一種高續(xù)航時間的無人機裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無人機領(lǐng)域，特別涉及一種高續(xù)航時間的無人機裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機又稱為無人駕駛飛機、遠程遙控或自巡航飛機，是一種成本低、損耗小、機動性高的可攜帶負載飛行器，已被廣泛應(yīng)用于軍事、科研、民用等多種領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，無人機可應(yīng)用于敵情偵查、通訊中繼、早期預(yù)警、靶機訓(xùn)練等，甚至可直接組成無人機編隊進行對敵作戰(zhàn);在科研領(lǐng)域，可用于飛行試驗的驗證、新設(shè)備及新方案的可行性模擬評估、航拍圖像的獲取、惡劣環(huán)境下的取樣及條件監(jiān)測等；在民用領(lǐng)域，無人機可用于農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測、農(nóng)業(yè)施肥、災(zāi)情分析、工程監(jiān)理、電網(wǎng)線路巡視等。在一些實際應(yīng)用中，無人機技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)好的成果，人們已逐漸認識到它的巨大潛力與作用。
[0003]四旋翼無人機作為無人機的一種，通過安裝在十字形機架結(jié)構(gòu)四個頂端的主螺旋槳，產(chǎn)生氣動力，控制四旋翼無人機的飛行動作，能實現(xiàn)垂直起降、自由懸停、前進、倒退、超低空飛行等多種空中姿態(tài)。如圖1所示，四個主螺旋槳處在同一高度平面，第一主螺旋槳I和第三主螺旋槳3逆時針旋轉(zhuǎn)，第二主螺旋槳2和第四主螺旋槳4順時針旋轉(zhuǎn)，通過主控單元來控制主螺旋槳，使不同主螺旋槳的轉(zhuǎn)速根據(jù)飛行需要進行改變，即可實現(xiàn)對四旋翼無人機飛行姿態(tài)的控制。四旋翼無人機以其新穎的外形及緊湊的結(jié)構(gòu)，被認為是一種最簡單、最直觀的穩(wěn)定控制形式。
[0004]這種無人機技術(shù)雖具有研發(fā)成本低、可實施性強、使用范圍廣、操作要求低等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中，無人機卻普遍存在續(xù)航時間短的缺點。由于無人機在執(zhí)行長時間、遠航程的飛行任務(wù)時，主要以螺旋槳作為飛行的動力，但無人機的機載能源有限，且螺旋槳對能源的利用率不高，大大限制了無人機的續(xù)航時間。由于無人機的續(xù)航時間短，無人機在進行遠距離作業(yè)時受到了極大的限制，使無人機往往只能進行短距離作業(yè)，無法開展超大范圍超遠距離的工作，同時，由于無人機的續(xù)航時間短，無人機也無法開展超長時間的作業(yè)，無人機需要在較短時間間隔內(nèi)進行機載能源的補充，降低了無人機的使用率和工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的由于無人機的機載能源有限，而且主螺旋槳對能源的利用率不高，從而導(dǎo)致無人機續(xù)航時間短，無法進行超長時間超遠距離作業(yè)的問題，提供一種高續(xù)航時間的無人機裝置及控制方法，該無人機裝置通過降低對無人機機載能源的消耗，實現(xiàn)延長無人機續(xù)航時間的目的，同時改善無人機的續(xù)航狀態(tài)，大幅度增加了無人機的續(xù)航時間。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
一種高續(xù)航時間的無人機裝置，包括機架和主螺旋槳，所述主螺旋槳對稱布置于機架的四個方向，機架上還安裝有控制無人機飛行狀態(tài)的主控單元，所述無人機裝置還包括有機翼滑翔裝置和驅(qū)動裝置，所述機翼滑翔裝置與驅(qū)動裝置連接，驅(qū)動裝置設(shè)置有用以輸出動力的驅(qū)動軸，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動控制機翼滑翔裝置展開或收攏。
[0007]所述主螺旋槳提供向上的拉力，在無人機起飛時，使用主螺旋槳提供動力，用以克服無人機自身的重力，牽引機體向上運動，使無人機實現(xiàn)安全平穩(wěn)的起飛，待無人機起飛之后，在飛行高度沿著某一方向飛行的過程中，通過驅(qū)動裝置提供動力，使驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，從而打開與驅(qū)動裝置連接的機翼滑翔裝置，使無人機借助機翼滑翔裝置在高空進行滑翔，在無人機滑翔的過程中，使用主螺旋槳適當(dāng)調(diào)整無人機的高度，使無人機始終保持在某一高度范圍內(nèi)飛行。通過這種方式，減小了無人機在飛行過程中螺旋槳對機載能源的消耗，不僅增加了無人機航程，也延長了無人機的續(xù)航時間。在無人機需要降落時，使無人機在預(yù)先設(shè)定好的降落軌道滑翔，然后通過驅(qū)動裝置的工作，收攏機翼滑翔裝置，使用主螺旋槳提供的動力完成無人機的安全降落。無人機在整個飛行及準(zhǔn)備降落的過程中，通過驅(qū)動裝置打開機翼滑翔裝置，使無人機在機載能源提供較少動力的情況下，實現(xiàn)長時間的滑翔或翱翔，達到減少機載能源消耗的目的，極大地改善無人機的續(xù)航狀態(tài)，增加了無人機的續(xù)航時間。使無人機在不添加機載能源的情況下，可以進行超長距離和超大范圍內(nèi)的工作，同時可以進行長時間的作業(yè)，提高了無人機的使用效率和工作效率。
[0008]優(yōu)選的，所述機翼滑翔裝置包括轉(zhuǎn)軸和機翼，所述機翼的一側(cè)固定于機架上，另一側(cè)與轉(zhuǎn)軸連接，所述轉(zhuǎn)軸水平固定于驅(qū)動裝置上，轉(zhuǎn)軸帶動機翼在水平方向轉(zhuǎn)動，且機翼展開后形成的面與水平面平行。
[0009]所述驅(qū)動裝置帶動轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動，從而使與轉(zhuǎn)軸連接的機翼展開或收攏，伸展開的機翼平行于水平面，無人機在空中飛行時，通過伸展開的機翼產(chǎn)生的浮力，使無人機在空中進行滑翔，降低對機載能源的消耗，改善了無人機的續(xù)航狀態(tài)，增加了無人機的續(xù)航時間，使無人機可以進行超長距離和超大范圍內(nèi)的作業(yè)，提升無人機的連續(xù)作業(yè)時間。機翼的一邊連接于轉(zhuǎn)軸上，另一邊固定于十字形機架上，通過固定于驅(qū)動裝置上的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對機翼的展開和收攏。無人機在起飛和降落的過程中，通過驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使機翼收攏，無人機在空中飛行時，通過驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使機翼伸展開，從而實現(xiàn)無人機的平穩(wěn)滑翔。
[0010]優(yōu)選的，所述驅(qū)動裝置安裝于機架中心，轉(zhuǎn)軸的一端連接驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)軸繞機架中心做圓周運動，使機翼展開后形成的平面均布于機架中心周圍。驅(qū)動裝置安裝于機架中心，轉(zhuǎn)軸的一端固定于驅(qū)動裝置上，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)軸以機架中心為圓心旋轉(zhuǎn)，做圓周運動，使展開的機翼形成的平面平行于水平面，使機翼滑翔裝置為無人機提供更大的升力，同時，機翼展開形成的平面均布于機架中心周圍，保證無人機受到的作用力比較均衡，使無人機在空中滑翔時，滑翔的時間更長，距離更遠，對提高續(xù)航時間和擴大航行距離具有相當(dāng)大的作用。
[0011]優(yōu)選的，所述機翼滑翔裝置的轉(zhuǎn)軸垂直于驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸。轉(zhuǎn)軸垂直于驅(qū)動軸，使驅(qū)動軸在帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，更省力。
[0012]優(yōu)選的，所述無人機裝置上配置有4個機翼及對應(yīng)的4個轉(zhuǎn)軸，以機架為中心，對稱布置于十字形機架形成的4個象限區(qū)域內(nèi)，分別帶動4個機翼展開或收攏的4個轉(zhuǎn)軸連接到同一個驅(qū)動裝置上。在十字形機架形成的4個象限區(qū)域內(nèi)對應(yīng)布置4個機翼及對應(yīng)的4個轉(zhuǎn)軸，使無人機裝置在各個方向的受力更加均衡，不容易發(fā)生在某一方向嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)等問題，更利于無人機在空中滑翔飛行。帶動機翼伸展收攏的4根轉(zhuǎn)軸連接到同一個驅(qū)動裝置上，保持轉(zhuǎn)軸帶動機翼展開收攏的同步性，避免發(fā)生因各個機翼伸展收攏的速度不同而失去平衡。
[0013]優(yōu)選的，所述機翼展開后呈扇形，機翼展開后的最外邊延伸至相鄰機架，布滿兩側(cè)機架形成的90度夾角范圍。每個機翼的兩邊都布置在該象限區(qū)域的兩側(cè)機架上，使機翼展開后布滿象限區(qū)域的90度范圍，這種機翼布置方式保證機翼滑翔裝置為無人機提供的浮力更大，更有利于節(jié)約機載能源。
[0014]優(yōu)選的，所述驅(qū)動裝置為步進電機，所述步進電機與主控單元連接，其轉(zhuǎn)向及旋轉(zhuǎn)角度通過主控單元進行控制。使用步進電機作為驅(qū)動裝置，可以很好地對機翼滑翔裝置的轉(zhuǎn)向及旋轉(zhuǎn)角度進行控制，由于步進電機具有優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)能力，在需要伸展開機翼和收攏機翼時，能快捷準(zhǔn)確地執(zhí)行信號命令，并且能準(zhǔn)確地調(diào)整轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動速度和角度，使無人機便于控制。同時，步進電機沒有電刷，可靠性較高，極大地改善了無人機的可靠安全運行能力。
[0015]優(yōu)選的，所述機翼為可折疊薄層，機翼的上層面設(shè)有向上凸起的薄層部，使機翼展開后呈上凸下平的流線型結(jié)構(gòu)。由于無人機的機翼滑翔裝置在無人機起飛和降落的過程中是收攏的，在空中滑翔時是打開的，需要使用可折疊薄層作為機翼，同時在機翼的上層面布置有向上凸起的薄層部，使機翼展開后呈上凸下平的流線型結(jié)，根據(jù)伯努利原理，當(dāng)空氣流經(jīng)機翼時，上方的空氣分子因在同一時間內(nèi)要走的距離較長，所以跑得較下方的空氣分子快，造成在機翼上方的氣壓會較下方低。如此，下方較高的氣壓就將飛機支撐著，而無人機能浮在空氣中。
[0016]優(yōu)選的，所述機架上開設(shè)有收納轉(zhuǎn)軸和機翼的凹槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)無人機在起飛或降落過程中，轉(zhuǎn)軸隨著驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)而將機翼收攏時，開設(shè)與機架上的凹槽用于放置轉(zhuǎn)軸和收攏的機翼。
[0017]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種高續(xù)航時間的無人機裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
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