一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统技术方案

本发明专利技术属于无人机技术领域，具体涉及一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统，其特征是：飞行阵列模块的单模块无人机至少包括：全矢量动力单元、机体模块、负载模块。它提供一种占据空间小、具有高负载能力以及姿态调整灵活，并且能够在狭小空间内以层叠方式起飞的自主飞行阵列模块。

【技术实现步骤摘要】
一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统
本专利技术属于无人机
，具体涉及一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统。
技术介绍
无人机的发展和应用已经引起了各国的高度重视，人们对无人机的环境适应性、工作领域提出了更高的要求。将执行复杂功能的无人机进行模块化设计，利用模块化的特点实现一些整体设计难以满足的指标逐渐成为各国研究的重点。结合模块化设计实现整体系统的功能模块化，并将功能载荷设计装载于单个模块中，然后通过结构设计实现单载荷的自主飞行能力，以应对起飞空间有限的环境，这将极大的丰富飞行阵列的应用场景与功能。为此需要一种具有新型的飞行阵列单模块无人机，能够完成的任务包括：自主飞行、载荷适装、稳定对接、模块信息交互等能力。传统分布式飞行阵列单模块无人机大多采用地面组装，单模块无人机采用两套动力系统：单旋翼，为飞行提供动力；地面轮系统，控制多模块地面组装形成阵列。这种单模块无人机的缺点在于应用场景受限。由于不具备单独飞行能力，需要在陆地组装成飞行阵列才能执行飞行任务，需要较大的起飞空间。在此基础上发展的共轴旋翼模式，具备一定飞行能力。尽管该设计可以令无人机具备一定的飞行能力，但没有姿态调整结构。所以无人机不具备完整的飞行能力，不能完成空中姿态调整任务，无法对接，仍需地面组装。在上述基础上发展的共轴旋翼结合操纵舵的设计，将空中的姿态由操纵舵机构实现，这种结构可以解决无人机缺少自主飞行能力的缺点，具备完整的姿态调节能力。但由于操纵舵的调整具有一定的滞后性，空中姿态不灵活。占据的竖直空间也更大，在狭小空间布置数量有限，故这种设计的模块化思想主要应用于单模块无人机，对于起飞空间要求较大。此外，上述的方案设计的飞行系统负载能力有限，单模块无人机的大部分空间被动力系统占据，负载能力有限不能搭载多种载荷完成系统性功能的能力，且不具狭小空间起飞的基本条件。
技术实现思路
本专利技术旨在突破传统飞行阵列起飞空间大，条件受限，载荷能力弱以及续航时间不足的限制，提供一种占据空间小、具有高负载能力以及姿态调整灵活，并且能够在狭小空间内以层叠方式起飞的自主飞行阵列模块。为实现以上目的，一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统：其特征是：飞行阵列模块的单模块无人机至少包括：全矢量动力单元、机体模块、负载模块；所述的全矢量动力单元用于提供单模块无人机的飞行动力与姿态调整动力，飞行动力通过共轴螺旋桨实现，姿态调整通过并联舵机实现，矢量内环控制单模块无人机的横移动作，矢量外环控制单模块无人机的前进后退；所述的机体模块用于搭建单模块无人机外壳，一架单模块无人机外壳由六个相同的机体模块按照一定规则进行拼接固定，单模块无人机外壳为全矢量动力机构与负载模块提供固定点，并承担一定的外壳防水性与耐压性，机体模块的零件上设置有很多标准螺纹连接孔，通过该螺纹连接孔与其他模块进行连接，另外，其余螺纹连接孔密封保持防水性与耐压性；所述的负载模块用于实现单模块无人机的特定功能，要求负载模块满足载荷舱段的外形，负载模块包括但不局限于雷达、红外光电摄像头、卫星收发通信装置以及燃料电池等；全矢量机构通过外环舵机控制矢量外环产生角度倾斜进而控制无人机的纵向姿态以及纵向的位置稳定，通过内环舵机控制矢量内环产生角度倾斜进而控制单模块无人机的横向姿态以及横向的位置稳定，同时，通过测量来自姿态传感器结算出来的数据，控制共轴矢量电机产生的升力与重力共线；负载模块一共可以搭载六块，这六块按功能包含但不局限于如下功能：雷达载荷、光电载荷、通信载荷、能源载荷以及其他功能载荷，单模块无人机可以通过替换这六块载荷来实现不同的功能，最终通过空中阵列组装进而实现更为复杂的功能。所述的全矢量动力单元包括：螺旋桨（102）、无刷电机（101）、无刷电机座（103）、舵机座（104）、舵机（105）、矢量外环（106）、矢量内环（107）、矢量臂（108）、轴承座（109）、轴承（110）、舵机臂（111）、机构连接底座(112)、固连杆(113)；全矢量动力单元(1)通过机构连接底座(112)与机体模块(2)连接，同时其上安装有两个舵机(105)，通过舵机臂(111)与矢量臂(108)固连，矢量臂(108)通过轴承(110)固定在轴承座(109)上，轴承座(109)通过固连杆(113)固连在机构连接底座(112)上，这一部分作为矢量操作的外环控制无人机纵向姿态；两个矢量臂(108)与矢量外环固连，并且在其上固定舵机座(104)，两个舵机(105)安装于矢量外环(106)与舵机座(104)形成的安装空间内，舵机(105)通过舵机臂(111)与矢量内环(107)固连，矢量内环上下共安装有两个无刷电机座(103)；布置在上方的无刷电机(101)安装正螺旋桨(102)，布置在下方的无刷电机(101)安装逆螺旋桨(102)；上方的电机顺时针旋转、下方的电机逆时针旋转；当两者转速相同时，产生的转矩相互抵消；当两者具有一定转速差时：上方转矩>下方转矩：整机产生顺时针旋转；当上方转矩<下方转矩：整机产生逆时针旋转；舵机(105)包括两个，是单模块无人机的水平面上的纵向姿态稳定以及纵向位移的动力源，舵机臂(111)与矢量臂(108)固连，矢量臂(108)通过轴承(110)固定在轴承座(109)上，轴承座(109)通过固连杆(113)固连在机构连接底座(112)上，这一部分作为矢量操作的外环控制单模块无人机纵向姿态，通过外环舵机控制矢量外环(106)产生角度倾斜进而控制单模块无人机的纵向姿态以及纵向的位置稳定。所述的全矢量动力机构(1)通过外环舵机控制矢量外环(106)产生角度倾斜进而控制单模块无人机的纵向姿态以及纵向的位置稳定，通过内环舵机控制矢量内环(107)产生角度倾斜进而控制单模块无人机的横向姿态以及横向的位置稳定，同时，通过测量来自姿态传感器结算出来的数据，控制共轴矢量电机产生的升力与重力共线；一架单模块无人机由六个相同的机体模块（2）构成，内部空间呈圆形，由30片拼接片（201）组成，每个机体模块（2）有5片，通过缺口与直角连接片（205）固定于上下底板（202）之间；上下底板通过缺口与其他零件相连；外壳板（204）作为无人机的外壳部分，一架单模块无人机有六个该结构，外壳板（204）分布在外侧，间隔板通过直角连接片（205）连接在上下底板（202）之间，模块机体之间通过上下底板（202）上的凸起与凹陷结构以及平角连接片（207）和外壳板上的钝角连接片（206）相连。所述的机体模块（2）包括：圆环拼接片（201）、底板（202）、分隔板（203）、外壳板（204）、直角连接片（205）、钝角连接片（206）、平角连接片（207）；下底板（202）通过连接缺口与其他模块进行固连，下底板（202）直线边连接外壳板（204），外壳板（204）通过外壳凹陷（2025）和底板凸起（2042）扣合于下底板（202）直线边，保证结构的校准，然后通过三个直角连接片（205）与M3螺纹连接固定于下底板（202）上；下底板（202）圆弧边连接拼接片（201），圆弧边上分布有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统：其特征是：飞行阵列模块的单模块无人机至少包括：全矢量动力单元(1)、机体模块(2)、负载模块(3)；/n所述的全矢量动力单元(1)用于提供单模块无人机的飞行动力与姿态调整动力，飞行动力通过共轴螺旋桨实现，姿态调整通过并联舵机实现，矢量内环控制单模块无人机的横移动作，矢量外环控制单模块无人机的前进后退；/n所述的机体模块(2)用于搭建单模块无人机外壳，一架单模块无人机外壳由六个相同的机体模块(2)按照一定规则进行拼接固定，单模块无人机外壳为全矢量动力机构与负载模块提供固定点，并承担一定的外壳防水性与耐压性，机体模块(2)的零件上设置有很多标准螺纹连接孔，通过该螺纹连接孔与其他模块进行连接，另外，其余螺纹连接孔密封保持防水性与耐压性；/n所述的负载模块(3)用于实现单模块无人机的特定功能，要求负载模块满足载荷舱段的外形，负载模块包括但不局限于雷达、红外光电摄像头、卫星收发通信装置以及燃料电池等；全矢量机构通过外环舵机控制矢量外环(106)产生角度倾斜进而控制无人机的纵向姿态以及纵向的位置稳定，通过内环舵机控制矢量内环(107)产生角度倾斜进而控制单模块无人机的横向姿态以及横向的位置稳定，同时，通过测量来自姿态传感器结算出来的数据，控制共轴矢量电机产生的升力与重力共线；负载模块一共可以搭载六块，这六块按功能包含但不局限于如下功能：雷达载荷、光电载荷、通信载荷、能源载荷以及其他功能载荷，单模块无人机可以通过替换这六块载荷来实现不同的功能，最终通过空中阵列组装进而实现更为复杂的功能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统：其特征是：飞行阵列模块的单模块无人机至少包括：全矢量动力单元(1)、机体模块(2)、负载模块(3)；
所述的全矢量动力单元(1)用于提供单模块无人机的飞行动力与姿态调整动力，飞行动力通过共轴螺旋桨实现，姿态调整通过并联舵机实现，矢量内环控制单模块无人机的横移动作，矢量外环控制单模块无人机的前进后退；
所述的机体模块(2)用于搭建单模块无人机外壳，一架单模块无人机外壳由六个相同的机体模块(2)按照一定规则进行拼接固定，单模块无人机外壳为全矢量动力机构与负载模块提供固定点，并承担一定的外壳防水性与耐压性，机体模块(2)的零件上设置有很多标准螺纹连接孔，通过该螺纹连接孔与其他模块进行连接，另外，其余螺纹连接孔密封保持防水性与耐压性；
所述的负载模块(3)用于实现单模块无人机的特定功能，要求负载模块满足载荷舱段的外形，负载模块包括但不局限于雷达、红外光电摄像头、卫星收发通信装置以及燃料电池等；全矢量机构通过外环舵机控制矢量外环(106)产生角度倾斜进而控制无人机的纵向姿态以及纵向的位置稳定，通过内环舵机控制矢量内环(107)产生角度倾斜进而控制单模块无人机的横向姿态以及横向的位置稳定，同时，通过测量来自姿态传感器结算出来的数据，控制共轴矢量电机产生的升力与重力共线；负载模块一共可以搭载六块，这六块按功能包含但不局限于如下功能：雷达载荷、光电载荷、通信载荷、能源载荷以及其他功能载荷，单模块无人机可以通过替换这六块载荷来实现不同的功能，最终通过空中阵列组装进而实现更为复杂的功能。


2.根据权利要求1所述的一种具备自主飞行能力的飞行阵列系统：其特征是：所述的全矢量动力单元（1）包括：螺旋桨（102）、无刷电机（101）、无刷电机座（103）、舵机座（104）、舵机（105）、矢量外环（106）、矢量内环（107）、矢量臂（108）、轴承座（109）、轴承（110）、舵机臂（111）、机构连接底座(112)、固连杆(113)；全矢量动力单元(1)通过机构连接底座(112)与机体模块(2)连接，同时其上安装有两个舵机(105)，通过舵机臂(111)与矢量臂(108)固连，矢量臂(108)通过轴承(110)固定在轴承座(109)上，轴承座(109)通过固连杆(113)固连在机构连接底座(112)上，这一部分作为矢量操作的外环控制无人机纵向姿态；两个矢量臂(108)与矢量外环固连，并且在其上固定舵机座(104)，两个舵机(105)安装于矢量外环(106)与舵机座(104)形成的安装空间内，舵机(105)通过舵机臂(111)与矢量内环(107)固连，矢量内环上下共安装有两个无刷电机座(103)；布置在上方的无刷电机(101)安装正螺旋桨(102)，布置在下方的无刷电机(101)安装逆螺旋桨(102)；上方的电机顺时针旋转、下方的电机逆时针旋转；当两者转速相同时，产生的转矩相互抵消；当两者具有一定转速差时：上方转矩>下方转矩：整机产生顺时针旋转；当上方转矩<下方转矩：整机产生逆时针旋转；舵机(105)包括两个，是单模块无人机的水平面上的纵向姿态稳定以及纵向位移的动力源，舵机臂(111)与矢量臂(108)固连...

【专利技术属性】
技术研发人员：张树新，姜伟涛，王耀华，段宝岩，张硕，代季鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61