[發明專利]一種具有矢量推力的旋翼與充氣氣囊復合式浮空飛行器

有效

• 申請號: 201711372583.0
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108146608B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 王少萍;張益鑫;周之涵;王康樂;劉寶旭
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64B1/32
• 分類號: B64B1/32;B64B1/34;B64C27/08
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

本發明公開一種具有矢量推力的旋翼與充氣氣囊復合式浮空飛行器，包括浮空器與旋翼動力模塊。旋翼動力模塊中旋翼為由激光一次成型的8字型框架和柔性薄膜張成槳葉，周向等間距安裝在浮空器最大直徑圓面上，分為水平和垂直兩種布局，可實現矢量推進的旋翼模塊有規律編程輸出動力，可完成飛行器各個方向的快速運動，包括爬升、下降、懸停、以及自旋等。浮空器的頂端設計有柔性薄膜太陽能電池模塊，底端設計有充電及中央控制單元。本發明主要應用于臨近空間、封閉室內空間及半封閉空間，既具有浮空器長續航時間、大升限、可穩定浮空及低飛行噪聲等優勢，又具有多旋翼無人機較高機動性、操控性能優異特點。

技術領域

本發明屬于無人機技術、新能源技術以及物聯網技術，具體涉及一種具有矢量推力的旋翼與充氣氣囊復合式浮空飛行器。

背景技術

浮空器一般是指比重輕于空氣的、依靠大氣浮力升空的飛行器。在電子和軍事民用領域，一般不將熱氣球劃在浮空器范圍內。此外，空間飛艇不一定依靠浮力。除了軍用外，大型民用浮空器還可以用于交通、運輸、娛樂、賑災、影視拍攝、科學實驗等等。目前人們的研究主要集中于大型、高空浮空飛行器的研發和設計，對于近地空間使用浮空飛行器進行監測的應用較少。浮空器已經有近一個世紀的發展歷史，衍生出諸多型號的大型浮空器，將浮空器從遠地大氣飛行的區域拉回近地使用，并且小型化，有潛在的應用價值，具有滯空時間長、對起降場地要求低等優點，但其飛行速度較慢，且機動性也較差。

而針對近地空間應用較多的主要為小型固定翼探測偵查無人機、多軸旋翼無人機及小型無人直升機等，同時應用最為廣泛的安防系統主要為固定位置安裝云臺攝像頭監測系統，這些系統都有一定的使用局限性，例如固定翼無人機由于飛行速度相對較快，對于飛行高度有一定的要求，需要的飛行空間較大、轉彎半徑較大；多軸旋翼無人機由于其結構自身的問題，有效負載能力有限、續航時間是一直為人們詬病；小型無人直升機，相較于前兩者，其有效載荷較大、飛行速度較低、空間機動性優于固定翼無人機，同時市面上諸多油動、電動直升機續航時間大于多軸旋翼無人機，然而其結構較為復雜、研發成本較高，操作難度較大，對于操縱手的操作要求較高，且具有一定的危險性。

發明內容

本發明針對以上問題，結合旋翼無人機與浮空器的特點，設計一種具有矢量推力的旋翼與充氣氣囊復合式浮空飛行器，既具有浮空器長續航時間、大升限(可在臨近空間飛行)、可穩定浮空及低飛行噪聲(極安靜)等優勢，又具有多旋翼無人機較高機動性、操控簡單、飛行性能優異特點。

本發明具有矢量推力的旋翼與充氣氣囊復合式浮空飛行器，由浮空體與旋翼動力模塊構成。浮空體為一充氣氣囊，浮空體頂部設計有太陽能供電電源模塊接口連接柔性太陽能電池模塊，通過薄膜太陽能電池將太陽能轉換為電能存儲于太陽能供電電源內，由太陽能供電電源為浮空飛行器補充額外的能源。浮空體底部設計有充電及中央控制單元；其中，充電單元通過充電單元接口實現與地面充電設備間的電氣和機械連接；中央控制單元用來接收控制指令控制所有旋翼動力模塊有規律的動力輸出，以及浮空飛行器與地面站間的數據傳輸和通信。中央控制單元內還集成有飛行器感知功能單元，用于測量飛行器姿態六自由度信息、圖像采集以及信息傳輸等，可以實現對浮空飛行器的有效控制，并實現室內監控、室外長時間拍攝功能。

旋翼動力模塊周向等角度間隔安裝在浮空體水平最大半徑圓周上；每個旋翼動力模塊中均集成有轉速反饋模塊及紅外測距模塊。其中，相間隔的旋翼動力模塊中旋翼轉軸方向垂直設置，用來控制浮空飛行器的爬升、下降以及懸停；其余旋翼動力模塊中旋翼轉軸方向水平設置，用來組合控制浮空器的全方位移動以及自旋運動。

旋翼動力模塊包括旋翼、槳葉與支架；旋翼由驅動電機帶動旋轉；通過支架安裝于浮空體外壁上。且其中旋翼為由激光一次成型的8字型旋翼外框架結構，鏤空處覆著有柔性薄膜，張成槳葉。

本發明中每個旋翼動力模塊以及中央控制單元中還具有Zigbee無線通訊系統，用于多個浮空器之間的信息通訊，以及中央控制單元和旋翼模塊的通訊控制鏈路。

本發明的優點在于：