一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟及其飞行方法与流程

本发明涉及飞行器领域，尤其涉及一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟及其飞行方法。

背景技术：

目前几乎所有应用生产的飞行器都需借助于螺旋桨、涡轮叶片或风扇等活动零件飞行，这些零件需要由化石燃料的燃烧或飞行器中的电池组供电，因此整个飞行过程中会产生大量的污染物的排放和噪音。用化石燃料燃烧提供动力的方式进行飞行，这对于环境非常不友好。许多飞机场建立在距离市区较远的地方是考虑到了噪音这一因素，飞行器用于室内调试时噪音会损害研究人员的身体健康，同时桨叶的旋转也容易使研究人员受伤。飞行器在室外飞行的过程中也由于桨叶等的存在伤人或被其他物体如树木等拦截，损坏飞行器。因此，在大气污染和噪声污染日益严重的今天，不通过活动零件旋转和燃烧化石燃料而制造动力的飞行器，将会带来飞行器的革命，开启飞行器新篇章，在军事、商业领域有着巨大的价值。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟及其飞行方法，解决了飞行器使用化石燃料燃烧提供动力造成的环境污染问题，以及桨叶旋转产生的噪音污染和安全隐患问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟，所述飞碟包括：控制单元、分析单元和执行单元；

所述控制单元设置在地面，用于发送飞行任务信息并接收飞碟当前飞行状态信息；

所述分析单元集成在飞碟上，用于接收控制单元发送的飞行任务信息，处理后发送到执行单元，同时分析飞碟飞行状态信息，将飞碟当前飞行状态信息发送回控制单元。

所述执行单元用于控制飞碟的飞行状态。执行单元包括飞碟飞行升力模块和水平面动力模块；

所述飞碟飞行升力模块包括安装于飞碟顶部和底部的一对离子发生器以及安装在飞碟内部的通电线圈，飞碟底部的离子发生器位于通电线圈内部，飞碟顶部的离子发生器位于通电线圈上部；飞碟飞行升力模块可生成旋转离子流，飞碟上方气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，产生升力，用于控制飞碟在竖直方向飞行的速度及稳定性；

所述水平面动力模块，包括均匀安装在飞碟边缘的成对的离子发生器。离子发生器电离空气产生离子流，离子高速运动处气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力提供飞碟在水平方向的动力；水平面动力模块用于控制飞碟在水平面上的各个方向，按照指定速度飞行；

飞碟推力功率比的公式如下：

上式中，t是飞碟推力，p是离子发生器的功率，ρ代表电荷密度，是平均电场强度，a是离子流运动过程中接触到的面积，l是两离子发生器电极间距离，v代表两离子发生器电极间的电势，j为电流密度，μ为离子迁移率，v0为粒子初始速度；

根据需求推力功率比可计算出平均电场强度进而可以选择合适的离子发生器；根据下式可得飞碟的升力：

p’＝f×v’

式中，f为飞碟升力，v’为上升飞碟速度，p’为飞碟顶部和底部的一对离子发生器的总功率，p’可由选择的离子发生器得到。

根据需求的飞碟速度，可得到相应的飞碟升力，进而得到飞碟的最大重力，根据飞碟的重力可得到水平方向的离子发生器的数量。

进一步地，所述水平方向的离子发生器至少为两对。

进一步地，所述的离子发生器包括两个电压不同的电极，两个电极均可电离空气分子使其成为带电粒子，两个电极之间存在电场，在电场力的作用下，空气中带电粒子由低电压电极侧向高电压电极侧运动，产生离子流，离子流高速旋转处气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，将对飞碟产生反作用力，为飞碟提供动力。

进一步地，所述的飞碟飞行状态信息是指飞碟在竖直方向的飞行速度大小及方向和飞碟在水平面中飞行的速度大小及方向，以及飞碟目前所在位置。

进一步地，所述的控制单元为移动智能终端，包括：输入模块、路径规划模块、输出模块、接收模块和判断模块；

所述的输入模块用于输入用户的发出飞行任务信息；

所述路径规划模块用于对飞碟起点与终点之间进行路径规划；

所述输出模块用于输出飞行任务信息，选择无线输出，可选择wifi、蓝牙、zigbee等无线通信设备中的任意一种或任意多种。所述飞行任务信息为在指定时间内，按照路径规划模块规划好的路径到达某一指定位置；

所述接收模块用于接收分析单元返回的飞碟当前飞行状态信息，包括飞碟当前的飞行速度及位置信息；

所述判断模块用于判断分析单元返回的飞碟当前飞行状态信息是否正确，即判断是否偏离规划的路径。

进一步地，所述路径规划是指按照一定策略连接起点位置和终点位置的序列点或曲线。

具体方法如下：

(1)通过gps定位系统或其他定位系统获取起点与目标点的位置与包括起点与目标点在内的一定范围的3d地图；

(2)将步骤(1)获得的信息在控制单元内通过路径规划模块进行处理，得到起点与终点之间可行飞行路径。

进一步地，所述判断模块如下判断飞碟当前飞行状态信息是否正确的具体过程如下：

(1)控制单元对分析单元传输回来的飞碟当前飞行状态信息进行整合，通过判断模块判断当前飞碟是否按照规划的路径飞行；

(2)若飞碟偏离了规划的路径，则重新将规划的路径发送至分析单元。

进一步地，所述的分析单元包括：机载中央处理器、数据采集模块和信号接口模块；

所述机载中央处理器用于接收到来自控制单元的飞行任务信息，将飞行任务信息处理后发送给执行单元，根据飞行任务信息选择需要的离子发生器进行工作，进而控制飞碟飞行速度和方向。并将数据采集模块采集到的飞碟当前飞行状态信息传输回控制单元中；

所述数据采集模块包含陀螺仪(即角速度计，用于飞行姿态感知)、加速度计、地磁感应、气压传感器(用于粗略计算悬停高度)、超声波传感器(用于低空高度精确控制及避障)、光流传感器(用于精确测量悬停水平位置)、gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块(用于粗略定位飞碟水平位置)，用于采集飞碟飞行状态所有相关数据。

所述信号接口模块是指信号输入/输出设备，用于接收和发出信号。

进一步地，各单元之间、各模块之间的数据交互方式可以是无线通信方式、有线通信方式中的任意一种或两种方式的结合。所述的无线通信方式可以是红外线通信、蓝牙通信、wifi通信、3/4g网络、zigbee通信、gsm、cdma中的任意一种或任意多种。

一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟的飞行方法，该方法包括以下步骤：

(1)用户通过地面的控制单元中的路径规划模块生成规划好的路径，并将该路径作为飞行任务指令发送到分析单元；

(2)分析单元处理任务指令后发送到执行单元，通过执行单元控制各个离子发生器电极的通断电，以及通电线圈的电流大小和通断，使飞碟按照任务指令飞行；

(3)分析单元通过数据采集模块实时采集飞碟飞行状态信息，并将信息传输回到地面的控制单元中，判断飞碟是否偏离了规划的路径，若偏离了规划的路径，则重新发送飞行任务指令到分析单元。

本发明的有益效果：

(1)本发明可实现通过电磁场控制飞行的飞碟

(2)本发明中的飞碟可实现飞行过程中无污染物排放

(3)本发明中的飞碟可实现飞行过程中无噪音，研发时研究人员不需要遭受噪音，应用时也无噪音污染。

(4)本发明中的飞碟因为没有桨叶等旋转叶片，所以具有更高的安全性，可以在市区等人多的地方用于监控、追踪、送货等任务，避免伤人以及被其他物体如树木等拦截，损坏机身。

附图说明

图1为本发明的飞碟外观示意图；

图2为本发明的飞碟竖直方向带电粒子运动示意图；

图3为本发明的飞碟截面图；

图4为本发明的飞碟剖面图；

图5为本发明的飞碟控制系统框图；

图6为本发明的飞碟飞行控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟，所述飞碟包括：

控制单元，所述的控制单元设置在地面，用于发送飞行任务并接收飞碟当前飞行状态数据；

分析单元，所述的分析单元集成在飞碟上，用于接收控制单元发送的飞行任务信息，处理后发送到执行单元，同时分析飞碟飞行状态，将飞碟当前飞行信息发送回控制单元。

所述的控制单元和分析单元进行数据交互。

执行单元，所述的执行单元用以控制飞碟的飞行状态。

所述的飞碟飞行状态是指飞碟在竖直方向的飞行速度大小及方向和飞碟在水平面中飞行的速度大小及方向，以及飞碟目前所在位置。

所述的分析单元和执行单元可通过硬件电路连接传输信息。

所述的控制单元包括：

输入模块，所述的输入模块用于检测用户的输入指令，可选择键盘、麦克等任意一种或任意多种。

路径规划模块，所述的路径规划模块是在gps系统的辅助下，对飞碟起点与终点之间进行路径规划。所述路径规划是指按照一定策略连接起点位置和终点位置的序列点或曲线。具体方法如下：

(1)通过gps定位系统或其他定位方法获取起点与目标点的位置与包括起点与目标点在内的一定范围的3d地图；

(2)将步骤(1)获得的信息在控制单元内通过路径规划模块进行处理，得到起点与终点之间可行飞行路径。

输出模块，所述的输出模块用于输出飞行任务信息，选择无线输出模块，可选择wifi、蓝牙、zigbee等无线通信设备中的任意一种或任意多种。

所述的飞行任务信息为在指定时间内，按照路径规划模块规划好的路径到达某一指定位置。

接收模块，所述的接收模块用于接收分析单元返回的数据信息。

所述的分析单元返回的数据信息是指飞碟当前的飞行速度及位置信息。

判断模块，所述的判断模块用以判断分析单元返回的数据信息是否正确，即判断是否偏离路径规划模块规划好的路径。判断飞碟当前飞行状态信息是否正确的具体过程如下：

(1)控制单元对分析单元传输回来的飞碟当前飞行状态信息进行整合，通过判断模块判断当前飞碟是否按照规划的路径飞行；

(2)若飞碟偏离了规划的路径，则重新将规划的路径发送至分析单元。

所述的控制单元可以是移动智能终端，所述的移动智能终端是指能够捕获外部信息，进行计算、分析和处理，具有信号发生功能，同时具有无线通信功能，能够在不同终端之间进行信息传输的便携式设备，可以是手机、电脑中的任意一种或多种。

所述的分析单元包括：

机载中央处理器，所述的机载中央处理器是用于协调所述飞碟的数据处理及任务指令发送的工作。接收到来自控制单元的飞行任务指令，将飞行任务信息处理后发送给执行单元，根据飞行任务信息选择需要的离子发生器进行工作，进而控制飞碟飞行速度和方向。并将数据采集模块采集到的飞碟当前飞行状态信息传输回控制单元中。

数据采集模块，所述的数据采集模块包含陀螺仪(即角速度计，用于飞行姿态感知)、加速度计、地磁感应、气压传感器(用于粗略计算悬停高度)、超声波传感器(用于低空高度精确控制及避障)、光流传感器(用于精确测量悬停水平位置)、gps模块和/或北斗定位系统等其他粗略定位模块(用于粗略定位飞碟水平位置)。上述传感器可以监测飞碟飞行状态所有相关数据。

信号接口模块，所述的信号接口模块是指信号输入/输出设备，用于接收和发出信号。

所述的执行单元包括：

飞碟飞行升力模块，所述的飞碟升力模块，包括安装于飞碟顶部和底部的一对离子发生器以及安装在飞碟内部的通电线圈，飞碟底部的离子发生器位于通电线圈内部，飞碟顶部的离子发生器位于通电线圈上部，飞碟飞行升力模块可生成旋转离子流，飞碟上方气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，产生升力，用于控制飞碟在竖直方向飞行的速度及稳定性；

水平面动力模块，所述的水平面动力模块，包括均匀安装在飞碟边缘的成对的离子发生器。离子发生器电离空气产生离子流，离子高速运动处气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力提供飞碟在水平方向的动力；水平面动力模块用于控制飞碟在水平面上的各个方向，按照指定速度飞行。

所述的离子发生器包括两个电压不同的电极，当电极电压足够高时，通常在几万伏左右，两个电极均可电离空气分子使其成为带电粒子，两个电极之间存在电场，在电场力的作用下，空气中带电粒子由低电压电极侧向高电压电极侧运动，产生离子流，离子流高速运动处气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，将对飞碟产生反作用力，为飞碟提供动力。

飞碟中带电粒子所受电场力为；

式中为带电粒子在电场中所受的电场力，q为粒子所带电荷数，为电场强度。

所述的通电线圈，可通过控制螺旋通电线圈中通电电流使其产生不同的磁场，根据安培定则，也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的n极。

飞碟中带电粒子所受磁场力为：

式中为带电粒子在磁场中所受的磁场力，q为粒子所带电荷数，为带电粒子进入磁场时的速度，为磁场强度。

如图2所示，通电线圈中磁场是不均匀的，洛伦兹力的大小会发生变化，带电粒子将会做半径逐渐变大的圆周运动。

如图3和图4所示，飞碟顶部和底部将安装一对离子发生器，飞碟四周将均匀分布数对离子发生器，以提供各个方向的动力。一组通电线圈竖直放置在飞碟内。飞碟竖直方向的离子发生器和通电线圈使飞碟周围存在旋转的带电粒子，粒子高速旋转处出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力产生升力，且旋转使飞碟更易保持稳定，同时当飞碟变换方向时，向某一方向倾斜时，旋转粒子产生的力可保持飞碟稳定。当旋转力干扰飞碟的正常飞行时，可通过飞碟四周均匀分布的成对离子发生器产生对抗其旋转的力，使飞碟稳定飞行。

所述的电机电压可通过飞碟携带电池组获得一定电压，由于电池组可提供电压越高，电池组重量也会越大，基于飞碟载重量考虑，选择一定可提供低电压的电池组，将其与变压器连接，即可获得高电压，同时安装控制电路确保安全。

所述的变压器是指利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。可以选择耦合电感实现变压器的功能。

飞行器飞行最重要的限制参数是推进系统的品质因数，即推力功率比，它是静态推进效率的量度，传统直升机旋翼的推力/功率比为50nkw^-1，推力功率比越高，推进效果越好，为保证安全起见，推力功率比应当高于50nkw^-1。

根据两高电极之间的高斯定律可得：

式中，e代表电场强度,x代表两电极间的距离,v代表两电极间的电势，ρ代表电荷密度，ε代表介电常数。

根据流体动量方程：

式中e代表电场强度，x代表两电极间的距离，ρ代表电荷密度，p代表飞碟受到的压力。

同时由于电流密度j＝ρ(μe+v0)，其中μ为离子迁移率，v0为初始漂移速度。

可推出此飞碟推力功率比公式如下：

上式中，t是飞碟推力，p是离子发生器的功率，ρ代表电荷密度，是平均电场强度，a是离子流运动过程中接触到的面积，l是电极间距离，v代表两电极间的电势，j为电流密度，μ为离子迁移率，v0为粒子初始速度；

假定初始速度为0，则该公式简化为

理想条件下正、负极性重离子迁移率分别为1.5×10^-2cm²/(v·s)，2.0×10^-2cm²/(v·s)；正、负极性轻离子迁移率分别为1.5cm²/(v·s)，2.0cm²/(v·s)。为保证成立，应保证小于100kv/m.

根据飞碟升力与上升速度公式：

p’＝f×v’(7)

式中，f为飞碟升力，v’为上升飞碟速度，p’为飞碟顶部和底部的一对离子发生器的总功率，p’可由选择的离子发生器得到。

根据需求的飞碟速度，可得到相应的飞碟升力，进而得到飞碟的最大重力，根据飞碟的重力可得到水平方向的离子发生器的数量。

假定离子发生器电极距离为1m，则两电极之间电势小于100kv。通常若要使得空气发生电离，电极电压应当上万伏。目前市面以15kv离子发生器为例，每个质量为10kg，功率最高可达100w,

根据：

g＝mg(8)

式中，g为重力，g为重力加速度取10n/kg，m为飞碟质量，为使该飞碟能够起飞，其离子发生器总重力应当小于2000n，此时其数量应当小于20个，同时由于线圈及飞碟外壳存在一定重量，离子发生器数量减至16个，其中，飞碟竖直方向需要两个，水平方向均匀分布数量应少于14个，为保证各个方向均可调节，水平方向离子发生器至少为2对。

随着技术的发展，离子发生器的质量不断减轻，可以逐步提高飞机飞行速度并减小飞机尺寸。

如图5所示，本发明中所述的各单元之间、各模块之间的数据交互方式可以是无线通信方式、有线通信方式中的任意一种或两种方式的结合。所述的无线通信方式可以是红外线通信、蓝牙通信、wifi通信、3/4g网络、zigbee通信、gsm、cdma中的任意一种或任意多种。

如图6所示，一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟的飞行方法，该方法包括以下步骤：

(1)用户通过地面的控制单元中的路径规划模块生成规划好的路径，并将该路径作为飞行任务指令发送到分析单元；

(2)分析单元处理任务指令后发送到执行单元，通过执行单元控制各个离子发生器电极的通断电，以及通电线圈的电流大小和通断，使飞碟按照任务指令飞行；

(3)分析单元通过数据采集模块实时采集飞碟飞行状态信息，并将信息传输回到地面的控制单元中，判断飞碟是否偏离了规划的路径，若偏离了规划的路径，则重新发送飞行任务指令到分析单元。所述的任务指令是指飞碟在指定时间内按照控制单元规划的路径到达指定地点，可以通过手机或笔记本电脑等控制单元进行编程。

实施例1：

下面以飞碟深夜送货或外卖为例具体说明一种基于电磁场提供动力的无旋翼飞碟。该飞碟可保证深夜送货不会扰民，且在城市中障碍物较多的情况下安全完成货物配送。

具体过程如下：

步骤1：首先客户通过手机平台下单，将并所需货物信息及送货地址发送至后台，后台完成配货，并在控制单元中输入送货地址信息。

步骤2：控制单元通过手机或笔记本电脑等控制单元进行编程，发出飞行任务指令，任务指令包括送货地址及到达时间；

步骤3：将此任务指令程序通过无线通信传输技术发送至飞碟机载的分析单元，分析单元处理任务指令后发送到执行单元，通过执行单元控制各个离子发生器电极的通断电，以及通电线圈的电流大小和通断，使飞碟按照任务指令飞行。

所述的发送任务指令步骤如下：

(1)控制单元通过无线输出模块，可选择wifi、蓝牙、zigbee等无线通信设备中的任意一种或任意多种，将数据发送给飞碟分析单元。

(2)飞碟分析单元将数据发送至飞碟机载中央处理器。

(3)飞碟机载中央处理器对任务数据进行处理后，通过有线或无线通信传输方式将指令传送至飞碟执行单元。

步骤4：执行单元改变飞碟飞行状态，执行飞行任务；

飞碟改变飞行状态步骤如下：

(1)改变飞碟升力模块离子发生器电机所通电压的大小，控制飞碟竖直方向带电粒子数量及运动速度，改变通电线圈电流变化，飞碟飞行升力模块可生成旋转离子流，飞碟上方气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力产生升力，通过控制带电粒子的运动进而控制飞碟竖直方向运动速度。

(2)改变水平面动力模块离子发生器电机所通电压的大小以及各电极通断，离子高速运动处气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力为飞碟提供在水平方向的动力。控制飞碟水平面各方向带电粒子数量及运动速度，进而控制飞碟水平面方向运动速度，同时可在飞碟无需旋转时平衡旋转离子流产生的反作用力。

步骤5：分析单元通过所述的数据采集模块实时采集飞碟当前飞行状态信息，并将信息传输回到地面的控制单元中；

步骤6：控制单元对分析单元传输回来的数据进行分析处理，通过判断模块判断当前飞碟是否按照任务指定飞行；

判断过程具体步骤如下：

(1)若所述的判断模块判断飞碟按照路径规划模块规划的路径运动，则当前飞碟实时正确完成飞行任务，无需进行操作。

(2)若所述的判断模块判断飞碟偏离路径规划模块规划的路径运动，则重新发送飞行任务指令到分析单元。

步骤7：飞碟到达目的地，向控制单元传送已到达的信息，控制单元通过后台提醒客户取货，取货完成后，飞碟返程，回到出发点。

实施例2：

农作物幼苗出土后,经常有缺苗断垄现象时,用移苗或补种的方法把苗补全的过程称为补苗，但是使用传统无人机进行补苗若无人机飞行较低时可能会损坏其他作物，以及无人机桨叶，若无人机飞行过高则种子无法精准放入指定位置，本发明中的无人机可飞行较低准确播种，并不会伤害其他幼苗。

具体步骤如下：

步骤1，首先通过航拍无人机航拍到的图片确定所需补苗位置。

步骤2，控制单元通过手机或笔记本电脑等控制单元进行编程，发出飞行任务指令，飞行任务指令包括所有补苗位置；

步骤3，将此任务指令程序通过无线通信传输技术发送至飞碟机载的分析单元，分析单元处理任务指令后发送到执行单元，通过执行单元控制各个离子发生器电极的通断电，以及通电线圈的电流大小和通断，使飞碟按照任务指令飞行。

所述的发送任务指令步骤如下：

(1)控制单元通过无线输出模块，可选择wifi、蓝牙、zigbee等无线通信设备中的任意一种或任意多种，将数据发送给飞碟分析单元。

(2)飞碟分析单元将数据发送至飞碟机载中央处理器。

(3)飞碟机载中央处理器对任务数据进行处理后，通过有线或无线通信传输方式将指令传送至飞碟执行单元。

步骤4：执行单元改变飞碟飞行状态，执行飞行任务；

飞碟改变飞行状态步骤如下：

(1)改变飞碟升力模块离子发生器电机所通电压的大小，控制飞碟竖直方向带电粒子数量及运动速度，改变通电线圈电流变化，飞碟飞行升力模块可生成旋转离子流，飞碟上方气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力产生升力。通过控制带电粒子运动进而控制飞碟竖直方向运动速度。

(2)通过改变水平面动力模块离子发生器电机所通电压的大小以及各电极通断，离子高速运动处气压较低，出现负压区甚至真空，空气由正常气压区向负压区或真空区运动，反作用力为飞碟提供在水平方向的动力。控制飞碟水平面各方向带电粒子数量及运动速度，进而控制飞碟水平面方向运动速度，同时可在飞碟无需旋转时平衡旋转离子流产生的反作用力。

步骤5：分析单元通过所述的数据采集模块实时采集飞碟飞行状态信息，并将信息传输回到地面的控制单元中；

步骤6；控制单元对分析单元传输回来的数据进行分析处理，通过判断模块判断当前飞碟是否按照任务指定飞行；

判断过程具体步骤如下：

(1)若所述的判断模块判断飞碟按照路径规划模块规划的路径运动，则当前飞碟实时正确完成飞行任务，无需进行操作。

(2)若所述的判断模块判断飞碟偏离路径规划模块规划的路径运动，则重新发送飞行任务指令到分析单元。

步骤7：飞碟依次完成补苗后，回到出发点。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。