无人驾驶飞行器的模块化机身的制作方法

本公开总体涉及无人驾驶飞行器领域。

背景技术：

无人驾驶载具(也可称为自主载具)是能够在没有物理存在的人类操作员的情况下行驶的载具。无人驾驶载具可以以远程控制模式、自主模式或部分自主模式操作。

当无人驾驶载具以远程控制模式操作时，位于远程位置的飞行员或驾驶员可以通过经由无线链路发送到无人驾驶载具的命令来控制无人驾驶载具。当无人驾驶载具以自主模式操作时，无人驾驶载具通常基于预编程的导航航点、动态自动化系统或这些的组合来移动。此外，一些无人驾驶载具可以在远程控制模式和自主模式下操作，并且在一些情况下可以同时这样做。例如，作为示例，远程飞行员或驾驶员可能希望在手动执行另一任务(比如操作用于拾取物体的机械系统)的同时将导航留给自主系统。

存在用于各种不同环境的各种类型的无人驾驶载具。例如，存在用于在空中、地面、水下和空间中操作的无人驾驶载具。对于可以进行多环境操作的混合操作，也存在无人驾驶载具。混合无人驾驶载具的示例包括能够在陆地以及水上操作的两栖航空器(craft)或者能够着陆在水上以及陆地上的飞行艇。其他示例也是可能的。可以提供无人驾驶载具以执行各种不同的任务，包括有效载荷传递、探索/侦察、成像、公共安全、监视或其他。任务定义通常会指定无人驾驶载具的一种专用设备和/或配置。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部分。并非所有元件的实例都必须标记，以免在适当的时候使附图混乱。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明所描述的原理上。

图1a是根据本公开实施例的具有模块机身的无人驾驶飞行器(uav)的透视图。

图1b是根据本公开实施例的具有模块机身的uav的俯视图。

图1c是根据本公开实施例的具有模块机身的uav的仰视图。

图2是根据本公开实施例的组装的模块化机身的透视图。

图3是根据本公开实施例的组装的模块化机身的仰视图。

图4a和4b是根据本公开实施例的未组装的模块化机身的分解透视图。

图5a-c是根据本公开实施例的机身盖的透视图。

图5d是根据本公开实施例的机身盖的仰视图。

图6a是根据本公开实施例的机翼翼型件(wingfoil)的透视图。

图6b和6c分别是根据本公开实施例的机翼翼型件的俯视图和仰视图。

具体实施方式

本文描述了用于具有模块化机身的无人驾驶飞行器(uav)的系统和设备的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、部件、材料等来实践本文描述的技术。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作未被详细示出或描述以避免模糊某些方面。

本说明书中对“一实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一实施例中”或“在实施例中”不一定都指的是同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

本文描述的实施例包括无人驾驶飞行器(uav)，其涉及能够在没有物理存在的人类飞行员的情况下执行某些功能的任何自主或半自主载具。uav可以采取各种形式。例如，除其他可能性之外，uav可以采用以下形式：固定翼飞机、滑翔机、尾翼飞机、喷气式飞机、管道风扇飞机、诸如飞艇或可转向气球的轻于空气的飞船、诸如直升机或多旋翼飞行器的旋翼飞行器和/或扑翼飞机(ornithopter)。此外，术语“无人机”、“无人驾驶飞行器系统”(uavs)或“无人驾驶航空系统”(uas)也可用于指代uav。

图1a是根据本公开实施例的具有模块化机身的uav1100的透视图。图1b是uav1100的俯视图，而图1c是uav1100的仰视图。图1a-c示出了固定翼uav1100的示例，除其他可能性之外，其也可被称为飞机(ariplane)、飞机(aeroplane)、滑翔机、飞机(plane)等。顾名思义，固定翼uav1100具有机翼组件1102，其基于机翼形状和飞行器的前进空速产生升力。例如，机翼组件1102可具有翼型件形状的横截面，以在uav1100上产生气动升力。

如图所示，uav1100还包括模块化机身1104。模块化机身1104包括电池模块、航空电子模块、任务有效载荷模块和机身盖。这些模块可彼此拆卸并且可彼此机械地固定，以连续地形成uav主体或机身的至少一部分。结合图2-6更详细地讨论模块化机身1104的模块化。

电池模块容纳一个或多个电池，用于为uav1100供电。航空电子模块容纳uav1100的飞行控制电路，其可包括处理器和存储器、通信电子器件和天线(例如蜂窝收发器、wifi收发器等)以及各种传感器(例如全球定位传感器、惯性测量单元(imu)等)。任务有效载荷模块容纳与uav1100的任务相关的设备。例如，任务有效载荷模块可包括用于保持和释放外部附接的有效载荷的有效载荷致动器。在该实施例中，uav1100的任务可以是有效载荷传递。在另一实施例中，任务有效载荷模块可包括用于承载相机/传感器设备(例如相机、镜头、雷达、激光雷达、污染监测传感器、天气监测传感器等)的相机/传感器设备保持器。在该实施例中，uav1100的任务可以是航空图像。在又一实施例中，任务有效载荷模块可以包括附加的电池保持器，以容纳额外的或更大的电池以延长飞行时间。在该实施例中，uav1100的任务可以是普通飞行。当然，任务有效载荷模块可以为各种混合使用任务提供混合使用有效载荷容量(例如附加的电池和相机设备)。uav1100的模块化机身还可包括用于受控起飞和着陆的起落架和/或滑板(skidplate)。

uav1100的所示实施例还包括定位在机翼组件1102上的前进推进单元1106，其可各自包括用于推进uav1100的马达、轴和螺旋桨。uav1100的所示实施例还包括固定到机翼组件1102的两个吊杆组件(boomassembly)1110。在一实施例中，机翼组件1102包括设置在机翼翼型件内的翼梁。翼梁可以是沿机翼翼型件的内部长度延伸的管状杆，并且提供将机翼组件1102连接到模块化机身1104并且吊杆组件1110安装到其上的主结构构件。

吊杆组件1110的所示实施例均包括吊杆1111、垂直推进单元1112、印刷电路板1113和稳定器1108。垂直推进单元1112每个可包括马达、轴和螺旋桨，用于提供垂直推进。垂直推进单元1112可以在悬停模式期间使用，其中uav1110正在下降(例如到递送位置)或上升(例如在递送之后)。uav1100可以包括稳定器1108(或翅片)，以在飞行期间稳定uav的偏航(左转或右转)。在一些实施例中，uav1100可以配置为用作滑翔机。为此，uav1100可以关闭其推进单元并滑行一段时间。

在飞行期间，uav1100可以通过控制其俯仰、侧倾、偏航和/或高度来控制其运动的方向和/或速度。例如，稳定器1108可包括用于控制uav偏航的一个或多个方向舵1108a，并且机翼组件1102可包括用于控制uav俯仰的升降舵和/或用于控制uav侧倾的副翼1102a。作为另一示例，同时增加或减小所有螺旋桨的速度可以导致uav1100分别增加或减小其高度。

所示固定翼uav的许多变型是可能的。例如，固定翼uav可以包括更多或更少的螺旋桨，和/或可以使用管道风扇或多个管道风扇用于推进。此外，具有更多机翼的uav(例如具有四个机翼的“x翼”配置)也是可能的。尽管图1a-1c仅示出了一个机翼组件1102、仅两个吊杆组件1110、两个前进推进单元1106和每个吊杆组件1110的六个垂直推进单元1112，但应当理解的是，uav1100的其他变型可以实施有更多或更少的这些部件。例如，uav1100可包括两个机翼组件1102、四个吊杆组件1110以及更多或更少的推进单元(前进或垂直)。

应当理解，本文对“无人驾驶”飞行器或uav的引用可同样适用于自主和半自主飞行器。在自主实施方式中，飞行器的所有功能都是自动化的；例如通过实时计算机功能预编程或控制，该功能响应来自各种传感器和/或预定信息的输入。在半自主实施方式中，飞行器的一些功能可以由人类操作员控制，而其他功能可以自主地执行。此外，在一些实施例中，uav可以配置为允许远程操作员接管可以由uav自主控制的功能。此外，给定类型的功能可以在一个抽象级别远程控制，并在另一个抽象级别自主地执行。例如，远程操作员可以控制uav的高级导航决策，比如指定uav应该从一个位置行进到另一个位置(例如从郊区的仓库行进到附近城市的交付地址)，同时uav的导航系统自主控制更精细的导航决策，比如要在两个位置之间行驶的特定路线、实现路线的特定飞行控制以及在导航路线时避开障碍物等。

图2、3、4a和4b示出了根据本公开实施例的模块化机身200。模块化机身200是图1a中所示的模块化机身1104的一种可能的实施方式。图2是组装的模块化机身200的透视图。图3是组装的模块化机身200的仰视图，图4a和4b是模块化机身200的分离模块的分解视图。

参见图4a和4b，模块化机身200的所示实施例包括用于容纳电池以为uav供电的电池模块205、容纳与uav的任务相关的设备的任务有效载荷模块210以及用于容纳uav的飞行控制电路的航空电子模块215。电池模块205、任务有效载荷模块210和航空电子模块215成形为彼此固定以形成连续且可操作的机身，与机械地固定到机翼组件1102或吊杆组件1110分开。这使得模块化机身200能够被组装并且在机翼组件1102和吊杆组件1110上与空气动力学结构和系统隔离地进行操作测试。模块化还使得能够容易地更换磨损或损坏的模块、交换用于给定uav任务或飞行的模块(例如任务有效载荷模块)或更新特定模块而无需更换整个uav。

在所示实施例中，模块化机身200的部分使用机械紧固件220a-h机械地彼此固定。当配合并固定在一起时，电池模块205、任务有效载荷模块210和航空电子模块215形成具有光滑连续外表面的连续机身。例如，在所示实施例中(参见图3)，电池模块205、任务有效载荷模块210和航空电子模块215的下侧225、230和235分别具有配合曲率，其在机械地固定到彼此时形成机身的单个连续空气动力学表面。在一实施例中，下侧225、230和235也用作滑板。在所示实施例中，间隙或狭缝237保持在配合下侧225和230之间，以为渗透到模块化机身200中的水提供排水位置。

返回图4a，电池模块205的所示实施例包括电源电路240、电池支架245、拉伸支撑杆250和下侧225。任务有效载荷模块210的所示实施例包括有效载荷致动器255、有效载荷控制器260、翼梁安装支架265和下侧230。拉伸支撑杆250是可拆卸构件，其连接在翼梁安装支架265和电池模块205的远端部分之间以将电池载荷承载到翼梁。

有效载荷致动器255的所示实施例包括共线马达256、齿轮减速箱和用于缠绕穿过引导孔258的线(未示出)的线轴257。有效载荷致动器255操作以通过在任务有效载荷模块210下方延伸的线保持和释放外部连接的有效载荷。虽然任务有效载荷模块210的所示实施例配置成用于外部有效载荷传送，但其他配置可包括相机设备保持器、传感器设备保持器(例如用于保持雷达设备、激光雷达设备、污染监测设备、气象监测设备等)、用于额外的机载电池容量的附加电池保持器或其他。

航空电子模块215的所示实施例包括处理器、存储器和其他通信、导航和航空电子设备(未示出)中的一个或多个、散热器270、电力和通信连接器275、由侧倾剪切壁280和俯仰剪切壁285形成的扭转箱、下侧235和顶盖290。扭转箱通过将航空电子模块215固定到任务有效载荷模块210的机械紧固件220a、220b、220c和220d为任务有效载荷模块210提供侧倾和俯仰剪切强度。因此，侧倾剪切壁280操作为相邻模块之间的隔板，其为任务有效载荷模块210提供刚性和剪切强度，当递送重包裹时，其可在模块机身内经历最大的力。另外，机械紧固件220c和220d不仅将航空电子模块215连接到任务有效载荷模块210并且将来自任务有效载荷模块210的扭转力承载到航空电子模块215上的扭转箱，而且还将顶盖290保持在航空电子模块215之上的适当位置。当将任务有效载荷模块210连接到航空电子模块215时，机械紧固件220c和220d插入通过任务有效载荷模块210的下侧230上的紧固件孔211并穿入经由侧倾剪切壁280连接到顶盖290的紧固件孔212中。因此，所示设计通过使用用于多种功能的机械紧固件220c和220d可以减轻重量并实现模块化。

在所示实施例中，电池模块205定位为模块化机身200的前部，航空电子模块215定位为后部，并且任务有效载荷模块210定位为中间部分。应当理解，电池模块205、任务有效载荷模块210和航空电子模块215的位置分配可以在模块机身200内交换。例如，在替代实施例中，航空电子模块可以位于前面，而电池模块可以位于后面。

图5a至5d示出了根据本公开实施例的机身盖500的不同视图。机身盖500形成uav1100的模块化机身1104的一部分，并且操作为主体构件和暴露的外皮。在一实施例中，机身盖500是泡沫构件以减轻重量；然而，也可以使用其他材料(例如塑料、铝等)。机身盖500形成模块化机身1104的前端，但也在电池模块205的顶部之上并沿着其侧部、沿着任务有效载荷模块210的侧部以及沿着航空电子模块215的侧部延伸。

在所示实施例中，机身盖500包括舌部505。舌部505在航空电子模块215旁边延伸并通过由凸缘218和219与俯仰剪切壁285之间的间隙形成的通道固定就位。凸缘218是下侧(或滑板)235的延伸件，而凸缘219是顶盖290的延伸件。凸缘218抵着俯仰剪切壁285保持舌部505。在其他实施例中，机身盖500可以分成对应于模块化机身的三个模块的三个部分。例如，每个盖部分可以附接到模块化机身的相应部分(例如附接到电池模块的盖的前部、附接到航空电子模块的盖的后部等)。在一实施例中，盖部分整体的或永久地附接到模块化机身的其相应部分。

图6a-c示出了根据本公开实施例的机翼翼型件600的各种视图。机翼翼型件600是图1a-c中所示的机翼组件1102的一部分的一种可能的实施方式。类似于机身盖500，机翼翼型件600包括舌部605，其成形为配合到凸缘218和219与俯仰剪切壁285之间的间隙中。特别地，凸缘219抵着俯仰剪切壁285保持舌部605。图6c进一步示出了内部通道610，机翼组件的翼梁沿着该内部通道610容纳。

本发明的所示实施例的以上描述(包括摘要中所描述的内容)并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种修改。

根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。