CN111559499B - 一种球型无人飞行器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球型无人飞行器及工作方法，包括上下贯通呈中空圆柱体的涵道，其上端连接碗口状的涵道进气口，其下端连接姿态控制筒；所述涵道内设置有水平的上电机支座和下电机支座，其上均安装有电机与风扇，上下两个电机对转，驱动两个风扇对转，同时产生无人机所需的升力；所述姿态控制筒由为同心球环的外环和内环构成，外环匹配固接在涵道下部出口，内环的外侧与外环的内侧是两者的匹配装配面，为球面的一部分周向圆环；内环与舵机连接，并由舵机控制产生推力矢量，围绕所述球心相对于外环作上下或周向滑动。本发明所设计的球型飞行器，造型圆滑美观，结构紧凑高效，可以垂直起降、空中悬停，动作部件均藏在机身之中，飞行安全可靠。

Description

一种球型无人飞行器及工作方法

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种球型无人飞行器及工作方法，是一种新型的无人机结构及控制办法。

背景技术

近些年，随着飞行器设计与自动控制等相关技术的进步，无人飞行器逐渐进入大家的视野，其因为具有体积小、造价低、使用方便、适应性强等优点而备受社会的极大重视，无人机不仅仅被应用于军事方面，其在民用方面的应用也越来越广泛。无人机的轻量化和较低的使用成本、使用灵活、作业效率高，在执行枯燥、长时间的任务时，具有其他人工操作所不可比拟的优势，因此除了应用于军事用途以外，无人机还逐渐应用于遥感航拍、抗震救灾、农林业、环境监测、通信中继和快递服务等方面。

常见的无人机构型大致有旋翼类和固定翼类。旋翼类无人机的控制技术目前已经比较成熟，飞行具有高稳定度、易操作、价格合理等优点，在航拍摄影、农业植保以及工业检修等方面有广泛的市场。固定翼类无人机一般体积较大，续航时间较长，载重较强，在军事、运输、测绘等各个领域都有应用。但是这两类无人机一般都适用于室外开阔场地，也有一些旋翼类无人机为了实现室内等狭小空间飞行，套上了网状的外壳但是明显笨重。另一方面，这两类无人机一般都无法承受较大的冲撞或跌落，尤其是固定翼无人机通常速度较快，一旦与其他物体刮碰就会严重损坏机身。

在一些科幻作品之中经常出现球型飞行器的设想。比如某科幻电影中，地质学家为了探测洞穴放出了闪红光的球，小型球型飞行器检测扫描山洞，扫描后山洞结构直接在飞船电脑上显示出来。这样的球型飞行器适用于一些狭小空间或者复杂地形的侦察，作动部件都藏于机身内部，可具有良好的安全性。

在现实中，球型飞行器是一类特殊布局的飞行器，其优点有：机身一体化程度高，内部空间大，可垂直起降与空中悬停，在现实中可以发现一些类似的案例。在二战时期，德国就秘密研制过类似飞行器。在冷战期间，美军研制的一款垂直起降扁球形飞行器(VZ-9Avrocar)，该飞行器中心为一大尺寸风扇，为飞行器提供升力和推力，飞行员通过操纵杆调整机身外部出气圆环孔位置改变出口气流方向从而达到对飞行器飞行姿态的控制。英国的Fenstar 50无人机也是扁球构型，其中心顶部位置有一升力风扇，且风扇下游曲面机身四周安装有一定数量的凸起翼梢。美国的Fleye无人机，其采用单涵道单螺旋桨构型，涵道出口采用六片控制舵面。相似构型的还有法国的Hovereye无人机、新加坡的Fantail无人机、英国的Embla无人机，其都是单涵道扰流片控制的方案。我国也有类似布局的无人机，比如哈尔滨特飞公司出品的“盛世”警用无人机，还有在2019年中国天津直升机博览会上，展出了一款扁球型飞行器，其介绍为一种多用途飞行器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可在狭小空间安全可靠工作的无人机。本发明所设计的球型飞行器，造型圆滑美观，结构紧凑高效，可以垂直起降、空中悬停。其外壳由柔性材料构成，可与周围环境发生弹性碰撞，并以此抵抗冲击。同时，动作部件(如风扇和姿态控制筒)均藏在机身之中，飞行起来安全可靠。可广泛用于地质探测、探险、航拍、广告、表演、娱乐、玩具等用途。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种球型无人飞行器，包括上下贯通呈中空圆柱体的涵道，其上端连接碗口状的涵道进气口，其下端连接姿态控制筒；所述涵道内设置有水平的上电机支座和下电机支座，其上均安装有电机与风扇，上下两个电机对转，驱动两个风扇对转，同时产生无人机所需的升力；

所述姿态控制筒由为同心球环的外环和内环构成，外环匹配固接在涵道下部出口，内环的外侧与外环的内侧是两者的匹配装配面，为球面的一部分周向圆环；内环与舵机连接，并由舵机控制产生推力矢量，围绕所述球心相对于外环作上下或周向滑动；

所述涵道外壁上设置有电池、舵机、控制电路板，电池与控制电路板相连并为其供电，控制电路板再与电机和舵机相连，为两者供电并控制转速或摇臂角度。

进一步的，外环的下沿低于球心，下沿所处平面的半径小于球面半径，保证内环不会滑落出来。

进一步的，所述风扇的叶片后缘呈锯齿状。

进一步的，所述涵道外连接有龙骨，用于支撑中空球壳状的外壳，外壳将涵道、姿态控制筒包裹其中。

进一步的，所述外壳由柔性材料制成。

进一步的，所述姿态控制筒的外环和内环为穿过球心上下对称的球环。

进一步的，所述舵机由舵机1#、舵机2#组成，两者在周向上呈90°的角度固接在涵道上，舵机1#通过连杆与内环的左侧或右侧下边缘固连，舵机2#的摇臂通过连杆与内环的后侧或前侧下边缘固连，舵机带动连杆进行收缩或者推出，对内环施加推拉之力。

本发明同时提供了上述的球型无人飞行器的工作方法：无人机的风扇转速决定涵道内气流的推力，两个电机转速同时增加，则涵道内气流的推力增加，无人机上升；两个电机转速同时减小，涵道内气流的推力减少，无人机下降；当涵道内上下两个电机出现转速差时，对转风扇产生的反扭矩不能完全抵消，由此控制无人机的偏航姿态；

内环由舵机推拉在外环内部上下滑动，其在侧向滑动的时候使涵道的出口气流角度发生偏转，产生矢量推力效果；若推力指向线不通过无人机质心时，会给无人机一个姿态偏转力矩，对无人机的滚转与俯仰两方向上的姿态进行控制。

进一步的，控制无人机的俯仰姿态的具体方法为：

舵机1#保持中立位置不动，舵机2#摇臂带动连杆收缩，使得姿态控制筒内环在舵机2#的一侧向上滑动，涵道内的气流向无人机后侧方向偏转，此时推力指向偏离无人机的质心，产生一个抬头力矩，使得无人机抬头；

舵机1#保持中立位置不动，舵机2#摇臂带动连杆推出，使得姿态控制筒内环在舵机2#的一侧向下滑动，涵道内的气流向无人机前侧方向偏转，此时产生一个低头力矩，使得无人机低头。

进一步的，控制无人机的滚转姿态的具体方法为：舵机2#保持中立位置不动，舵机1#带动连杆进行收缩或者推出，使得涵道出口气流左右指向，推力指向偏离无人机的质心，控制其滚转方向上的姿态。

有益效果：

本发明设计了一款球型无人飞行器，其造型圆滑美观，结构紧凑高效，可以垂直起降、空中悬停，可广泛用于航拍、广告、表演、娱乐、玩具等用途。相对于目前现有的各种无人机，本发明有如下优势：

1.本发明的外壳为柔性材料构成，可以抵抗飞行器与外物碰撞。无人机风扇与姿态控制筒等可动部件均藏于机身内部，这样可以大大提高无人机的安全性。一方面，将动作部件保护起来，在一些操作不当或者狭小空间中，如造成无人机与建筑物或地面相碰撞，本发明所设计的无人机可以较好的保护动作部件，从而降低无人机的损坏。同时，传统旋翼无人机的螺旋桨在操作不当时容易造成人员受伤，本发明的无人机不存在风扇刮伤人员的事情，所以使用起来非常安全，尤其适合儿童、老人等群体来使用。

2.本发明的球型无人机比多旋翼类无人机结构更加简单。多旋翼至少需要三个旋翼，而本发明的无人机只需要两个电机与风扇就足够，如此便可以进一步缩小体积和重量，降低成本。同时，与固定翼类的无人机相比，本发明的球型无人机可以垂直起降与空中悬停，操作起来相对简单，可以不受场地限制。

3.本发明的球型无人机使用带有锯齿尾缘的涵道风扇。在一些新型民用航空发动机的外机匣后端，会发现有锯齿状的边缘，其作用是增加内外气流的均匀掺混，降低气动噪音。本发明的无人机使用带锯齿尾缘的风扇，也是希望利用这一原理，降低无人机在飞行时的噪音。

4.本发明的球型无人机外形圆滑美观。除了适合与狭小空间探测用途，还可用于表演、广告、儿童玩具，配合摄像头等设备，具有极佳的娱乐性。

附图说明

图1是本发明的三视图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是本发明的剖面图；

图4是本发明的分解结构图；

图5是本发明的分解结构图；

图6是本发明的姿态控制筒工作方法示意图；

图7是本发明的控制原理示意图；

其中：1-涵道进气口；2-上电机支座；3-电机；4-风扇；5-涵道；6-下电机支座；7-电池；8-舵机；9-姿态控制筒；10-外环；11-内环；12-外壳；13-龙骨；14-控制电路板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明所设计的球型无人飞行器，其核心部件为中间的涵道5，涵道内部有上下两个电机安装座分别为上电机支座2和下电机支座6，分别安装电机3。其中，上方电机向下安装，下方电机向上安装，两个电机对转，并驱动带有锯齿尾缘的风扇4，无人机上升的力便由风扇提供。同时，两个风扇因为随着电机对转，其产生的反扭矩相互抵消，如果两个电机存在一定的转速差，则可以用来控制无人机的偏航。

涵道上端连接进气口1，下端连接姿态控制筒9。其中，姿态控制筒有外环10与内环11组成，两者都是同心球环，两者紧密贴合却没有固接，内环可以绕着球心相对外环上下或周向滑动。外环与涵道固接，内环可由舵机8推拉在外环内部滑动，其在侧向滑动的时候可以使涵道的出口气流角度发生偏转，从而产生矢量推力效果。推力指向线如果不通过无人机质心时，会给无人机一个姿态偏转力矩，由此力矩就可以对无人机的滚转与俯仰两方向上的姿态进行控制。

涵道5外壁的外侧连接有无人机的龙骨13，其用于支撑无人机的球型外壳12。在涵道壁与外壳之间的空间内，用于存放无人机的电池7、舵机8、控制电路板14及其他电子设备。需要仔细调整好内部这些部件的安装位置，使得最终无人机的质心位于其中轴线上。

实施例

本发明所设计的球型无人飞行器可以直接控制升降、偏航、俯仰以及滚转。无人机在前进时，需要先将机身前倾，依靠风扇4推力的水平分量推动前进，后退以及左右平移道理相同。

无人机的风扇转速决定涵道内气流的推力，两个电机转速同时增加，则涵道内气流的推力增加，无人机上升；相似的，两个电机转速同时减小，涵道内气流的推力减少，无人机下降。当涵道内上下两个电机出现转速差时，有对转风扇产生的反扭矩就不能完全抵消，由此便可以控制无人机的偏航姿态。

无人机可以使用常规风扇或者螺旋桨，也可以使用是带有锯齿尾缘的涵道风扇，具有降噪的效果。其对于风扇叶片后形成的脱落涡具有切割破碎的作用，由于叶片后形成的尾迹流存在压差，锯齿的存在可以加强尾迹流的掺混效果，从而使得尾迹流的压差减小，有利于降低气动噪声，该技术目前已广泛应用于民用大涵道比涡扇发动机外涵道降噪。

姿态控制筒是本发明的球型无人机用于控制俯仰与滚转两个方向上的姿态的部件。其中，内环的外侧与外环的内侧是装配面，为球面的一部分，外环的下沿位置是低于球心的，其所处平面的圆半径小于球心所在平面的圆半径，故可以保证内环不会滑落下来。由图6所示，以一种舵机的安装布局为例进行解释，两枚舵机在周向上呈90°的位置进行安装。其中，舵机1#的安装位置位于飞行器前进方向的左侧，舵机2#的安装位置位于飞行器前进方向右侧，两枚舵机均固接在涵道筒上。舵机1#通过连杆与内环的左侧下边缘固连，舵机2#的摇臂通过连杆连接在内环后侧下沿的凸起。由于外环与涵道筒固接，所以舵机摇臂的伸缩可以通过连杆控制内环相对于外环的倾斜摆动。具体控制办法如下：由图6(a)所示，假设无人机的前方为如图上面箭头所示，舵机1#保持中立位置不动，舵机2#摇臂带动连杆收缩，使得姿态控制筒内环11在舵机2#的一侧向上滑动，这样涵道内的气流就会向无人机后侧方向偏转。再由图7所示，此时推力指向偏离无人机的质心，会产生一个抬头力矩，从而使得无人机抬头。同样的，由图6(b)所示，舵机1#保持不动，舵机2#摇臂带动连杆推出，使得姿态控制筒内环11在舵机2#的一侧向下滑动，这样涵道内的气流就会向无人机前侧方向偏转，此时会产生一个低头力矩，从而使得无人机低头，如此，便可以控制无人机的俯仰姿态。同样的道理，假设舵机2#保持中立位置不动，舵机1#带动连杆进行收缩或者推出，可使得涵道出口气流左右指向，推力指向偏离无人机的质心，可以控制其滚转方向上的姿态。

无人机的外壳材料使用柔性材料，可以与周围表面发生弹性碰撞，抗击冲撞，提高飞行器在狭窄空间工作的安全性。可以使用柔性薄膜，敷在龙骨上，也可以使用厚实且有弹性的填充材料。进一步的，龙骨13既可以是刚性结实的，也可以一并做成柔软有弹性的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种球型无人飞行器，其特征在于：包括上下贯通呈中空圆柱体的涵道（5），其上端连接碗口状的涵道进气口（1），其下端连接姿态控制筒（9）；所述涵道（5）内设置有水平的上电机支座（2）和下电机支座（6），其上均安装有电机（3）与风扇（4），上下两个电机（3）对转，驱动两个风扇（4）对转，同时产生无人机所需的升力；

所述姿态控制筒（9）由为同心球环的外环（10）和内环（11）构成，外环（10）匹配固接在涵道（5）下部出口，内环（11）的外侧与外环（10）的内侧是两者的匹配装配面，为球面的一部分周向圆环；内环（11）与舵机（8）连接，并由舵机（8）控制产生推力矢量，围绕球心相对于外环（10）作上下或周向滑动；

所述涵道（5）外壁上设置有电池（7）、舵机（8）、控制电路板（14），电池（7）与控制电路板（14）相连并为其供电，控制电路板（14）再与电机（3）和舵机（8）相连，为两者供电并控制转速或摇臂角度；

所述姿态控制筒（9）的外环（10）和内环（11）为穿过球心上下对称的球环；

所述舵机（8）由舵机1#、舵机2#组成，两者在周向上呈90°的角度固接在涵道（5）上，舵机1#通过连杆与内环（11）的左侧或右侧下边缘固连，舵机2#的摇臂通过连杆与内环（11）的后侧或前侧下边缘固连，舵机带动连杆进行收缩或者推出，对内环（11）施加推拉之力；

外环（10）的下沿低于球心，且下沿所处平面的半径小于球面半径。

2.根据权利要求1所述的球型无人飞行器，其特征在于：所述风扇（4）的叶片后缘呈锯齿状。

3.根据权利要求1所述的球型无人飞行器，其特征在于：所述涵道（5）外连接有龙骨（13），用于支撑中空球壳状的外壳（12），外壳（12）将涵道（5）、姿态控制筒（9）包裹其中。

4.根据权利要求3所述的球型无人飞行器，其特征在于：所述外壳（12）由柔性材料制成。

5.根据权利要求1至4任一所述的球型无人飞行器的工作方法，其特征在于：无人机的风扇转速决定涵道内气流的推力，两个电机转速同时增加，则涵道内气流的推力增加，无人机上升；两个电机转速同时减小，涵道内气流的推力减少，无人机下降；当涵道内上下两个电机出现转速差时，对转风扇产生的反扭矩不能完全抵消，由此控制无人机的偏航姿态；

内环由舵机推拉在外环内部上下滑动，其在侧向滑动的时候使涵道的出口气流角度发生偏转，产生矢量推力效果；若推力指向线不通过无人机质心时，会给无人机一个姿态偏转力矩，对无人机的滚转与俯仰两方向上的姿态进行控制。

6.根据权利要求5所述的球型无人飞行器的工作方法，其特征在于：控制无人机的俯仰姿态的具体方法为：

舵机1#保持中立位置不动，舵机2#摇臂带动连杆收缩，使得姿态控制筒内环在舵机2#的一侧向上滑动，涵道内的气流向无人机后侧方向偏转，此时推力指向偏离无人机的质心，产生一个抬头力矩，使得无人机抬头；

舵机1#保持中立位置不动，舵机2#摇臂带动连杆推出，使得姿态控制筒内环在舵机2#的一侧向下滑动，涵道内的气流向无人机前侧方向偏转，此时产生一个低头力矩，使得无人机低头。

7.根据权利要求5所述的球型无人飞行器的工作方法，其特征在于：控制无人机的滚转姿态的具体方法为：舵机2#保持中立位置不动，舵机1#带动连杆进行收缩或者推出，使得涵道出口气流左右指向，推力指向偏离无人机的质心，控制其滚转方向上的姿态。

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