可空中实时重构的涵道飞行器及系统的制作方法

本实用新型涉及飞行器技术领域，具体而言，涉及一种可空中实时重构的涵道飞行器及系统。

背景技术：

在高度复杂的城市环境、山区环境下，无人飞行器作为侦测设备和作业设备的机载平台，往往强调的是低空、低速稳定飞行的性能。相较于传统的开放式旋翼飞行器，涵道式飞行器可以垂直起降和悬停，且起飞空间与安全飞行空间需求小，特别适用于城市楼群、灾后废墟、狭窄小巷等各类复杂环境中的飞行作业；涵道的增升效应在低空、低速飞行时效果显著，使得涵道式飞行器在相同桨盘直径与相同升力下所需功率更小，具有长时间悬停监控目标和定点作业的能力；由于涵道的环扩作用，涵道式飞行器飞行安全边际显著减小，可以抵近建筑物甚至贴壁飞行，适用于完成环境交互式作业任务；此外，涵道式飞行器具有更低的噪音，从而具有更好的隐蔽性。

目前已有的可垂直起降无人机平台包括直升机式、多旋翼式、涵道式等，无论采用哪种结构形式，其结构均为单体式。为了满足复杂环境下的机动性，无人机平台往往需要具备较小的结构尺寸，然而这必然带来系统载荷能力的大幅降低，限制其实用性；为了具备更强的作业能力，无人机平台又必须具备更大的结构尺寸，导致其无法在复杂环境下使用。另一方面，单体式飞行器的载荷布置受整机重心约束限制性强，无法满足某些特殊环境下的作业要求。目前，一种较为常规的多体式飞行器拼接思路是地面拼接式，即在地面组合成环形或矩形的飞行平台后，再升空完成作业任务，这种方法的弊端在于必须在地面完成对接与分离，一方面，地面操作效率低下，且必须人为参与；另一方面，对接后的飞行器在空中不再具备良好的通过性。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种可空中实时重构的涵道飞行器、对接分离方法及系统，克服了传统飞行器领域机动性与载荷能力的矛盾，旨在解决目前的可组合式飞行器必须返回地面对接分离而带来的作业效率低下以及适用环境有限的问题。

一个方面，本实用新型提出了一种可空中实时重构的涵道飞行器，该涵道飞行器包括：第一涵道飞行器、第二涵道飞行器和重构控制器；其中，所述第一涵道飞行器设置有第一连接机构，所述第二涵道飞行器设置有第二连接机构，所述第二连接机构用于与所述第一连接机构相连接；重构控制器，用于在所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器处于飞行状态时控制所述第一连接机构和所述第二连接机构相对接或分离。

进一步地，上述涵道飞行器还包括：第一检测机构，设置于所述第一涵道飞行器，用于检测所述第一涵道飞行器的第一预设参数；第二检测机构，设置于所述第二涵道飞行器，用于检测所述第二涵道飞行器的第二预设参数；所述重构控制器与所述第一检测机构和所述第二检测机构相连接，用于接收所述第一预设参数和所述第二预设参数，并在所述第一预设参数和所述第二预设参数满足预设条件时控制所述第一连接机构和所述第二连接机构相对接或分离。

进一步地，上述涵道飞行器中，所述第一连接机构内设置有第一通信连接体；所述第二连接机构内设置有第二通信连接体；所述第一通信连接体和所述第二通信连接体在所述第一连接机构和所述第二连接相连接时导通，以使所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器实现能源共享和信号数据的传输。

进一步地，上述涵道飞行器，所述第一连接机构为连接轴，所述第二连接机构为连接孔，所述连接轴与所述连接孔相插接并通过锁死机构锁死；或者，所述第一连接机构为连接孔，所述第二连接机构为连接轴，所述连接轴与所述连接孔相插接并通过锁死机构锁死。

另一方面，本实用新型还提出了可空中实时重构的涵道飞行器的对接方法，该方法包括如下步骤：获取第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数；在所述预设参数满足预设条件时，控制所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器相对接。

进一步地，上述涵道飞行器的对接方法中，所述预设参数包括飞行高度和飞行方位。

进一步地，上述涵道飞行器的对接方法中还包括：第一涵道飞行器和第二涵道飞行器对接后，第一涵道飞行器飞行控制器接管对接后的两个涵道飞行器的控制权，第二涵道飞行器的机载飞行控制器进入备用控制状态。

又一方面，本实用新型还提出了一种可空中实时重构的涵道飞行器的对接系统，该系统包括：第一获取模块，用于获取第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数；对接模块，用于在所述预设参数满足预设条件时，控制所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器相对接。

又一方面，本实用新型还提出了一种可空中实时重构的涵道飞行器的分离方法，该方法包括如下步骤：获取处于连接状态的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数；在所述预设参数满足预设条件时，控制所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器相分离。

又一方面，本实用新型还提出了一种可空中实时重构的涵道飞行器的分离系统，该系统包括：第二获取模块，获取处于连接状态的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数；分离模块，用于在所述预设参数满足预设条件时，控制所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器相分离。

由上述技术方案可见，本实用新型提供的可空中实时重构的涵道飞行器、对接分离方法及系统中，重构控制器可以实时控制处于飞行状态的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器进行对接重构为一体模式。可以看出，可实时空中重构的设计，使两架独立的涵道飞行器具有了在空中飞行工况下，重构为一体模式进行协同作业的能力，通过将携带不同的传感器和作业器械的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在空中的重新组合，可以共同完成更为复杂的工作。此外，重构控制器也可以实时控制处于飞行状态的已对接的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器分离成两架独立的涵道飞行器，可空中分离使得飞行器对复杂环境具有更好的适应性，例如，对接后的两个飞行器的结构尺寸会有所增加，对于狭窄的作业空间，可以将两架已对接的涵道飞行器进行分离，分别进入狭窄空间进行作业，适用范围更广。此外，可拆分、重组的特性也更方便飞行器的携带和运输与批量化、模块化生产和装配。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的可空中实时重构的涵道飞行器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中提供的单个的涵道飞行器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中提供的单个的涵道飞行器的侧视图；

图4为本实用新型实施例中提供的单个的涵道飞行器的运动方向示意图；

图5为本实用新型实施例提供的可空中实时重构的涵道飞行器的对接方法的流程图；

图6为本实用新型实施例提供的可空中实时重构的涵道飞行器的对接方法的又一流程图；

图7为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器的对接系统的结构框图；

图8为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器的分离方法的流程图；

图9为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器的分离系统的结构框图。

具体实施方式

当然，实施本实用新型实施例的任一技术方案并不一定需要同时达到以上的所有优点。

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型实施例中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型实施例保护的范围。

下面结合本实用新型实施例附图进一步说明本实用新型实施例具体实现。

纵列涵道式飞行器实施例

参见图1和图2，图中示出了可空中实时重构的涵道飞行器的优选结构。如图所示，该涵道飞行器包括：第一涵道飞行器1、第二涵道飞行器2和重构控制器。

其中，第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2均为本领域技术人员所熟知的结构，下面结合图2以第一涵道飞行器为例对具体结构进行详细说明。

参见图2，第一涵道飞行器1一般包括涵道体4、螺旋桨5、电机6、机载设备舱和桨距舵机8。螺旋桨5设置在涵道体内，电机6与螺旋桨5相连接，为螺旋桨5提供升力，桨距舵机8改变螺旋桨5的总桨距从而改变第一涵道飞行器的升力，通过改变桨距调节升力的方式可以避免由于螺旋桨转动惯量过大带来的响应慢的问题，提高第一涵道飞行器的操作性能。对于双涵道飞行器，前后两个螺旋桨转向相反，抵消由于螺旋桨转动产生的反扭矩。在第一涵道飞行器的底部设置有舵面9、摇臂10和舵面舵机11。舵面舵机11通过摇臂10与舵面9相连接，舵面舵机11通过摇臂10带动舵面9倾转，从而控制涵道下洗流的转向来控制第一涵道飞行器的滚转和偏航。上述飞行器的滚转、偏航、俯仰分别为飞行器绕图4所示机体坐标系的x轴、y轴、z轴旋转。此外，第一涵道飞行器1上还应该设置有机载设备舱。

需要说明的是，本实施例中所提及的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2可以为单涵道飞行器，也可以为双涵道飞行器，当然，也可以为多涵道飞行器，本实施例对单个飞行器上设置的涵道的具体数量及形式不做任何限制。

第一涵道飞行器1上设置有第一连接机构，第二涵道飞行器2上设置有第二连接机构，第二连接机构用于与第一连接机构进行可拆卸连接。重构控制器用于在第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2处于飞行状态时控制第一连接机构和第二连接机构相对接或分离。其中，重构控制器可以为单独设置的控制器，也可以利用第一涵道飞行器1或者第二涵道飞行器2上的机载飞控系统中的飞行控制器来实现，本实施例对控制器的具体实现形式不做任何限定。第一连接机构可以设置在第一飞行器的外侧壁，第二连接机构可以设置在第二飞行器的外侧壁，其中，第一连接机构和第二连接机构的具体实现形式多样，本实施例对其不做任何限定。

本实施例中，重构控制器可以实时控制处于飞行状态的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2进行对接重构为一体模式，可以看出，可实时空中重构的设计，使两架独立的涵道飞行器具有了在空中飞行工况下，重构为一体模式进行协同作业的能力，通过将携带不同的传感器和作业器械的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2在空中的重新组合，可以共同完成更为复杂的工作。此外，重构控制器也可以实时控制处于飞行状态的已对接的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2分离成两架独立的涵道飞行器，可空中分离使得飞行器对复杂环境具有更好的适应性，例如，对接后的两个飞行器的结构尺寸会有所增加，对于遇到狭窄的使用环境，可以将两架已对接的涵道飞行器进行分离，分别进入狭窄空间进行作业，提高适用性。此外，可拆分、重组的特性也更方便飞行器的携带和运输与批量化、模块化生产和装配。

本实施例中，处于分离状态的涵道式飞行器具有可穿越狭小复杂空间的能力，机动性与通过性高；处于接合状态的涵道式飞行器可以显著提升抗干扰能力与系统稳定性，且具有更大的有效载荷，可以完成更为复杂的工作。可空中实时重构的涵道飞行器可以根据实际工况需要在飞行状态下自由对接与分离，进行独立或协同作业，从而克服了传统飞行器领域机动性与载荷能力的矛盾，兼具两者优点，显著增强了飞行器对复杂环境的适应性。

为了更好地实现第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2之间的对接，需要检测对接时两个涵道飞行器的参数，为此，上述实施例中还可以包括：第一检测机构(图中未示出)和第二检测机构(图中未示出)。其中，第一检测机构设置于第一涵道飞行器1上，用于检测第一涵道飞行器1的第一预设参数。第二检测机构设置于第二涵道飞行器2上，用于检测第二涵道飞行器的第二预设参数。重构控制器与第一检测机构和第二检测机构相连接，用于接收第一预设参数和第二预设参数，并在第一预设参数和第二预设参数满足预设条件时控制第一连接机构和第二连接机构相对接或分离。其中，第一预设参数可以为第一涵道飞行器1的高度、方位等，同理，第二预设参数也可以为第二涵道飞行器2的高度、方位等。具体实施时，预设条件可以根据实际情况来确定，例如，当第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2的高度差在预设范围内，同时，方位角度差也在预设范围内时，确定可以控制第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2进行对接。需要说明的是，具体实施时，高度差的预设范围及方位角度差的预设范围可以根据实际情况来确定，本实施例对其不做任何限定。

当第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2进行对接后，两个涵道飞行器要同时控制，协同作业，所以，在两个涵道飞行器之间要进行信号和数据的传递，实现信息共享，为此，第一连接机构内设置有第一通信连接体，第二连接机构内设置有第二通信连接体，第一通信连接体和第二通信连接体在第一连接机构和第二连接机构相连接时导通，以使第一涵道飞行器和第二涵道飞行器实现能源共享和信号数据的传输。具体地，通过电流传输，两个飞行器可以共享电能。当第一飞行器没电时，可以通过接合形成供电系统并联，共享第二飞行器的电能，即通过第二飞行器给第一飞行器供电。同理，也可以通过第一飞行器给第二飞行器供电。

参见图4，上述实施例中，第一连接机构可以为连接轴，第二连接机构可以为连接孔，连接轴与连接孔相插接并通过锁死机构锁死。具体地，连接轴12和连接孔13上可布置有电磁铁来辅助两者的定位连接。连接轴12和连接孔13内均包含导电电芯和通信电缆，两者通过布置在环壁上的接触片进行连接，从而实现两架飞行器的能源共享、信号通讯与数据传输。优选地，在连接成功后，连接孔13可以通过作动机构旋转，从而在机械上锁死连接轴，防止两者的脱离。具体实施时，可以在连接轴的外壁及连接孔的内壁上均凸设有限位块，当连接轴在连接孔13内旋转一角度后，连接孔及连接轴上的限位块位于同一轴向位置并相互抵压，以对二者进行轴向限位。当然，连接孔和连接轴还可以采用本领域技术人员所熟知的其他锁死机构，本实施例对其具体形式不做任何限定。

当然，具体实施时，第一连接机构也可以为连接孔和连接轴的组合，同理，第二连接机构也可以为连接孔和连接轴的组合，第一连接机构和第二连接机构通过连接孔和连接轴的接合实现连接，本实施例对连接孔和连接轴的具体设置形式不做任何限定。

需要说明的是，上述实施例以两架单体的涵道飞行器的对接和分离为例进行的说明，具体实施时，可以为两架，也可以为三架或三架以上，涵道飞行器的具体数量可以根据实际情况来确定，本实施例对其不做任何限定。

综上，本实施例可以将两架单体的涵道飞行器在空中进行实时组合，协同作业，同时，也可以实现已组合的两个涵道飞行器的空中实时分离，使两个涵道飞行器进行独立作业，有效拓宽了无人机的应用场景。

对接方法实施例：

参见图5，图5为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器的对接方法的流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤S510，获取第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数。其中，预设参数可以包括飞行高度和飞行方位等。

具体地，对第一涵道飞行器和第二涵道飞行器的对接姿态进行准备，在对接程序启动后，地面站会采集第一涵道飞行器和第二涵道飞行器的飞行数据，通过GPS数据判断两个涵道飞行器的位置，通过气压计、超声波模块等传感器采集的数据调整两个涵道飞行器的高度。当两个涵道飞行器处于同一高度、同一方位后，视觉、激光雷达等传感器开始采集数据交由控制器解算识别位于机体上的标志物，调整两个涵道飞行器的姿态，进行两(或多个)飞行器连接机构的方向校准。

步骤S520，在预设参数满足预设条件时，控制第一涵道飞行器和第二涵道飞行器相对接。

具体地，控制器根据超声波模块等距离传感器采集的数据解算两个涵道飞行器的理论间距，控制两个涵道飞行器不断接近，在进入连接机构有效工作范围内，两个涵道飞行器的连接机构上的电磁铁启动，辅助连接轴与连接孔对接，在接触片连接上之后，系统判定两飞行器能源与通信连接成功，作动机构旋转连接孔上的机械结构，锁死连接轴。

本实施例中，重构控制器可以实时控制处于飞行状态的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2进行对接重构为一体模式，可以看出，可实时空中重构的设计，使两架独立的涵道飞行器具有了在空中飞行工况下，重构为一体模式进行协同作业的能力，通过将携带不同的传感器和作业器械的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2在空中进行重新组合，可以共同完成更为复杂的工作。

参见图6，图6为本实用新型实施例提供的涵道飞行器的对接方法的又一流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤S610，获取第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数。

步骤S620，在预设参数满足预设条件时，控制第一涵道飞行器和第二涵道飞行器相对接。其中，步骤S610和步骤S620的具体实施过程参见上述实施例中的步骤S510、S520即可，本实施例在此不再赘述。

步骤S630，第一涵道飞行器和第二涵道飞行器对接后，第一涵道飞行器的飞行控制系统接管对接后的两个涵道飞行器的控制权，控制系统由单体模式切换到多体模式。第二涵道飞行器的飞行控制系统进入备用控制状态。

具体地，第一涵道飞行器和第二涵道飞行器的连接机构成功连接后，两个涵道飞行器的能源与通信建立了连接，第二涵道飞行器的飞控系统断开与地面站的通讯，将其动力、传感器、作业机械等的控制信息移交给第一涵道飞行器管控，第二涵道飞行器的飞控系统进入辅助控制状态，由第一涵道飞行器的飞控系统接管整个重构后的涵道飞行器的主要控制权。此时，第二涵道飞行器处于备用状态，或称为辅助控制状态，此状态下，第一涵道飞行器的飞行控制器运行控制主程序，第二涵道飞行器的控制器不再运行控制程序，但当第一涵道飞行器控制器的运算需求较大时，第二涵道飞行器的控制器硬件也可以提供额外的计算能力，辅助主控制器(即第一控制器)的计算，提高系统计算能力。本实例中的辅助控制状态指计算能力上的辅助，而不是控制内容上的辅助。

本实施例将重构后的两个涵道飞行器的控制权放置在了第一涵道飞行器上，避免了两个涵道飞行器的飞控系统的干涉控制，引起系统混乱。

对接系统实施例：

参见图7，图7为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器的对接系统的结构框图。如图所示，该系统包括：

第一获取模块710，用于获取第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数。该模块的具体实施过程参见步骤S510即可，本实施例在此不再赘述。

对接模块720，用于在所述预设参数满足预设条件时，控制所述第一涵道飞行器和第二涵道飞行器相对接。该模块的具体实施过程参见步骤S520即可，本实施例在此不再赘述。

分离方法实施例：

参见图8，图8为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器

的分离方法的流程图。如图所示，该方法包括如下步骤：

步骤S810，获取处于连接状态的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数。具体实施时，第一涵道飞行器和第二涵道飞行器的预设参见参见上述对接方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。

步骤S820，在预设参数满足预设条件时，控制第一涵道飞行器和第二涵道飞行器相分离。具体实施时，分离时第一涵道飞行器和第二涵道飞行器满足的预设条件可以与对接时相同，具体实施过程参见上述说明即可，本实施例在此不再赘述。

此外，重构控制器也可以实时控制处于飞行状态的已对接的第一涵道飞行器1和第二涵道飞行器2分离成两架独立的涵道飞行器，可空中分离使得飞行器对复杂环境具有更好的适应性，例如，对接后的两个飞行器的结构尺寸会有所增加，对于狭窄的作业空间，可以将两架已对接的涵道飞行器进行分离，分别进入狭窄空间进行作业，有效提高其环境适应性。此外，可拆分、重组的特性也更方便飞行器的携带和运输与批量化、模块化生产和装配。

分离系统实施例：

参见图9，图9为本实用新型实施例提供的一种可空中实时重构的涵道飞行器的分离系统的结构框图，如图所示，该系统包括：

第二获取模块910，获取处于连接状态的第一涵道飞行器和第二涵道飞行器在飞行过程中的预设参数。第二获取模块910的具体实施过程参加上述步骤S810即可，本实施例在此不再赘述。

分离模块920，用于在所述预设参数满足预设条件时，控制所述第一涵道飞行器和所述第二涵道飞行器相分离。分离模块920的具体实施过程参加上述步骤S820即可，本实施例在此不再赘述。

如上，对本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的发明点及效果，可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例全部包含在本实用新型的保护范围之内。