[发明专利]一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器

说明书

本发明公开一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，包括浮空器与旋翼动力模块。旋翼动力模块中旋翼为由激光一次成型的8字型框架和柔性薄膜张成桨叶，周向等间距安装在浮空器最大直径圆面上，分为水平和垂直两种布局，可实现矢量推进的旋翼模块有规律编程输出动力，可完成飞行器各个方向的快速运动，包括爬升、下降、悬停、以及自旋等。浮空器的顶端设计有柔性薄膜太阳能电池模块，底端设计有充电及中央控制单元。本发明主要应用于临近空间、封闭室内空间及半封闭空间，既具有浮空器长续航时间、大升限、可稳定浮空及低飞行噪声等优势，又具有多旋翼无人机较高机动性、操控性能优异特点。

技术领域

本发明属于无人机技术、新能源技术以及物联网技术，具体涉及一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器。

背景技术

浮空器一般是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的飞行器。在电子和军事民用领域，一般不将热气球划在浮空器范围内。此外，空间飞艇不一定依靠浮力。除了军用外，大型民用浮空器还可以用于交通、运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等等。目前人们的研究主要集中于大型、高空浮空飞行器的研发和设计，对于近地空间使用浮空飞行器进行监测的应用较少。浮空器已经有近一个世纪的发展历史，衍生出诸多型号的大型浮空器，将浮空器从远地大气飞行的区域拉回近地使用，并且小型化，有潜在的应用价值，具有滞空时间长、对起降场地要求低等优点，但其飞行速度较慢，且机动性也较差。

而针对近地空间应用较多的主要为小型固定翼探测侦查无人机、多轴旋翼无人机及小型无人直升机等，同时应用最为广泛的安防系统主要为固定位置安装云台摄像头监测系统，这些系统都有一定的使用局限性，例如固定翼无人机由于飞行速度相对较快，对于飞行高度有一定的要求，需要的飞行空间较大、转弯半径较大；多轴旋翼无人机由于其结构自身的问题，有效负载能力有限、续航时间是一直为人们诟病；小型无人直升机，相较于前两者，其有效载荷较大、飞行速度较低、空间机动性优于固定翼无人机，同时市面上诸多油动、电动直升机续航时间大于多轴旋翼无人机，然而其结构较为复杂、研发成本较高，操作难度较大，对于操纵手的操作要求较高，且具有一定的危险性。

发明内容

本发明针对以上问题，结合旋翼无人机与浮空器的特点，设计一种具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，既具有浮空器长续航时间、大升限(可在临近空间飞行)、可稳定浮空及低飞行噪声(极安静)等优势，又具有多旋翼无人机较高机动性、操控简单、飞行性能优异特点。

本发明具有矢量推力的旋翼与充气气囊复合式浮空飞行器，由浮空体与旋翼动力模块构成。浮空体为一充气气囊，浮空体顶部设计有太阳能供电电源模块接口连接柔性太阳能电池模块，通过薄膜太阳能电池将太阳能转换为电能存储于太阳能供电电源内，由太阳能供电电源为浮空飞行器补充额外的能源。浮空体底部设计有充电及中央控制单元；其中，充电单元通过充电单元接口实现与地面充电设备间的电气和机械连接；中央控制单元用来接收控制指令控制所有旋翼动力模块有规律的动力输出，以及浮空飞行器与地面站间的数据传输和通信。中央控制单元内还集成有飞行器感知功能单元，用于测量飞行器姿态六自由度信息、图像采集以及信息传输等，可以实现对浮空飞行器的有效控制，并实现室内监控、室外长时间拍摄功能。

旋翼动力模块周向等角度间隔安装在浮空体水平最大半径圆周上；每个旋翼动力模块中均集成有转速反馈模块及红外测距模块。其中，相间隔的旋翼动力模块中旋翼转轴方向垂直设置，用来控制浮空飞行器的爬升、下降以及悬停；其余旋翼动力模块中旋翼转轴方向水平设置，用来组合控制浮空器的全方位移动以及自旋运动。

旋翼动力模块包括旋翼、桨叶与支架；旋翼由驱动电机带动旋转；通过支架安装于浮空体外壁上。且其中旋翼为由激光一次成型的8字型旋翼外框架结构，镂空处覆着有柔性薄膜，张成桨叶。

本发明中每个旋翼动力模块以及中央控制单元中还具有Zigbee无线通讯系统，用于多个浮空器之间的信息通讯，以及中央控制单元和旋翼模块的通讯控制链路。

本发明的优点在于：