一种基于地面站和氦气球的无人机航母的制作方法

本发明涉及一种多无人机系统的结构设计和协调控制，属于无人机的结构设计领域和控制领域。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机以其尺寸分布广、重量轻、操作方便且能在某些恶劣的环境下执行任务等优势在各个领域备受关注。随着无人机技术的发展，无人机依靠它与生俱来的优势，已经在社会各行各业中发挥了其独特的优势，例如自然灾害搜救、农业植保、林地防火、测绘、电力巡检等。

随着无人机的各项性能指标也越来越高，应用范围也越来越广。但是，由于电池技术的限制，目前大多数无人机多用在负载需求和续航性能较低的领域，单次充电飞行制空时间较短，无法最大化发挥无人机的优势。而航空器中的氦气球属于无动力浮空器，氦气球具有无人机不具有的优势：留空时间长，动力需求低，常用于高空科学侦测等，但是机动性能不够好。如果能把两者结合起来弥补相互之间的劣势，则能使无人机和氦气球的应用空间得到扩展。故当前已有人把无人机与氦气球结合(专利号：CN201420292163.7)制成新型的无人机，依靠氦气球的升力来提高无人机的可用负载，并将其用于农业中农药的喷洒。这种其一体式的设计制约了无人机性能的发挥，无人机与氦气球的硬性连接也使得无人机的飞行效率达不到目标期望，难以执行灵活性较高的任务。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明涉及一种基于地面站与氦气球的无人机航母，能够实现长续航的低空飞行作业，本发明中借鉴航母概念，是指无人机停靠或受控的平台，不限于海上的舰艇。

本发明采用如下技术方案：一种基于地面站和氦气球的无人机航母，主要包括地面站部分、氦气球部分、无人机部分和连接管线；氦气球部分悬浮于地面站上方，由地面站牵引，无人机连接到氦气球部分上，且飞行高度比氦气球低。所述氦气球部分包括氦气球、航母平台、绕线器、分配盒、空中功能箱、太阳能电池、动力系统、GPS模块、摄像头模块和氦气球控制系统；地面站部分包括外部供电系统、气球线盘、蓄电池和地面功能箱；无人机部分包括多旋翼无人机、管线连接盒和任务作业部件；此外还有用于连接各部分的连接管线。

所述氦气球底部装有圆形或正多边形的航母平台，航母平台上安装有所述的绕线器、空中功能箱、动力系统、分配盒、摄像头模块和氦气球控制系统；在氦气球的上半部分安装有太阳能电池和GPS模块。

所述绕线器平均分布在航母平台靠近边缘的地方，绕线器的数量必须大于或等于多旋翼无人机的数量；绕线器用于连接多旋翼无人机管线的收集，一个多旋翼无人机连接一个绕线器；在无人机远离和靠近航母平台时，涡卷弹簧带动线盘的转动从而实现管线的自动拉出和收回，防止管线相互缠绕或掉落在地面；在无人机需要停靠回航母上时，使用步进电机驱动线盘将无人机拉回并锁住连接管线。

所述分配盒用于连接来自地面站的管线，并将管线传输的介质分配给各个绕线器上的子管线。

所述空中功能箱位于航母平台的中间，在不同的任务条件下所搭载的空中功能箱不同，可以根据实际要求更换。

所述太阳能电池为薄板状或薄膜状的太阳能电池，它能够在天气较好的情况下为整个系统供电，分担地面站供电的压力。

所述动力系统是由四个对称的电机和螺旋桨组成，当需要移动或者稳定氦气球的位置时，根据GPS模块传来的位置信息，由氦气球控制系统控制电机和螺旋桨的转动从而实现氦气球运动控制。

所述摄像头模块安装在航母平台的底部中央，用于监视各多旋翼无人机的相对位置和工作状态，可使用防碰撞任务分配算法来指示各多旋翼无人机的飞行路径，防止无人机之间相互碰撞。

地面站部分分为两种实现方式：固定式和移动式；固定式的地面站固定在地面，外部供电系统使用电网供电或者发电机供电等方式；移动式的地面站一般固定在车辆上，外部供电系统可以使用车载发电机供电。

所述蓄电池用于整个无人机航母系统的供电；在外部供电系统工作时，外部供电系统可以给无人机航母系统供电，同时给蓄电池充电。

所述气球线盘使用步进电机驱动，在线盘上绕有与氦气球连接的管线，当步进电机驱动线盘转动时可以调节氦气球的高度。

所述地面功能箱用于搭配空中功能箱使用，可以根据实际任务更换不同的箱体。

所述多旋翼无人机的每个旋翼都安装有防护圈，以防止连接管线接触到高速旋转的螺旋桨，也用于防止多旋翼飞行器螺旋桨之间的相互碰撞产生事故；机体上部安装有管线连接盒，用于固定来自氦气球的连接管线，并且将来自管线的电能、物料流分流；机体的下部安装有任务作业部件，用于实施具体任务。

所述连接管线主要包括电力供应线路、液体输送管道或其他管线，可以根据实际任务选配；管道材料采用高分子轻型纤维制成，重量轻，柔软，并能抗一定的拉力。

本发明的有益效果是：本发明能同时运行多个作业状态的多旋翼无人机，能提高完成低空高密度的作业的效率；本发明利用地面站与氦气球，把传统无人机的大部分负载转移到地面上，并且可以使用发电机或者电网供电，提升了无人机的续航能力；同时，无人机能够搭载各种任务设备用于完成低空农林养护，低空精细采摘，危险区域监控等任务，适应性广。

附图说明

图1为本发明一种基于地面站和氦气球的无人机航母的氦气球部分的结构示意图；

图2为本发明一种基于地面站和氦气球的无人机航母的地面站部分的结构示意图；

图3为本发明一种基于地面站和氦气球的无人机航母的无人机部分的结构示意图；

图4为本发明一种基于地面站和氦气球的无人机航母的整体的结构示意图；

图5为本发明一种基于地面站和氦气球的无人机航母的用于纵深喷洒示意图；

图6为本发明一种基于地面站和氦气球的无人机航母的搭载采摘设备示意图。

图中：1-氦气球、2-航母平台、3-绕线器、4-分配盒、5-空中功能箱、6-太阳能电池、7-动力系统、8-GPS模块、9-摄像头模块、10-氦气球控制系统、12- 气球线盘、13-蓄电池、14-地面功能箱、15-多旋翼无人机、16-管线连接盒、17- 任务作业部件，18-纵深喷洒装置、19-采摘设备。

具体实施方式

为使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于了解明白，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1和图2所示，本发明包括地面站部分、氦气球部分和无人机部分，具体包括氦气球1、航母平台2、绕线器 3、分配盒4、空中功能箱5、太阳能电池6、动力系统7、GPS模块8、摄像头模块9、氦气球控制系统10、外部供电系统、气球线盘12、蓄电池13、地面功能箱14、多旋翼无人机15、管线连接盒16和任务作业部件17；此外还有用于连接各部分的连接管线。

本发明一种基于地面站与氦气球的无人机航母，如图1所示，所述氦气球部分包括氦气球1、航母平台2、绕线器3、分配盒4、空中功能箱5、太阳能电池6、动力系统7、GPS模块8、摄像头模块9和氦气球控制系统10，以六个绕线器为例，如图3所示；氦气球1的上部覆盖有太阳能电池6，氦气球的顶部有 GPS模块8用于获取氦气球1的位置；氦气球1的底部连接到航母平台2，由于采用六个绕线器，所以将航母平台设计成正六边形，六个绕线器3分布在六个角附近，用于连接六个多旋翼飞行器；在航母平台2的底部中心安转有分配盒4，分配盒4用于连接来自地面站的连接管线，并将管线内传输的能量与介质分成六份分别供给六个绕线器上的管线；在航母平台2的上面中央安转有空中功能箱5，可以用于少量介质的保存或者安装其他部件用以配合无人机完成任务；在空中功能箱5的周围安转有动力系统7，即四个对称的电机螺旋桨，四个电机可以正反转，可以实现水平方向的驱动，用以移动或者稳定氦气球；氦气球控制系统10可以获取GPS模块8和摄像头模块9的信息，从而控制动力系统8移动或稳定氦气球，同时，可以根据摄像头模块8传回来的图像监控各无人机的飞行和作业状况。

地面站部分包括气球线盘12、蓄电池13、地面功能箱14和供电系统；地面站位于氦气球1正下方，且牵引着氦气球1；以移动式的地面站为例，如图2 所示，整个地面站安装在农用车辆上，其中供电系统共用汽车的发电系统，即可以通过蓄电池13给整个系统供电，也可以使用汽车发电机给整个系统供电；气球线盘12上绕有与氦气球1连接的管线，可以使用步进电机驱动线盘的转动从而调节氦气球的高度；地面功能箱14功能和空中功能箱相似，可以安装存储槽存储大量介质，也可以安装其他部件用于配合完成任务。

无人机部分包括多旋翼无人机15、管线连接盒16和任务作业部件17，如图3所示；多旋翼无人机15承载着飞行任务，包括姿态控制、定高定点和数据回传等；管线连接盒16是用于连接来自氦气球1的管线，并且把管线内传输的电能和介质流分开，供其他部分使用；任务作业部件17可以根据具体任务来更换不同的部件，比如喷头、机械臂和摄像头等。

连接管线分为很多线芯，包括但不限于多旋翼飞行器供电线，任务介质管道等，可以根据实际任务选配；各线芯通过橡胶和涂层隔离，管道材料采用高分子轻型纤维制成，重量轻，能抗一定的拉力。

现举出实施例如下：

实施例一：农药及叶面肥的纵深喷施

无人机在喷洒农林养护有很大的用途，但是传统的无人机喷施农药或叶面肥等为了追求一定的效率，一般采取离作物有一定高度差的高度进行喷洒，这很容易使得雾状的液体悬浮在空中，四处飘散；此外，由于电池技术的限制，高负载的无人机续航能力都较短，需要经常回去充电和补充农药或肥料。

本发明的无人机航母可以进行农药或叶面肥的喷洒；首先，连接管线为附带介质管道的管线，地面站功能箱为农药或肥料液的存储箱；在存储箱底部有小型液体泵，可将箱内液体泵至氦气球的空中功能箱上，并通过分配盒分配至各无人机的连接管线输送至多旋翼无人机；同时，在多旋翼无人机的下部装有液体纵深喷洒装置18，农药喷洒装置把输送来的液体均匀洒出，在四个螺旋桨的风力作用下，液滴能迅速达到指定的作物上。如图5所示，纵深喷洒装置18 为一根软管或硬质管道上安转有许多水平喷头，可以用于生长高度较高的作物的农药或者叶面肥的喷施，克服了传统喷施无法喷施到底层叶面的问题。

此外，如果任务量较少，则可以直接将农药或者肥料液存放在空中功能箱中，依靠重力即可将液体输送到各工作的无人机，完成低空喷洒；如果采用移动式地面站，当一片区域喷洒完成，直接移动地面站车辆即可到达下一个喷洒地点，高效方便。

实施例二：棉花水果等的高效采摘

棉花水果等作物每棵结果数量较多，而且枝叶较繁茂，这些作物的采摘基本上只能由人工来完成，效率较低。虽然目前开发出了很多可以自动采摘的机械化设备，但是由于设备本身处于地面上，对于大多数处于较高位置的果实难以采摘。无人机由于本身的灵活性与机动性，适合于某些作物的采摘。传统无人机由于本身电池重量较重，搭载采摘设备受到很大的限制，而且由于续航原因，不适合需求长时间大面积的采摘作业。

本发明的无人机航母能很好的解决这个问题；本发明的多旋翼无人机本身不负载电池，拥有更多的空间来搭载采摘设备19，同时保证了机动性与灵活性，如图6所示；地面功能箱为作物的存储箱，无人机采摘的作物可以运送到该存储箱中统一存放；同时，电力由地面站提供，能够适用于长时间的作业；如使用地面站车辆，则更进一步扩大了作业范围。

实施例三：化工装置，核生化装备，危化品库区等智能监控

在工业上，化工装置，核生化装备，危化品库区等地区有较高的风险，为了保证人身安全，一般采用自动化的监控设备；但是对于某些临时事件需要实时监控，从新安装新的监控设备费时费力，而且需要人工监测，较为麻烦。

本发明的无人机航母可以通过搭载摄像头，各种传感器等设备实现实时智能监控；由于电力可以通过固定式地面站直接由电网提供，因此在机动性和续航性能上有充足的保障；同时多个无人机能从空中同时监测到多种数据，便于数据的整理和分析，降低了监控成本。

以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。