一种球型无人飞行器及工作方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种球型无人飞行器及工作方法
本专利技术属于飞行器
，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。
技术介绍
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Fenstar50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。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种可在狭小空间安全可靠工作的无人机。本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术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：本专利技术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，本专利技术有如下优势：1.本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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.本专利技术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，而本专利技术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，本专利技术的球型无人机可以垂直起降与空中悬停，操作起来相本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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，围绕所述球心相对于外环(10)作上下或周向滑动；/n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。/n

【技术特征摘要】
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，围绕所述球心相对于外环(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。


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1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所述的球型无人飞行器，其特征在于：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。


6.根据权利要求1所述的球型无人飞行器，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传鹏，刘然，李传意，商超群，王志强，阮立群，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32