一种高续航时间的无人机装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人机领域，特别涉及一种高续航时间的无人机装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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，控制四旋翼无人机的飞行动作，能实现垂直起降、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I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，通过主控单元来控制主螺旋桨，使不同主螺旋桨的转速根据飞行需要进行改变，即可实现对四旋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。
[0004]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，但在实际应用中，无人机却普遍存在续航时间短的缺点。由于无人机在执行长时间、远航程的飞行任务时，主要以螺旋桨作为飞行的动力，但无人机的机载能源有限，且螺旋桨对能源的利用率不高，大大限制了无人机的续航时间。由于无人机的续航时间短，无人机在进行远距离作业时受到了极大的限制，使无人机往往只能进行短距离作业，无法开展超大范围超远距离的工作，同时，由于无人机的续航时间短，无人机也无法开展超长时间的作业，无人机需要在较短时间间隔内进行机载能源的补充，降低了无人机的使用率和工作效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的由于无人机的机载能源有限，而且主螺旋桨对能源的利用率不高，从而导致无人机续航时间短，无法进行超长时间超远距离作业的问题，提供一种高续航时间的无人机装置及控制方法，该无人机装置通过降低对无人机机载能源的消耗，实现延长无人机续航时间的目的，同时改善无人机的续航状态，大幅度增加了无人机的续航时间。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
一种高续航时间的无人机装置，包括机架和主螺旋桨，所述主螺旋桨对称布置于机架的四个方向，机架上还安装有控制无人机飞行状态的主控单元，所述无人机装置还包括有机翼滑翔装置和驱动装置，所述机翼滑翔装置与驱动装置连接，驱动装置设置有用以输出动力的驱动轴，驱动轴转动控制机翼滑翔装置展开或收拢。
[0007]所述主螺旋桨提供向上的拉力，在无人机起飞时，使用主螺旋桨提供动力，用以克服无人机自身的重力，牵引机体向上运动，使无人机实现安全平稳的起飞，待无人机起飞之后，在飞行高度沿着某一方向飞行的过程中，通过驱动装置提供动力，使驱动轴转动，从而打开与驱动装置连接的机翼滑翔装置，使无人机借助机翼滑翔装置在高空进行滑翔，在无人机滑翔的过程中，使用主螺旋桨适当调整无人机的高度，使无人机始终保持在某一高度范围内飞行。通过这种方式，减小了无人机在飞行过程中螺旋桨对机载能源的消耗，不仅增加了无人机航程，也延长了无人机的续航时间。在无人机需要降落时，使无人机在预先设定好的降落轨道滑翔，然后通过驱动装置的工作，收拢机翼滑翔装置，使用主螺旋桨提供的动力完成无人机的安全降落。无人机在整个飞行及准备降落的过程中，通过驱动装置打开机翼滑翔装置，使无人机在机载能源提供较少动力的情况下，实现长时间的滑翔或翱翔，达到减少机载能源消耗的目的，极大地改善无人机的续航状态，增加了无人机的续航时间。使无人机在不添加机载能源的情况下，可以进行超长距离和超大范围内的工作，同时可以进行长时间的作业，提高了无人机的使用效率和工作效率。
[0008]优选的，所述机翼滑翔装置包括转轴和机翼，所述机翼的一侧固定于机架上，另一侧与转轴连接，所述转轴水平固定于驱动装置上，转轴带动机翼在水平方向转动，且机翼展开后形成的面与水平面平行。
[0009]所述驱动装置带动转轴进行转动，从而使与转轴连接的机翼展开或收拢，伸展开的机翼平行于水平面，无人机在空中飞行时，通过伸展开的机翼产生的浮力，使无人机在空中进行滑翔，降低对机载能源的消耗，改善了无人机的续航状态，增加了无人机的续航时间，使无人机可以进行超长距离和超大范围内的作业，提升无人机的连续作业时间。机翼的一边连接于转轴上，另一边固定于十字形机架上，通过固定于驱动装置上的转轴的转动，实现对机翼的展开和收拢。无人机在起飞和降落的过程中，通过驱动轴转动带动转轴旋转，使机翼收拢，无人机在空中飞行时，通过驱动轴的转动带动转轴旋转，使机翼伸展开，从而实现无人机的平稳滑翔。
[0010]优选的，所述驱动装置安装于机架中心，转轴的一端连接驱动装置，驱动装置的驱动轴转动，带动转轴绕机架中心做圆周运动，使机翼展开后形成的平面均布于机架中心周围。驱动装置安装于机架中心，转轴的一端固定于驱动装置上，驱动轴转动带动转轴以机架中心为圆心旋转，做圆周运动，使展开的机翼形成的平面平行于水平面，使机翼滑翔装置为无人机提供更大的升力，同时，机翼展开形成的平面均布于机架中心周围，保证无人机受到的作用力比较均衡，使无人机在空中滑翔时，滑翔的时间更长，距离更远，对提高续航时间和扩大航行距离具有相当大的作用。
[0011]优选的，所述机翼滑翔装置的转轴垂直于驱动装置的驱动轴。转轴垂直于驱动轴，使驱动轴在带动转轴转动时，更省力。
[0012]优选的，所述无人机装置上配置有4个机翼及对应的4个转轴，以机架为中心，对称布置于十字形机架形成的4个象限区域内，分别带动4个机翼展开或收拢的4个转轴连接到同一个驱动装置上。在十字形机架形成的4个象限区域内对应布置4个机翼及对应的4个转轴，使无人机装置在各个方向的受力更加均衡，不容易发生在某一方向严重偏转等问题，更利于无人机在空中滑翔飞行。带动机翼伸展收拢的4根转轴连接到同一个驱动装置上，保持转轴带动机翼展开收拢的同步性，避免发生因各个机翼伸展收拢的速度不同而失去平衡。
[0013]优选的，所述机翼展开后呈扇形，机翼展开后的最外边延伸至相邻机架，布满两侧机架形成的90度夹角范围。每个机翼的两边都布置在该象限区域的两侧机架上，使机翼展开后布满象限区域的90度范围，这种机翼布置方式保证机翼滑翔装置为无人机提供的浮力更大，更有利于节约机载能源。
[0014]优选的，所述驱动装置为步进电机，所述步进电机与主控单元连接，其转向及旋转角度通过主控单元进行控制。使用步进电机作为驱动装置，可以很好地对机翼滑翔装置的转向及旋转角度进行控制，由于步进电机具有优秀的启停和反转响应能力，在需要伸展开机翼和收拢机翼时，能快捷准确地执行信号命令，并且能准确地调整转轴的转动速度和角度，使无人机便于控制。同时，步进电机没有电刷，可靠性较高，极大地改善了无人机的可靠安全运行能力。
[0015]优选的，所述机翼为可折叠薄层，机翼的上层面设有向上凸起的薄层部，使机翼展开后呈上凸下平的流线型结构。由于无人机的机翼滑翔装置在无人机起飞和降落的过程中是收拢的，在空中滑翔时是打开的，需要使用可折叠薄层作为机翼，同时在机翼的上层面布置有向上凸起的薄层部，使机翼展开后呈上凸下平的流线型结，根据伯努利原理，当空气流经机翼时，上方的空气分子因在同一时间内要走的距离较长，所以跑得较下方的空气分子快，造成在机翼上方的气压会较下方低。如此，下方较高的气压就将飞机支撑着，而无人机能浮在空气中。
[0016]优选的，所述机架上开设有收纳转轴和机翼的凹槽结构。当无人机在起飞或降落过程中，转轴随着驱动装置旋转而将机翼收拢时，开设与机架上的凹槽用于放置转轴和收拢的机翼。
[0017]相应地，本发明还提供了一种高续航时间的无人机装置的控制方法，该方法包括以下步骤:
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