技术领域本发明涉及一种无人机领域，特别涉及一种在重负荷条件下工作的无人机装置及控制方法。
背景技术：
无人机又称为无人驾驶飞机、远程遥控或自巡航飞机，是一种成本低、损耗小、机动性高的可携带负载飞行器，已被广泛应用于军事、科研、民用等多种领域。在军事领域，无人机可应用于敌情侦查、通讯中继、早期预警、靶机训练等，甚至可直接组成无人机编队进行对敌作战；在科研领域，可用于飞行试验的验证、新设备及新方案的可行性模拟评估、航拍图像的获取、恶劣环境下的取样及条件监测等；在民用领域，无人机可用于农业墒情监测、农业施肥、灾情分析、工程监理、电网线路巡视等。在一些实际应用中，无人机技术已经取得了相当好的成果，人们已逐渐认识到它的巨大潜力与作用。四旋翼无人机作为无人机的一种，通过安装在十字形机架结构四个顶端的主螺旋桨，产生气动力，无人机上设置有主控单元，主控单元将监测系统测得的无人机飞行状态换算成系统调节量。在无人机飞行过程中，通过主控单元调整主螺旋桨的转速，控制四翼无人机的飞行动作，实现垂直起降、自由悬停、前进、倒退、超低空飞行等多种空中姿态。如图1所示，四个主螺旋桨处在同一高度平面，第一主螺旋桨1和第三主螺旋桨3逆时针旋转，第二主螺旋桨2和第四主螺旋桨4顺时针旋转，通过主控单元改变不同主螺旋桨的转速，即可实现对四翼无人机飞行姿态的控制。四旋翼无人机以其新颖的外形及紧凑的结构，被认为是一种最简单、最直观的稳定控制形式。这种无人机技术虽具有研发成本低、可实施性强、使用范围广、操作要求低等优点，但无人机在进行重负荷飞行作业的过程中，螺旋桨垂直方向上所提供的拉力不仅要克服无人机自身的重力，而且还要克服其负载的物体的重力。由于无人机自身的机载能源有限，在重负荷条件下会较快消耗完机载能源，难以完成长时间的飞行作业。如果增加无人机自身的机载能源，其所负载的物品就会减少，无人机会连续不断地往返进行物品搭载，如果无人机减少无人机自身的机载能源，增加其所负载的物品，同样会面临无人机连续不断地往返进行能源补充，不管采取哪种方式，无人机的作业效率都非常低下，对无人机的推广应用产生了较大影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的由于无人机机载能源有限，无人机在重负荷条件下需要消耗大量机载能源，从而导致无人机难以进行长时间的飞行作业任务，对无人机的作业效率和推广使用造成巨大影响的问题，提供一种在重负荷条件下工作的无人机装置及控制方法，该无人机装置能减少无人机在重负荷条件下对机载能源的消耗，使无人机在较长时间内才能消耗完机载能源，延长在重负荷条件下的飞行作业时间，从而达到提升无人机的作业效率，扩大无人机在重负荷条件下的作业时间和作业范围，克服无人机在重负荷条件下使用受限制的缺点。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种在重负荷条件工作的无人机装置，包括无人机主体机构和控制无人机各系统正常运行的主控单元，还包括为无人机提供向上拉力的气囊装置，所述气囊装置布置于无人机主体结构上方，其内部充斥有比空气密度小的轻密度气体，所述气囊装置还连接有用于排放其内部气体容量的排气装置。当无人机在重负荷条件下起飞时，将气囊装置内充满低密度气体，向气囊装置内部充斥密度比空气轻的气体，使气囊装置借助空气的浮力为无人机提供向上的拉力，同时无人机上的主螺旋桨以较低的转速进行旋转，产生一定向上的拉力，主螺旋桨和气囊装置同时为无人机提供向上的拉力，一起克服无人机的重力及负载的重力。当无人机上升到一定高度后，通过主控单元调整主螺旋桨的转速，使无人机在预设高度开展作业，主螺旋桨只需要消耗极少的机载能源来调节无人机的在高度方向的运动偏移量，降低了对机载能源的消耗速度。无人机作业一段时间后，其搭载的负荷减轻，无人机受到气囊装置的拉力会大于其自身的重力和搭载载荷的重力，无人机的作业高度会继续上升，当主螺旋桨停止提供向上的拉力后无人机的高度仍在上升时，通过排气装置释放气囊装置中的气体，降低为无人机提供的拉力，使无人机受到的作用力始终处于相对平衡状态，只需要通过主螺旋桨提供较小作用力来进行调节，使无人机保持在一定高度继续作业。这样就延长了无人机的作业时间，使无人机在较长时间内持续处于理想的工作状态，提高无人机工作效率的目的，扩大了无人机在重负荷条件下的作业时间和作业范围，实现无人机在重负荷条件下持续工作的效果。优选的，所述无人机装置上还设有用于测量无人机高度、速度及加速度的感应器件，所述感应器件与主控单元连接。通过设置在无人机上的感应器件，可以将无人机高度、速度和加速度等飞行状态参数及时反馈至主控单元，主控单元将感应器件测得的无人机飞行状态换算成系统调节量，无人机根据系统调节量进行调节，再通过调整主螺旋桨的转速使其提供的作用力发生改变，让无人机的高度、速度和加速度得到及时调整，使无人机正常飞行。优选的，所述排气装置为安装在气囊装置上的排气开关，所述排气开关连接有自动控制装置，自动控制装置根据主控单元反馈的数据执行命令，用于将排气开关及时打开或关闭。无人机通过主控单元对感应器件测得的数据及时分析、计算，并换算成调整参数，自动控制装置根据主控单元传递的调整参数及时对无人机的飞行状态进行调整，当无人机的高度超过设定高度时，自动控制装置根据反馈的信号将排气开关打开，从而释放气囊装置内的部分气体，阻止无人机偏离预设的高度，同时根据感应器件测得的速度和加速度数值，及时调整无人机在垂直方向上的速度和加速度，使无人机平稳飞行。优选的，所述气囊装置上还连接有供气装置，所述供气装置为轻密度气体源，用于向气囊装置供应比空气密度小的轻密度气体。设置供气装置，使得气囊装置借助于空气浮力对无人机提供向上拉力，供气装置可以及时向气囊装置补充轻密度气体，从而保持飞行状态，无人机在飞行过程中，经常会根据作业指令不断上升或下降，同时为了躲避障碍物，无人机也会重复出现上升和下降，无人机在需要下降时，通过排气装置释放部分气体即可，同时设置供气装置，可以在无人机需要再次上升时，及时向气囊装置补充气体，使无人机在重负荷状态下轻易上升，避免对机载能源的巨大消耗，从而起到延长作业时间，提高工作效率的目的。优选的，所述供气装置内装设有反应原料，反应原料在供气装置内进行化学反应后生成比空气密度小的气体。使用化学反应原料在密闭器具内生成比空气密度轻的轻密度气体来为气囊装置进行供气，可以根据需要适量补充气体。优选的，所述供气装置为贮存有液态或固态气体的贮存装置。由于液态或固态气体的体积较小，在运输和使用过程中都非常方便，搭载在无人机上作为气囊装置的气体来源，具有较大的优势，同时使用贮存有液态或固态气体的贮存装置作为供气装置，可以根据需要释放适量的气体，使供气装置在为气囊装置供气的过程中，开启或关闭供气装置都非常方便。优选的，所述供气装置向气囊装置输送气体的通道上连接有供气开关，所述供气开关通过自动控制装置进行控制，自动控制装置根据主控单元反馈的数据执行命令，用于将供气开关及时打开或关闭。通过感应器所测得的无人机的高度、速度及加速度数值，通过主控单元换算成调节量并启动自动控制装置来实现对阀门的自动开启和自动闭合，保证无人机在起飞时，及时打开供气阀门，使无人机上升到作业高度，当无人机的作业高度继续上升达到预设飞行高度时，再通过自动控制装置关闭供气开关，使无人机保持在一定高度进行作业。优选的，所述气囊装置为体积随气体量和气体压力变化的伸缩装置，所述伸缩装置的材料为柔性织物。使用尼龙纤维等柔性织物作为气囊装置具有较大的使用优势，作为提供动力来源的装置，气囊装置连接着无人机漂浮在空中，当供气装置向气囊装置供气时，气囊装置借助空气的浮力向无人机提供向上的拉力，与无人机主螺旋桨一起克服无人机的重力及负载的重力。对应地，本发明还提供了一种在重负荷条件下工作的无人机装置的控制方法，包括以下步骤：a、将无人机气囊装置充满轻密度气体，关闭气囊装置上的排气装置，同时，主螺旋桨在垂直方向以较低的转速进行旋转，在气囊装置和主螺旋桨的作用力下，无人机起飞；b、无人机在主螺旋桨和气囊装置的共同作用力下向上运动，到达飞行预定高度时，减小主螺旋桨的作用力，使无人机保持在预定高度飞行；c、通过主控单元调整主螺旋桨的转速，使无人机保持在一定高度范围内飞行并开展相关作业任务；d、控制无人机开展相关作业任务；e、当无人机负载的载荷逐步减轻，无人机在气囊的带动下持续上升，降低主螺旋桨的旋转速度，使无人机受到的拉力减小，当主螺旋桨的旋转速度降到临界值后无人机仍在向上运动时，通过主控单元打开气囊装置上的排气装置，对气囊装置内的填充气体进行释放；f、重复步骤g直至无人机完成空中飞行作业；g、无人机准备降落时，通过主控单元控制无人机到达降落区域，通过排气装置逐步释放气囊装置内的填充气体，同时控制好主螺旋桨的转速，使无人机完成安全平稳降落。采取上述方式，使无人机借助空气的浮力使气囊为无人机提供向上的拉力，与主螺旋桨一起克服无人机的自身重力及负载的重力。主螺旋桨只需要消耗极少的机载能源来调节无人机在垂直方向上的运动偏移量，降低了对机载能源的消耗速度，延长了无人机的作业时间，使无人机在重负荷条件下可以进行长时间的作业，从而达到提高无人机工作效率的目的，扩大了无人机在重负荷条件下的作业时间和作业范围，达到了无人机在重负荷条件下持续长时间工作的效果。优选的，所述无人机上设置有供气装置，无人机在开展作业任务过程中，需要反复上升和下降时，所述步骤d包括以下几个步骤：d1、无人机下降时，将主螺旋桨的转速降低到临界值，同时打开排气装置，使无人机下降；d2、待无人机下降到预设高度时，关闭排气装置，通过主控单元适当控制主螺旋桨转速，使无人机保持在预定高度作业；d3、无人机上升时，打开供气装置，向气囊装置充斥气体，使无人机上升；d4、待无人机上升到预设高度时，关闭供气装置，通过主动单元适当控制主螺旋桨转速，使无人机保持在预定高度作业；d5、直至无人机完成全部作业。采取上述方式，使无人机在飞行过程中，可以根据作业要求反复上升和下降，并且在上升和下降过程中，不需要消耗大量机载能源，使无人机可以进行长时间的飞行作业任务，使无人机的作业效率得到提升，对无人机的推广也起到了推动作用。与现有技术相比，本发明的有益效果：1、通过在无人机上增加气囊装置，借助空气的浮力为无人机提供向上的拉力，与主螺旋桨一起克服无人机的重力及负载的重力。主螺旋桨只需要消耗极少的机载能源来调节无人机的运动偏移量，降低了对机载能源的消耗速度，延长了无人机的作业时间，使无人机在较长时间内持续处于理想的工作状态，从而达到提高无人机工作效率的目的，扩大了无人机在重负荷条件下的作业时间和作业范围，达到了无人机在重负荷条件下持续工作的效果；2、在无人机装置上设有用于测量无人机高度、速度及加速度的感应器件，通过感应器件可以将无人机高度、速度和加速度等飞行状态参数及时反馈至主控单元，通过主控单元换算成系统调节量，用于及时调整无人机的高度、速度和加速度，使无人机正常飞行；3、在供气装置上设置供气开关，且供气开关通过自动控制系统进行控制，自动控制装置根据主控单元传递的调整参数及时对无人机的飞行状态进行调整，无人机在起飞时，及时打开供气开关，使无人机上升到作业高度，当无人机的作业高度继续上升达到预设飞行高度时，再通过自动控制装置关闭供气开关，使无人机保持在一定高度进行作业；4、设置排气开关，且排气开关通过自动控制系统进行控制，自动控制装置根据主控单元传递的调整参数及时对无人机的飞行状态进行调整，当无人机的高度超过设定高度时，自动控制装置根据反馈的信号将排气开关打开，从而释放气囊装置内的部分气体，阻止无人机偏离设定的高度，同时根据监测感应器测得的速度和加速度数值，及时调整无人机在垂直方向上的速度和加速度，使无人机平稳飞行。附图说明：图1为现有的四旋翼无人机的结构原理图。图2为实施例1的无人机装置的结构原理图。图3为实施例2的无人机装置的结构原理图。图中标记：1-第一主螺旋桨，2-第二主螺旋桨，3-第三主螺旋桨，4-第四主螺旋桨，5-气囊装置，6-供气装置，7-供气开关，8-排气开关，9-连接管道。具体实施方式下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。实施例1本实施例用于无人机在重负荷条件下进行飞行作业的场合。如图2所示，在重负荷条件工作的无人机装置，包括无人机主体机构和控制无人机各系统正常运行的主控单元，还包括为无人机提供向上拉力的气囊装置5，所述气囊装置5布置于无人机主体结构上方，其内部充斥有比空气密度小的轻密度气体，所述气囊装置5还连接有用于排放其内部气体容量的排气装置。气囊装置5为体积随气体量和气体压力变化的伸缩装置，伸缩装置的材料为柔性织物。使用尼龙纤维等柔性织物作为气囊装置具有较大的使用优势，作为提供动力来源的装置，气囊装置5连接着无人机漂浮在空中，当供气装置6向气囊装置5供气时，气囊装置5借助空气的浮力向无人机提供向上的拉力，与无人机主螺旋桨一起克服无人机的重力及负载的重力。气囊装置5上设置有排气装置，排气装置为安装在气囊装置5上的排气开关8，排气开关8连接有自动控制装置，排气开关8用于排放气囊装置5内部填充气体，由于无人机在高负荷状态下作业一端时间后，搭载物的重量会慢慢减少，无人机受到气囊装置5的拉力会大于其自身和搭载物的重力，无人机的会上升，当主螺旋桨停止提供向上的拉力后无人机的高度仍在上升时，需要释放气囊装置5中的部分气体，使无人机停止上升，保持在预设高度。在这种状态下，需要通过设置在排气开关上的自动控制装置打开排气开关8排放气囊中的部分气体。无人机装置上还设有用于测量无人机高度、速度及加速度的感应器件，所述感应器件与主控单元连接。主控单元将感应器件测得的无人机飞行状态换算成系统调节量，通过设置在无人机上的感应器件，可以将无人机高度、速度和加速度等飞行状态参数及时反馈至主控单元，通过主控单元换算成系统调节量，再通过调整主螺旋桨的转速使其提供的作用力发生改变，让无人机的高度、速度和加速度得到及时调整，使无人机正常飞行。排气装置为安装在气囊装置5上的排气开关8，排气开关8连接有自动控制装置，自动控制装置根据主控单元反馈的数据执行命令，用于将排气开关8及时打开或关闭。无人机通过主控单元对感应器件测得的数据及时分析、计算，并换算成调整参数，自动控制装置根据主控单元传递的调整参数及时对无人机的飞行状态进行调整，当无人机的高度超过设定高度时，自动控制装置根据反馈的信号将排气开关打开，从而释放气囊装置5内的部分气体，阻止无人机偏离设定的高度，同时根据监测感应器测得的速度和加速度数值，及时调整无人机在垂直方向上的速度和加速度，使无人机平稳飞行。在使用在重负荷条件工作的无人机装置时，无人机装置的控制方法包括以下步骤：a、将无人机气囊装置充满轻密度气体，关闭气囊装置上的排气装置，同时，主螺旋桨在垂直方向以较低的转速进行旋转，在气囊装置和主螺旋桨的作用力下，无人机起飞；b、无人机在主螺旋桨和气囊装置的共同作用力下向上运动，到达飞行预定高度时，减小主螺旋桨的作用力，使无人机保持在预定高度飞行；c、通过主控单元调整主螺旋桨的转速，使无人机保持在一定高度范围内飞行并开展相关作业任务；d、控制无人机开展相关作业任务；e、当无人机负载的载荷逐步减轻，无人机在气囊的带动下持续上升，降低主螺旋桨的旋转速度，使无人机受到的拉力减小，当主螺旋桨的旋转速度降到临界值后无人机仍在向上运动时，通过主控单元打开气囊装置上的排气装置，对气囊装置内的填充气体进行释放；f、重复步骤g直至无人机完成空中飞行作业；g、无人机准备降落时，通过主控单元控制无人机到达降落区域，通过排气装置逐步释放气囊装置内的填充气体，同时控制好主螺旋桨的转速，使无人机完成安全平稳降落。采取上述方式，使无人机借助空气的浮力使气囊为无人机提供向上的拉力，与主螺旋桨一起克服无人机的自身重力及负载的重力。主螺旋桨只需要消耗极少的机载能源来调节无人机在垂直方向上的运动偏移量，降低了对机载能源的消耗速度，延长了无人机的作业时间，使无人机在重负荷条件下可以进行长时间的作业，从而达到提高无人机工作效率的目的，扩大了无人机在重负荷条件下的作业时间和作业范围，达到了无人机在重负荷条件下持续长时间工作的效果，无人机完成空中作业后，通过主控单元控制排气阀门打开，逐步释放掉气囊装置中的部分气体，通过主螺旋桨提供的拉力，使无人机安全平稳着落。实施例2本实施例用于无人机在重负荷条件下进行飞行作业的场合。如图3所示，在重负荷条件工作的无人机装置，包括无人机主体机构和控制无人机各系统正常运行的主控单元，还包括为无人机提供向上拉力的气囊装置5，所述气囊装置5布置于无人机主体结构上方，其内部充斥有比空气密度小的轻密度气体，所述气囊装置5还连接有用于排放其内部气体容量的排气装置。气囊装置5为体积随气体量和气体压力变化的伸缩装置，伸缩装置的材料为柔性织物。使用尼龙纤维等柔性织物作为气囊装置具有较大的使用优势，作为提供动力来源的装置，气囊装置5连接着无人机漂浮在空中，当供气装置6向气囊装置5供气时，气囊装置5借助空气的浮力向无人机提供向上的拉力，与无人机主螺旋桨一起克服无人机的重力及负载的重力。气囊装置5上设置排气装置，排气装置为排气开关8，排气开关8用于排放气囊装置5内部填充气体，由于无人机在高负荷状态下作业一端时间后，搭载物的重量会慢慢减少，无人机受到气囊装置5的拉力会大于其自身和搭载物的重力载荷，无人机的作业高度会上升，当主螺旋桨停止提供向上的拉力后无人机的高度仍在上升时，需要释放气囊装置5中的部分气体，使无人机停止上升，在这种状态下，需要排放气囊装置5中的部分气体，使气囊装置向无人机提供的向上拉力减小。所述无人机装置上还设有用于测量无人机高度、速度及加速度的感应器件，所述感应器件与主控单元连接。主控单元将感应器件测得的无人机飞行状态换算成系统调节量，通过设置在无人机上的感应器件，可以将无人机高度、速度和加速度等飞行状态参数及时反馈至主控单元，通过主控单元换算成系统调节量，再通过调整主螺旋桨的转速使其提供的作用力发生改变，让无人机的高度、速度和加速度得到及时调整，使无人机正常飞行。排气开关8连接有自动控制装置，排气开关8通过自动控制装置实现开启和闭合，自动控制装置根据主控单元反馈的数据执行命令，用于将排气开关8及时打开或关闭。无人机通过主控单元对感应器件测得的数据及时分析、计算，并换算成调整参数，自动控制装置根据主控单元传递的调整参数及时对无人机的飞行状态进行调整，当无人机的高度超过设定高度时，自动控制装置根据反馈的信号将排气开关8打开，从而释放气囊装置5内的部分气体，阻止无人机偏离设定的高度，同时根据监测感应器测得的速度和加速度数值，及时调整无人机在垂直方向上的速度和加速度，使无人机平稳飞行。所述气囊装置5上还连接有供气装置6，供气装置6为轻密度气体源，用于向气囊装置5供应比空气密度小的轻密度气体，使得气囊装置5借助于空气浮力对无人机提供向上拉力。设置供气装置，可以及时向气囊装置补充轻密度气体，从而保持飞行状态，无人机在飞行过程中，经常会根据作业指令不断上升或下降，同时为了躲避障碍物，无人机也会重复出现上升和下降，无人机在需要下降时，通过排气装置释放部分气体即可，同时设置供气装置，可以在无人机需要再次上升时，及时向气囊装置补充气体，使无人机在重负荷状态下轻易上升，避免对机载能源的巨大消耗，从而起到延长作业时间，提高工作效率的目的。本实施例中的供气装置6内装设有反应原料，反应原料在供气装置6内进行化学反应后生成比空气密度小的气体。使用化学反应原料在密闭器具内生成比空气密度轻的轻密度气体来为气囊装置5进行供气，可以根据需要适量补充气体。除此之外，供气装置6还可以是贮存有液态或固态气体的贮存装置，由于液态或固态气体的体积较小，在运输和使用过程中都非常方便，搭载在无人机上作为气囊装置5的气体来源，具有较大的优势，同时使用贮存有液态或固态气体的贮存装置作为供气装置6，可以根据需要定量释放适量的气体，所述供气装置还可以为其他方式，只要可以定量向气囊装置5提供轻密度气体即可。供气装置6向气囊装置5输送气体的连接通道9上连接有供气开关7，供气开关7通过自动控制装置进行控制，自动控制装置根据主控单元反馈的数据执行命令，用于将供气开关7及时打开或关闭。通过感应器所测得的无人机的高度、速度及加速度数值，通过主控单元换算成调节量并启动自动控制装置来实现对开关的自动开启和自动闭合，保证无人机在起飞时，及时打开供气开关7，使无人机上升到作业高度，当无人机的作业高度继续上升达到预设飞行高度时，再通过自动控制装置关闭供气开关7，使无人机保持在一定高度进行作业。在本实施例中，在无人机处于重负荷条件下起飞阶段既可使用供气装置向气囊装置供气，使气囊装置充满轻密度气体，借助空气的浮力为无人机提供向上的拉力，同时主螺旋桨以较低的转速进行旋转，产生一定向上的拉力，主螺旋桨和气囊装置同时为无人机提供向上的拉力，一起克服无人机的重力及负载的重力。当供气装置供气到一定程度且无人机上升到一定高度后，使供气装置停止向气囊装置供气，无人机到达作业高度后开展作业，主螺旋桨只需要消耗极少的机载能源来调节无人机的运动偏移量，降低了对机载能源的消耗速度，延长了无人机的作业时间，使无人机在较长时间内持续处于理想的工作状态，从而达到提高无人机工作效率的目的，扩大了无人机在重负荷条件下的作业时间和作业范围，达到了无人机在重负荷条件下持续工作的效果，无人机完成空中作业后，逐步释放气囊装置中的气体，通过主螺旋桨提供的拉力，使无人机安全平稳着落。在使用在重负荷条件工作的无人机装置时，无人机装置的控制方法与实施例1大致相同，但由于本实施例中的无人机装置设置有供气装置，无人机在空中作业时，当需要反复上升或下降时，需要通过主控单元反复操作控制排气开关、供气开关及供气装置，具体涉及到实施例1中的步骤d，包括下述步骤：d1、无人机下降时，将主螺旋桨的转速降低到临界值，同时打开排气装置，使无人机下降；d2、待无人机下降到预设高度时，关闭排气装置，通过主控单元适当控制主螺旋桨转速，使无人机保持在预定高度作业；d3、无人机上升时，打开供气装置，向气囊装置充斥气体，使无人机上升；d4、待无人机上升到预设高度时，关闭供气装置，通过主动单元适当控制主螺旋桨转速，使无人机保持在预定高度作业；d5、直至无人机完成全部作业。通过上述步骤，使无人机在飞行过程中，可以根据作业要求反复上升和下降，并且在上升和下降过程中，不需要消耗大量机载能源，使无人机可以进行长时间的飞行作业任务，使无人机的作业效率得到提升，对无人机的推广也起到了推动作用。