一種高續(xù)航時(shí)間的無(wú)人機(jī)裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種高續(xù)航時(shí)間的無(wú)人機(jī)裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)又稱為無(wú)人駕駛飛機(jī)、遠(yuǎn)程遙控或自巡航飛機(jī)，是一種成本低、損耗小、機(jī)動(dòng)性高的可攜帶負(fù)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(wú)人機(jī)可應(yīng)用于敵情偵查、通訊中繼、早期預(yù)警、靶機(jī)訓(xùn)練等，甚至可直接組成無(wú)人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行對(duì)敵作戰(zhàn);在科研領(lǐng)域，可用于飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證、新設(shè)備及新方案的可行性模擬評(píng)估、航拍圖像的獲取、惡劣環(huán)境下的取樣及條件監(jiān)測(cè)等；在民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)可用于農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)、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(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)好的成果，人們已逐漸認(rèn)識(shí)到它的巨大潛力與作用。
[0003]四旋翼無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)的一種，通過(guò)安裝在十字形機(jī)架結(jié)構(gòu)四個(gè)頂端的主螺旋槳，產(chǎn)生氣動(dòng)力，控制四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)作，能實(shí)現(xiàn)垂直起降、自由懸停、前進(jìn)、倒退、超低空飛行等多種空中姿態(tài)。如圖1所示，四個(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，第二主螺旋槳2和第四主螺旋槳4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)主控單元來(lái)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(jìn)行改變，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的控制。四旋翼無(wú)人機(jī)以其新穎的外形及緊湊的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種最簡(jiǎn)單、最直觀的穩(wěn)定控制形式。
[0004]這種無(wú)人機(jī)技術(shù)雖具有研發(fā)成本低、可實(shí)施性強(qiáng)、使用范圍廣、操作要求低等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)卻普遍存在續(xù)航時(shí)間短的缺點(diǎn)。由于無(wú)人機(jī)在執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)航程的飛行任務(wù)時(shí)，主要以螺旋槳作為飛行的動(dòng)力，但無(wú)人機(jī)的機(jī)載能源有限，且螺旋槳對(duì)能源的利用率不高，大大限制了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。由于無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間短，無(wú)人機(jī)在進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)時(shí)受到了極大的限制，使無(wú)人機(jī)往往只能進(jìn)行短距離作業(yè)，無(wú)法開(kāi)展超大范圍超遠(yuǎn)距離的工作，同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間短，無(wú)人機(jī)也無(wú)法開(kāi)展超長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，無(wú)人機(jī)需要在較短時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行機(jī)載能源的補(bǔ)充，降低了無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的機(jī)載能源有限，而且主螺旋槳對(duì)能源的利用率不高，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短，無(wú)法進(jìn)行超長(zhǎng)時(shí)間超遠(yuǎn)距離作業(yè)的問(wèn)題，提供一種高續(xù)航時(shí)間的無(wú)人機(jī)裝置及控制方法，該無(wú)人機(jī)裝置通過(guò)降低對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載能源的消耗，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間的目的，同時(shí)改善無(wú)人機(jī)的續(xù)航狀態(tài)，大幅度增加了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。
[0006]為了實(shí)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(shí)間的無(wú)人機(jī)裝置，包括機(jī)架和主螺旋槳，所述主螺旋槳對(duì)稱布置于機(jī)架的四個(gè)方向，機(jī)架上還安裝有控制無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的主控單元，所述無(wú)人機(jī)裝置還包括有機(jī)翼滑翔裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，所述機(jī)翼滑翔裝置與驅(qū)動(dòng)裝置連接，驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置有用以輸出動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)翼滑翔裝置展開(kāi)或收攏。
[0007]所述主螺旋槳提供向上的拉力，在無(wú)人機(jī)起飛時(shí)，使用主螺旋槳提供動(dòng)力，用以克服無(wú)人機(jī)自身的重力，牽引機(jī)體向上運(yùn)動(dòng)，使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)的起飛，待無(wú)人機(jī)起飛之后，在飛行高度沿著某一方向飛行的過(guò)程中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力，使驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而打開(kāi)與驅(qū)動(dòng)裝置連接的機(jī)翼滑翔裝置，使無(wú)人機(jī)借助機(jī)翼滑翔裝置在高空進(jìn)行滑翔，在無(wú)人機(jī)滑翔的過(guò)程中，使用主螺旋槳適當(dāng)調(diào)整無(wú)人機(jī)的高度，使無(wú)人機(jī)始終保持在某一高度范圍內(nèi)飛行。通過(guò)這種方式，減小了無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中螺旋槳對(duì)機(jī)載能源的消耗，不僅增加了無(wú)人機(jī)航程，也延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。在無(wú)人機(jī)需要降落時(shí)，使無(wú)人機(jī)在預(yù)先設(shè)定好的降落軌道滑翔，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置的工作，收攏機(jī)翼滑翔裝置，使用主螺旋槳提供的動(dòng)力完成無(wú)人機(jī)的安全降落。無(wú)人機(jī)在整個(gè)飛行及準(zhǔn)備降落的過(guò)程中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置打開(kāi)機(jī)翼滑翔裝置，使無(wú)人機(jī)在機(jī)載能源提供較少動(dòng)力的情況下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的滑翔或翱翔，達(dá)到減少機(jī)載能源消耗的目的，極大地改善無(wú)人機(jī)的續(xù)航狀態(tài)，增加了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。使無(wú)人機(jī)在不添加機(jī)載能源的情況下，可以進(jìn)行超長(zhǎng)距離和超大范圍內(nèi)的工作，同時(shí)可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，提高了無(wú)人機(jī)的使用效率和工作效率。
[0008]優(yōu)選的，所述機(jī)翼滑翔裝置包括轉(zhuǎn)軸和機(jī)翼，所述機(jī)翼的一側(cè)固定于機(jī)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(dòng)裝置上，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)機(jī)翼在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且機(jī)翼展開(kāi)后形成的面與水平面平行。
[0009]所述驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使與轉(zhuǎn)軸連接的機(jī)翼展開(kāi)或收攏，伸展開(kāi)的機(jī)翼平行于水平面，無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，通過(guò)伸展開(kāi)的機(jī)翼產(chǎn)生的浮力，使無(wú)人機(jī)在空中進(jìn)行滑翔，降低對(duì)機(jī)載能源的消耗，改善了無(wú)人機(jī)的續(xù)航狀態(tài)，增加了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，使無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行超長(zhǎng)距離和超大范圍內(nèi)的作業(yè)，提升無(wú)人機(jī)的連續(xù)作業(yè)時(shí)間。機(jī)翼的一邊連接于轉(zhuǎn)軸上，另一邊固定于十字形機(jī)架上，通過(guò)固定于驅(qū)動(dòng)裝置上的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼的展開(kāi)和收攏。無(wú)人機(jī)在起飛和降落的過(guò)程中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使機(jī)翼收攏，無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使機(jī)翼伸展開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的平穩(wěn)滑翔。
[0010]優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)裝置安裝于機(jī)架中心，轉(zhuǎn)軸的一端連接驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸繞機(jī)架中心做圓周運(yùn)動(dòng)，使機(jī)翼展開(kāi)后形成的平面均布于機(jī)架中心周圍。驅(qū)動(dòng)裝置安裝于機(jī)架中心，轉(zhuǎn)軸的一端固定于驅(qū)動(dòng)裝置上，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸以機(jī)架中心為圓心旋轉(zhuǎn)，做圓周運(yùn)動(dòng)，使展開(kāi)的機(jī)翼形成的平面平行于水平面，使機(jī)翼滑翔裝置為無(wú)人機(jī)提供更大的升力，同時(shí)，機(jī)翼展開(kāi)形成的平面均布于機(jī)架中心周圍，保證無(wú)人機(jī)受到的作用力比較均衡，使無(wú)人機(jī)在空中滑翔時(shí)，滑翔的時(shí)間更長(zhǎng)，距離更遠(yuǎn)，對(duì)提高續(xù)航時(shí)間和擴(kuò)大航行距離具有相當(dāng)大的作用。
[0011]優(yōu)選的，所述機(jī)翼滑翔裝置的轉(zhuǎn)軸垂直于驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)軸。轉(zhuǎn)軸垂直于驅(qū)動(dòng)軸，使驅(qū)動(dòng)軸在帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，更省力。
[0012]優(yōu)選的，所述無(wú)人機(jī)裝置上配置有4個(gè)機(jī)翼及對(duì)應(yīng)的4個(gè)轉(zhuǎn)軸，以機(jī)架為中心，對(duì)稱布置于十字形機(jī)架形成的4個(gè)象限區(qū)域內(nèi)，分別帶動(dòng)4個(gè)機(jī)翼展開(kāi)或收攏的4個(gè)轉(zhuǎn)軸連接到同一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置上。在十字形機(jī)架形成的4個(gè)象限區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)布置4個(gè)機(jī)翼及對(duì)應(yīng)的4個(gè)轉(zhuǎn)軸，使無(wú)人機(jī)裝置在各個(gè)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(wèn)題，更利于無(wú)人機(jī)在空中滑翔飛行。帶動(dòng)機(jī)翼伸展收攏的4根轉(zhuǎn)軸連接到同一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置上，保持轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)機(jī)翼展開(kāi)收攏的同步性，避免發(fā)生因各個(gè)機(jī)翼伸展收攏的速度不同而失去平衡。
[0013]優(yōu)選的，所述機(jī)翼展開(kāi)后呈扇形，機(jī)翼展開(kāi)后的最外邊延伸至相鄰機(jī)架，布滿兩側(cè)機(jī)架形成的90度夾角范圍。每個(gè)機(jī)翼的兩邊都布置在該象限區(qū)域的兩側(cè)機(jī)架上，使機(jī)翼展開(kāi)后布滿象限區(qū)域的90度范圍，這種機(jī)翼布置方式保證機(jī)翼滑翔裝置為無(wú)人機(jī)提供的浮力更大，更有利于節(jié)約機(jī)載能源。
[0014]優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)裝置為步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)與主控單元連接，其轉(zhuǎn)向及旋轉(zhuǎn)角度通過(guò)主控單元進(jìn)行控制。使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，可以很好地對(duì)機(jī)翼滑翔裝置的轉(zhuǎn)向及旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制，由于步進(jìn)電機(jī)具有優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)能力，在需要伸展開(kāi)機(jī)翼和收攏機(jī)翼時(shí)，能快捷準(zhǔn)確地執(zhí)行信號(hào)命令，并且能準(zhǔn)確地調(diào)整轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度，使無(wú)人機(jī)便于控制。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有電刷，可靠性較高，極大地改善了無(wú)人機(jī)的可靠安全運(yùn)行能力。
[0015]優(yōu)選的，所述機(jī)翼為可折疊薄層，機(jī)翼的上層面設(shè)有向上凸起的薄層部，使機(jī)翼展開(kāi)后呈上凸下平的流線型結(jié)構(gòu)。由于無(wú)人機(jī)的機(jī)翼滑翔裝置在無(wú)人機(jī)起飛和降落的過(guò)程中是收攏的，在空中滑翔時(shí)是打開(kāi)的，需要使用可折疊薄層作為機(jī)翼，同時(shí)在機(jī)翼的上層面布置有向上凸起的薄層部，使機(jī)翼展開(kāi)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(jī)翼時(shí)，上方的空氣分子因在同一時(shí)間內(nèi)要走的距離較長(zhǎng)，所以跑得較下方的空氣分子快，造成在機(jī)翼上方的氣壓會(huì)較下方低。如此，下方較高的氣壓就將飛機(jī)支撐著，而無(wú)人機(jī)能浮在空氣中。
[0016]優(yōu)選的，所述機(jī)架上開(kāi)設(shè)有收納轉(zhuǎn)軸和機(jī)翼的凹槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)無(wú)人機(jī)在起飛或降落過(guò)程中，轉(zhuǎn)軸隨著驅(qū)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)而將機(jī)翼收攏時(shí)，開(kāi)設(shè)與機(jī)架上的凹槽用于放置轉(zhuǎn)軸和收攏的機(jī)翼。
[0017]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種高續(xù)航時(shí)間的無(wú)人機(jī)裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
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