多用途软翼无人的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种多用途软翼无人机，包括翼伞系统和机舱系统；翼伞系统的下部通过吊挂绳悬挂机舱系统；所述翼伞系统包括翼伞及与其连接的伞绳；所述机舱系统包括机舱及固定于机舱上的空速管、云台、油箱、发动机和螺旋桨；所述机舱通过吊挂绳与伞绳连接；所述空速管固定于机舱前部，装有摄像机的云台固定于机舱中部且摄像机镜头垂直向下；发动机固定于机舱后端，并连有螺旋桨，螺旋桨外侧装有防护罩。本实用新型结构简单、体积小、重量轻、成本低、飞行范围广、操作控制容易、可程控自主飞行，由发动机带动螺旋桨产生的推力在地面滑行，并在无风或微风情况下以较小的速度即可实现起飞，对于起3飞降落地点要求很低，安全可靠，使用方式多样。
【专利说明】多用途软翼无人机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及低空无人机领域，具体说是一种多用途软翼无人机。
【背景技术】
[0002]为了适用于多方面应用要求，人们研制出了一种能够动力飞行的冲压翼伞。由人在伞下拉绳对伞的飞行进行操控，多用于飞行表演、广告宣传、边防巡逻和娱乐飞行。动力伞空中飞行过程中，如若受到空气扰流的影响，极易发生坠落事故，飞行员的安全存在一定问题。现如今，有些研究机构在动力伞的基础上，装备了遥控操纵机构，研制出遥控型动力伞。它用机械可控装置取代了人类对伞进行操控，解决了飞行员的安全问题，并且与传统无人机相比，具有重量轻、造价低、库存方便等优点。它可以从地面由人或者车辆拖拽起飞，对起飞场地和着陆场地要求低；也可以从空中投放，在复合式运输系统中完成重要任务；此外还可以用于勘察和侦察地面形势，进行空中大气污染采样以及火山监测等。
[0003]但由于遥控动力伞只能在可视范围内飞行，飞行距离较短，可执行的任务载荷功能有限，并不能够应用于需要远距离大范围巡航的地形勘察、灾区搜救、或物资投放等任务领域。
实用新型内容
[0004]为了解决动力伞存在的问题，本实用新型提供一种新型的多用途软翼无人机。该多用途软翼无人机能实现多种任务下的自主飞行，操作简单，安全可靠、成本低。
[0005]本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是:多用途软翼无人机，包括翼伞系统和机舱系统；翼伞系统的下部通吊挂绳悬挂机舱系统；
[0006]所述翼伞系统包括翼伞及与其连接的伞绳；
[0007]所述机舱系统包括机舱及固定于机舱上的空速管、云台、油箱、发动机和螺旋桨；所述机舱通过吊挂绳与伞绳连接；所述空速管固定于机舱前部，装有摄像机的云台固定于机舱中部且摄像机镜头垂直向下；发动机固定于机舱后端，并连有螺旋桨，螺旋桨外侧装有防护罩。
[0008]所述防护罩为金属焊接而成的网罩。
[0009]所述空速管的头部距离防护罩至少一米。
[0010]所述机舱系统还包括收索机安装在机舱后部，通过连接的操纵绳与翼伞连接。
[0011]所述机舱系统还包括三个车轮，第一个车轮固定于机舱前部的下方，另外两个固定于机舱后部的下方且相对于第一个车轮对称。
[0012]所述机舱系统还包括GPS和磁罗盘模块、无线数据传输模块、飞行控制器、惯性测量单元、转速测量单元；所述GPS和磁罗盘模块固定于机舱内部的前端；无线数据传输模块、飞行控制器、惯性测量单元固定于机舱内部；所述飞行控制器和惯性测量单元均通过四组钢绳隔振器安装在舱体中部；所述转速测量单元安装在发动机转盘侧面。
[0013]所述GPS和磁罗盘模块和惯性测量单元的X轴线、空速管的轴线均与螺旋桨的推力线平行。
[0014]所述翼伞系统还包括两个惯性测量单元和集成在一块电路板上的GPS模块、数据采集板模块、无线数据传输模块、磁罗盘；所述电路板位于翼伞下层的中心，两个惯性测量单元固定于电路板两侧且对称，并与电路板在弦长方向上位于同一直线。
[0015]本实用新型具有以下有益效果及优点:
[0016]1.本实用新型结构简单、体积小、重量轻、成本低、飞行范围广、操作控制容易、能实现多种任务下的自主导航飞行。
[0017]2.本实用新型可自主打火，由发动力和螺旋桨产生的推力在地面滑行，并在无风或微风情况下以较小的速度即可实现起飞，对于起飞降落地点要求很低，安全可靠，使用方式多样，可作为空中平台进行自然灾害的侦察搜救，也可以作为靶机、实时通信中继等。
[0018]3.将传感器安装在翼伞上是为了更加及时准确的测量出翼伞的姿态变化，减小由于伞体与机舱之间的柔性连接而造成的姿态估计偏差和控制误差，从而使控制更加的及时准确，增强软翼无人机飞行的稳定性。
[0019]4.使用空速管能够测量软翼无人机在飞行过程中遇到的大气阻力，自动判断自主飞行中的风扰力大小，完善飞行策略，提高软翼无人机飞行的安全性。
[0020]5.GPS和磁罗盘模块和惯性测量单元的X轴线、空速管的轴线与螺旋桨的推力线平行能够确保导航信息测量获取的准确性，减少三轴信息的耦合。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型的多用途软翼无人机的结构示意图。
[0022]图2是本实用新型的翼伞系统结构示意图。
[0023]图3是本实用新型的机舱系统结构示意图。
[0024]图4是多用途软翼无人机的控制系统原理框图。
[0025]图5是本实用新型的工作原理图。
[0026]图中:I翼伞，2-1GPS和磁罗盘模块，2-2数据采集板，2-3无线数据传输模块，3、4惯性测量单元，5-1伞绳，5-2吊挂绳，5-3操纵绳，6GPS和磁罗盘模块，7油箱，8_1空速管，8-2大气计算机，9无线数据传输模块，10飞行控制器，11惯性测量单元，12云台，13收索机，14车轮，15转速测量单元，16发动机，17螺旋桨，18防护罩，20机舱。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
[0028]如图1所示，本实用新型结构大体上主要包括:柔性冲压翼伞系统、机舱系统。其中柔性冲压翼伞的下部通过伞绳连接悬挂机舱。
[0029]翼伞的姿态数据是飞行中的重要参数，本实用新型在翼伞上安装有两个惯性测量单元，一个GPS定位单元，一个磁罗盘单元，一个数据采集板，一个数据传输模块。将传感器安装在翼伞上是为了更加及时准确的测量出翼伞的姿态变化，减小由于伞体与机舱之间的柔性连接而造成的姿态估计偏差和控制误差，从而使控制更加的及时准确，增强软翼无人机飞行的稳定性。数据采集板用于采集惯性测量单元、GPS以及磁罗盘的数据，打包发送给数据传输模块，经数据传输模块无线发送给飞行控制系统，以进行数据处理。
[0030]机舱为框体机架结构，该结构减少了软翼无人机因碰撞而造成内部重要器件损坏的可能性，各类传感器、驱动电路、收索机、飞行控制系统、发动机、及云台等均安装在机架内部，机架可以有效的保护舱内器件。机舱周边主要安装有车轮、空速管、油箱等。发动机和螺旋桨安装在舱体的尾部，为机舱提供向前的推力，是软翼无人机在空中飞行的动力。车轮安装在机舱下部，在自主打火起飞的时候在地面上起滑行作用。驱动电路是为了对控制电路的信号进行放大，驱动收索机。收索机连接动力伞后沿的操纵绳，收索机拉动操纵绳使翼伞产生形变,改变空气动力参数，达到控制动力伞偏航角俯仰角以及飞行速度的目的。
[0031]各类传感器包括:空速管、惯性测量单元、GPS、磁罗盘、转速测量单元。空速管指向机舱正前方，在稳定飞行的状态，可精确测量机舱的空速，结合GPS对动力伞地速的测量，可计算出风速的大小以及方向，从而改变控制策略，以减小风对动力伞飞行的影响。云台可适用于对大范围进行扫描监视，可以扩大摄像机的可视范围，对灾区搜救时大范围内寻找目标起至关重要的作用。摄像机的转动由云台内的电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位，从而锁定目标。机舱内的惯性测量单元、GPS和磁罗盘传感单元可通过飞行控制器计算得出机舱的姿态及位置信息。转速测量单元用于对电机转速进行测量，形成闭环控制。机舱上的载荷用来对软翼无人机进行配重，以保证飞行时的平衡，且有利于软翼无人机的快速稳定降落。
[0032]无人机还配有地面控制站。地面控制站可实时观测动力伞的各项数据，包括飞行中的各种姿态信息、速度信息、位置坐标、剩余油量、飞行轨迹等。另外，通过地面控制站，可以人为的操纵软翼无人机。
[0033]柔性冲压翼伞充分利用了空气动力，使其自身拥有载重量大的特点，例如对于本实用新型中的小型软翼无人机，其最大载重量与机身重量的比值可达到将近1:1，这是其他飞行器很难达到的。
[0034]如图2所示，2-1GPS模块，2-2数据采集板模块，2-3无线数据传输模块，2-4磁罗盘四个模块集成在一块电路板上，安装在翼伞重心位置。与两个惯性测量单元呈一条直线安装在柔性冲压翼伞下方的中心线上，两个惯性测量单元等距放置在重心两侧，相约0.5米。安装方式为缝纫固定。
[0035]伞绳5-1，连接在冲压翼伞前缘以及中间的部分伞绳是为了吊挂起机舱，与这部分伞绳相连接的下部的绳子即为吊挂绳5-2，连接在冲压翼伞后缘的部分伞绳是为了控制翼伞形态，与这部分伞绳相连接的下部的绳子即为操纵绳5-3。
[0036]如图3所示，机舱系统包括若干空间，便于容纳安装GPS和磁罗盘模块6，油箱7，空速管8-1，大气计算机8-2，无线数据传输模块9，飞行控制器10，惯性测量单元11，云台12，收索机13。GPS和磁罗盘模块6、空速管8-1、惯性测量单元11的安装位置须与螺旋桨的推力线平行。GPS和磁罗盘模块6尽可能远离磁性材质的防护罩和舱体隔板，空速管8-1的头部须探出金属防护罩至少I米。
[0037]油箱7内的油量可达到5L左右，由于动力伞省油的特性，满油量情况下可供飞行2小时左右，同等油量下的飞行时间远高于其他类型的飞行器，7油箱安装固定在机舱内。
[0038]空速管8-1安装在舱体前方，前轮上方，与大气数据计算机8-2相连，配套使用。大气数据计算机与飞行控制器10连接，给飞行控制器提供准确的空速数据。无线数据传输模块9负责与地面站通讯，安装在舱体内。飞行控制器10和惯性测量单元11使用四组弹簧减震环节安装在舱体中部。一个惯性测量单元包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计是用于检测物体在载体坐标系统中独立三轴的加速度信号，而陀螺是用于检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，以测量出的物体在三维空间中的角速度和加速度来解算出物体的姿态。
[0039]云台12安装在舱体中部位置，摄像机对准地面方向，在进行自然灾害搜救时，用于侦察地形，寻找地面目标。收索机13安装在舱体后部，与操纵绳5-3相连。车轮14三个，前轮无转向，后轮两个，有减震作用。转速测量单元15用霍尔元器件，安装在发动转盘侧面。发动机16与螺旋桨17直连，转速大概在5000转/分到7000转/分范围内，软翼软翼无人机借助发动机16旋转螺旋桨17所产生的推力和柔性冲压翼伞I的升力进行飞行。全金属打造焊接的防护罩18可以防止因人手无意中进入旋转中的螺旋桨而导致的意外，同时也有效地防止了旋转的螺旋桨碰到其他物体，给人和螺旋桨都提供了安全保障。
[0040]如图4所示，控制系统由翼伞传感采集部分、机载飞行控制部分、地面控制部分构成。
[0041 ] 其中，翼伞传感采集部分包括GPS和磁罗盘模块2-1，数据采集板2-2，无线数据传输模块2-3，惯性测量单元3，惯性测量单元4。数据采集板2-2与GPS和磁罗盘模块2_1、惯性测量单元3和4、无线数据传输模块2-3连接。
[0042]机载飞行控制部分包括GPS和磁罗盘模块6，空速管8-1，大气计算机8_2，无线数据传输模块9，飞行控制器10，惯性测量单元11，收索机13，转速测量单元15。飞行控制器10与GPS和磁罗盘模块2-1、空速管8-1、大气计算机8-2、惯性测量单元11、无线数据传输模块9、转速测量单元15、云台12、收索机13连接。
[0043]地面控制部分包括地面控制站、数传链路。
[0044]翼伞传感采集部分功能:数据采集板实时采集惯性测量单元、GPS、磁罗盘传感器的数据，并通过无线数传链路传输至安装在伞车上的飞行控制器，飞行控制器将利用这些数据分析得到翼伞的三轴姿态信息、三轴速度信息、及三轴角速度信息、经纬度高度位置信肩、O
[0045]机载飞行控制部分功能:飞行控制器实时采集安装在伞车上的惯性测量单元、GPS、磁罗盘、空速管传感器的数据，并分析得到伞车的三轴姿态信息、三轴速度信息、及三轴角速度信息，经纬度高度位置信息，同时分析得到飞行方向的风速信息。同时，结合翼伞的三轴姿态信息、三轴速度信息、及三轴角速度信息、经纬度高度位置信息，由控制器计算得到油门舵量、左右收索机执行器的输出量，从而控制软翼无人机的飞行状态。
[0046]地面控制部分功能:地面控制站通过无线数据传输链路与机载控制器进行数据交互。可通过地面控制站实时观察无人飞行器的飞行轨迹、飞行姿态、飞行速度等数据信息，并可实时观察机载云台摄录的视频画面等。而且，人们可通过地面控制站发送指令设定飞行器的飞行路线、飞行速度、飞行目的地位置等参数，操控飞行器的飞行。
[0047]如图5所示，该软翼无人机可实现两种飞行模式:遥控飞行模式和自主飞行模式。
[0048]遥控飞行模式:通过遥控器和接收天线，人为进行动力伞飞行的操控。
[0049]自主飞行模式:通过飞行控制器，完成对翼伞状态传感部分、伞车状态传感部分、空速传感部分传感器参数的解算，根据姿态以及位置信息控制飞行的驱动电路和收索机，引导无人机在空中进行自动飞行。
[0050]该软翼无人机操控流程大概为:首先在遥控飞行模式下，软翼无人机逆风起飞，待飞行到预定高度后，切换至自主飞行模式，进而由飞行控制器根据预定轨迹路线，实时自动调整姿态，进行循迹飞行。飞行期间，地面站通过无线传输链路与软翼无人机进行实时交互，可以给予不同的控制任务指令。当空中飞行结束后，软翼无人机首先到达降落点上空，进行盘旋削高，当高度合适，选定逆风位置，进行逆风雀降，从而完成所有飞行任务。
【权利要求】
1.多用途软翼无人机，其特征在于:包括翼伞系统和机舱系统；翼伞系统的下部通吊挂绳(5-2)悬挂机舱系统； 所述翼伞系统包括翼伞(I)及与其连接的伞绳(5-1)； 所述机舱系统包括机舱(20)及固定于机舱(20)上的空速管(8-1)、云台(12)、油箱(7)、发动机(16)和螺旋桨(17);所述机舱(20)通过吊挂绳(5-2)与伞绳(5-1)连接；所述空速管(8-1)固定于机舱(20)前部，装有摄像机的云台(12)固定于机舱(20)中部且摄像机镜头垂直向下；发动机(16)固定于机舱(20)后端，并连有螺旋桨(17)，螺旋桨(17)外侧装有防护罩(18)。
2.根据权利要求1所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述防护罩(18)为金属焊接而成的网罩。
3.根据权利要求1所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述空速管(8-1)的头部距离防护罩(18)至少一米。
4.根据权利要求1所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述机舱系统还包括收索机(13)安装在机舱(20)后部，通过连接的操纵绳(5-3)与翼伞(I)连接。
5.根据权利要求1所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述机舱系统还包括三个车轮(14)，第一个车轮固定于机舱(20)前部的下方，另外两个固定于机舱(20)后部的下方且相对于第一个车轮对称。
6.根据权利要求1所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述机舱系统还包括GPS和磁罗盘模块(6)、无线数据传输模块(9)、飞行控制器(10)、惯性测量单元(11)、转速测量单元(15);所述GPS和磁罗盘模块(6)固定于机舱(20)内部的前端；无线数据传输模块(9)、飞行控制器(10)、惯性测量单元(11)固定于机舱(20)内部；所述飞行控制器(10)和惯性测量单元(11)均通过四组钢绳隔振器安装在舱体中部；所述转速测量单元(15)安装在发动机(16)转盘侧面。
7.根据权利要求6所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述GPS和磁罗盘模块(6)和惯性测量单元(11)的X轴线、空速管(8-1)的轴线均与螺旋桨(17)的推力线平行。
8.根据权利要求1所述的多用途软翼无人机，其特征在于所述翼伞系统还包括两个惯性测量单元(3、4)和集成在一块电路板上的GPS模块(2-1)、数据采集板模块(2-2)、无线数据传输模块(2-3)、磁罗盘(2-4);所述电路板位于翼伞(I)下层的中心，两个惯性测量单元(3、4)固定于电路板两侧且对称，并与电路板在弦长方向上位于同一直线。
【文档编号】B64D47/00GK204021249SQ201420416096
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】韩建达, 齐俊桐, 宋大雷, 梅森 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所