞上地面，它会以滚动的方式来吸收一部分撞击能量，尽量减少对飞行器损坏，体现了一定的自我保护能力；另外，在整个机身没有外蒙皮，只有镂空的框架，有效迎风面积小，透风性比较强，比同级别的固定翼飞机抗风能力强。

所述舵面分两组，包括上舵面9和下舵面10，上下呈相互米字型垂直分布，上舵面9共由四片舵面组成，分为两组，相互呈90°垂直；下舵面9由四片舵面组成，分为两组，相互呈90°垂直；上舵面9差动偏转，舵面产生的气动力平衡螺旋桨转动产生的附加扭矩；同时控制下舵面10可以使飞行器绕自身的轴线转动，调整自身姿态以便于向相应方向水平飞行；下舵面10同向偏转，舵面产生的气动力可以为飞行器平飞提供升力；

所述动力***采用螺旋桨7，位于飞行器内部顶端，用于在垂直起飞降落时提供克服重力的拉力，在水平飞行时提供推力。

所述悬挂***可拆卸安装在整个无人机机身最上方，由三爪型机械爪8和一个小型作动器构成；整个悬挂机构以模块化设计，并且可以安装和拆卸，当需要执行连续侦察任务或是长时间待机等候时，可将该模块安装于无人机顶部；主要用于无人机抓取树枝或一些凸出的建筑物的边缘等，因而可以不借助螺旋桨的推力实现悬挂隐蔽待机的功能。相比于传统的无人机悬停，该***可以更加适应一些复杂的环境，并且待机时不产生任何的噪音。

如图16所示，所述控制***包括自主飞行控制***、动态视觉识别***、卫星定位导航***、自动平衡仪、遥控接收器，其自主飞行控制***内载于飞行控制***芯片内，飞行控制***芯片位于飞行器内部底端的圆柱形舱5内，用于接收操作员发出的控制命令以及传感器***采集到的数据实现飞行器的飞行控制，卫星定位导航***用于向操作员提供精确的导航和定位信息，动态视觉识别***用于实现接近感知、自动规避障碍物。

所述纵框3框体采用碳纤维复合材料，重量轻结构强。所述螺旋桨7安装在圆柱形舱5顶端，圆柱形舱5安装在下圆盘2上方，内顶部安装有电机，电机的驱动轴穿过圆柱形舱5的上顶面与螺旋桨7相连。所述驱动轴上套接有一齿轮组，该齿轮组为共轴双桨机构齿轮组，将电机动力分配到共轴双桨；也可以不采用共轴双桨，而采用单桨，通过舵面偏转来克服单桨旋转产生的反扭矩；所述传感器***安装在飞行器的外框边缘。进一步地，所述圆柱形控制仓5内部安装有供电电池，所述供电电池采用锂电池或氢燃料电池为动力能源，增加续航时间。

本发明的具体实施和飞行原理：

1、折叠与展开

如图9所示，当无人机从背包打开时，先将八个纵框绕着中轴旋转展开，使每个都固定于相应位置处的纵框卡槽中，如图8所示，再选择性安装外挡板和顶部的悬挂***。当无人机在任务结束后可按照相同的步骤进行整机的拆卸与折叠。

2、起飞

当无人机要垂直起飞时，将舵面调至零升攻角位置，启动螺旋桨，差动偏转舵面来抵抗螺旋桨转动产生的扭矩。慢慢加大油门，无人机也逐渐离开地面，此时起飞动作完成。若无人机起飞时姿态没有摆正，可以通过在地面滚转来摆正位置以便起飞，其具体操作和调节过程；如下10所示。

3、降落

垂直降落时，无人机需要从平飞完成姿态的转变。先逐渐减小螺旋桨的油门，此时适当调节舵面来平衡旋翼变化力矩。当完全关闭油门直到螺旋桨转动轴线垂直地面时，就可以慢慢减小螺旋桨油门，实现降落，如图11所示。

飞行中在紧急情况下也可实现倾斜降落。此动作不需要无人机完成姿态转变，它可保持平飞状态斜着降落到地面。具体步骤是：在平飞状态下，同时减小螺旋桨的油门，此时适当调节舵面来平衡变化的力矩。减小螺旋桨的油门，使平飞速度较低，减小油门使飞机有下降趋势。在接地瞬间，无人机会有残余的前飞速度，此时它将以向前滚动的形式吸收撞击能量。

4、悬停

当无人机需要定点悬停时，只需要上面的螺旋桨工作就行，与起飞和垂直降落前的动作比较相似，悬停如图12所示。

5、平飞/避障

当无人机需要向前平飞时，首先控制上舵面，使机身转到相应平飞的方向，使飞行器慢慢低头，机身轴线与地平面呈锐角。这样螺旋桨的动力就会变成推力，平飞如图13所示。在飞行过程中，动态视觉定位***以其高带宽可以为高速运动的无人***提供准确可靠的实时环境信息，实现自主避障。

6、悬挂待机

当无人机在飞行中需要悬挂待机作业时，动态视觉识别***通过对就近凸出可悬挂物进行判断，识别树枝、电线等凸出的建筑物的边缘等可悬挂物的形状、尺寸，随后机械爪抓住夹紧，然后螺旋桨停转，全机实现静音待机，悬挂如图14所示。

7、滚转飞行

当无人机要完成转弯动作时，必须完成从平飞到滚转再拉平飞行的过程，这跟一般的飞机转弯动作类似。对于该飞行器要实现转弯，首先调节上舵面，使无人机机身沿自身轴线转动，在升力拉力的作用下，无人机将偏离之前的航线，等无人机转到相应角度时，再次调节下舵面，拉平飞行器。这样就完成了一次转弯飞行，具体过程如15所示。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能笼形旋翼无人机，其特征在于：包括机身，舵面，动力***，悬挂***和控制***，所述机身由上圆盘(1)、下圆盘(2)、八根截面为椭圆形的纵框(3)和高强度碳纤维挡板(4)构成，八根纵框(3)的上下两端分别与上圆盘(1)、下圆盘(2)相连，每根纵框可绕上圆盘(1)、下圆盘(2)的轴心旋转折叠和打开，在纵框的固定位置处，框与框之间均呈45°夹角，且每两根纵框之间安装有可拆卸的高强度碳纤维挡板(4)；

所述舵面分两组，包括上舵面(9)和下舵面(10)，上下呈相互米字型垂直分布，上舵面(9)共由四片舵面组成，分为两组，相互呈90°垂直；下舵面(10)由四片舵面组成，分为两组，相互呈90°垂直；

所述动力***采用螺旋桨(7)，位于飞行器内部顶端，用于在垂直起飞降落时提供克服重力的拉力，在水平飞行时提供推力；

所述悬挂***可拆卸安装在整个无人机机身最上方，由三爪型机械爪(8)和一个小型作动器构成；

所述控制***包括自主飞行控制***、动态视觉识别***、卫星定位导航***、自动平衡仪、遥控接收器，其自主飞行控制***内载于飞行控制***芯片内，飞行控制***芯片位于飞行器内部底端的圆柱形舱(5)内，用于接收操作员发出的控制命令以及传感器***采集到的数据实现飞行器的飞行控制，卫星定位导航***用于向操作员提供精确的导航和定位信息，动态视觉识别***用于实现接近感知、自动规避障碍物；

所述纵框(3)框体采用碳纤维复合材料，重量轻强度高；

所述上圆盘(1)、下圆盘(2)上设有与所述纵框(3)上下两端分别配合的纵框卡槽，且纵框卡槽沿上圆盘(1)、下圆盘(2)的圆周方向均匀布置；

所述螺旋桨(7)安装在圆柱形舱(5)顶端，圆柱形舱(5)安装在下圆盘(2)上方，内顶部安装有电机，电机的驱动轴穿过圆柱形舱(5)的上顶面与螺旋桨(7)相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能笼形旋翼无人机，其特征在于：所述驱动轴上套接有一齿轮组，该齿轮组为共轴双桨机构齿轮组，将电机动力分配到共轴双桨。

3.根据权利要求1所述的一种智能笼形旋翼无人机，其特征在于：所述传感器***安装在飞行器的外框边缘。

4.根据权利要求1所述的一种智能笼形旋翼无人机，其特征在于：所述圆柱形舱(5)内部安装有供电电池，所述供电电池采用锂电池或其他电池为动力能源，增加续航时间。

5.根据权利要求1所述的一种智能笼形旋翼无人机，其特征在于：所述上圆盘(1)的上顶面、下圆盘(2)分别对称开设有一组弧形槽，八根纵框(3)上下两端分别与弧形槽滑接。

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