一种车载有缆旋翼飞行器系统的制作方法

本发明涉及无人机总体设计领域，具体涉及一种车载有缆旋翼飞行器系统。

背景技术：

随着集成电路以及微型、低廉、可靠的传感器的出现，微小型多旋翼无人飞行器得到了快速发展，多旋翼无人飞行器可以垂直起降并可实现定点悬停，机动性好且操纵简便，多旋翼无人飞行器以上述特点得到了大众的青睐，当前多旋翼无人飞行器航时短的问题已影响其使用；高功率密度电池的发展虽提高了多旋翼无人飞行器航时，但仍不能满足用户对其越来越高的使用要求。

现有延长使用时间的方法为携带备用电池替换或者使用燃料电池；使用备用电池的方法快捷、方便，不会改变飞行器状态；使用燃料电池是近年来比较热门的话题，燃料电池可有效提高飞行器航时，但将增加系统的复杂性和重量，除重量较重以外，维护保养不方便。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种车载有缆旋翼飞行器系统，采用有缆供电方式解决现有无人机供电方式存在的航时短的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种车载有缆旋翼飞行器系统，包括飞行器平台、起降及存储装置、电缆收放装置、载车平台以及便携控制站，其中：

飞行器平台包括机身、旋翼、无刷电动机、电调、机载电源模块、飞控计算机、惯性导航传感器、机载数传电台、机载图传电台以及任务设备；

起降及存储装置包括起降平台、升降机构、固定装置，升降机构上部安装所述起降平台，固定装置安装在所述起降平台上，用于对飞行器平台进行固定；

电缆收放装置包括收放线机、高压供电电缆、卷线盘机构、电源变换装置、收放线控制器、收线限位器和排线装置；

载车平台包括汽车和位于车顶的收纳箱，起降平台、升降机构、飞行器固定装置以及电缆收放装置均设置在收纳箱中；

便携控制站是全系统的控制终端，控制系统中设备的通电及断电、收纳箱的打开与关闭、起降平台的升起和落下、飞行器平台的起飞/降落以及任务设备的工作状态。

进一步地，所述机身由可收放起落架、及设备板和支臂组成，是全机的安装平台，设备板用于安装任务设备，起落架用于支撑机身，支臂用于安装旋翼；旋翼为碳纤维材质，是全机升力系统；无刷电动机和电调是动力系统，用于驱动旋翼旋转；机载电源模块用于将高压直流电变换为机载设备可使用的低压电；飞控计算机用于控制飞行器平台飞行，惯性导航传感器为飞控计算机提供姿态数据；机载数传电台和机载图传电台实现地面和机载设备间数据传输以及机载任务设备的数据回传。

进一步地，所述电缆收放装置用于进行高压供电电缆的放出和回收；其中高压供电电缆与飞行器平台连接，电源变换装置用于将汽车发电机提供的电压进行升压，升压后通过高压供电电缆输送给飞行器平台；收放线控制器用于控制所述卷线盘机构，使卷线盘机构根据飞行器平台的飞行高度适应性地进行收放线，以调整放出或回收的高压供电电缆的长度；排线装置将高压供电电缆整齐排布在卷线盘机构上；收线限位器用于控制收线保留预设自由长度以防止飞行器落地后过度收线。

进一步地，汽车发电机将发出的12v直流电分为两路，其中一路送至电缆收放装置中的电源变换装置，电源变换装置将12v直流电变换为400v直流电并通过高压供电电缆输送至飞行器平台上，飞行器平台上的机载电源模块将400v直流电变换为24v直流电供机载设备使用；另外一路输送至便携式控制站及起降及存储装置中的升降机构和固定装置，用于驱动升降机构调节起降平台的高低位置，从而便于收放飞行器平台；同时给固定装置的作动器供电，使固定装置解除所飞行器平台的固定，或对其进行固定。

进一步地，所述飞行器平台起飞流程为：

车内操作人员开启便携控制站，通过便携控制站发出收纳箱打开的指令，收纳箱自动打开，发出起降平台的控制指令，起降平台在升降机构的作用下升起，随后固定装置打开，使飞行器平台的起落架处于自由状态；通过便携控制站控制给飞行器平台通电，飞行器平台通电后进行设备上电初始化，起飞准备工作完毕后向便携控制站反馈状态信息“允许起飞”，此时操作人员通过便携控制站触屏发出“起飞”的指令至飞行器平台和电缆收放装置的收放线控制器，飞行器平台起飞的同时电缆收放装置自动往外放线。

进一步地，所述飞行器平台起飞的同时，飞控计算机实时将飞行器平台高度和垂向速度数据发送至电缆收放装置的收放线控制器，收放线控制器根据高度和垂向速度数据自行调节放线速度以保证线缆处于松弛状态，避免对飞行器平台造成拖拽。

进一步地，所述飞行器平台工作流程为：

飞行器平台起飞后以预设爬升速度垂直爬升至预设高度并保持悬停状态，随后操作人员通过便携控制站触屏调节飞行器高度和爬升速度，控制飞行器平台保持悬停状态或跟随地面汽车飞行，通过便携控制站触屏控制任务设备的工作模式和工作状态；飞行器平台进行高度调整或遇大风时电缆收放装置均实时适当收线或者放线以适应当前飞行高度。

进一步地，所述飞行器平台降落流程为：

操作人员通过便携控制站向飞控计算机发出“降落”的指令，飞行器平台开始降落的同时收放线控制器控制电缆收放装置开始收线，飞行器平台降落至离起降平台上方1m处时电缆收放装置停止收线；飞行器平台降落至起降平台上之后停机；此时控制飞行器平台断电，并控制固定装置工作，固定装置将起落架夹紧固定在起降平台上；然后控制起降平台降落复位后，控制收纳箱关闭，至此整个飞行流程结束。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.本发明将车辆平台、供电装置、飞行器平台结合为一套使用的车载有缆旋翼飞行器系统，即可实现多旋翼飞行器在汽车车顶起降，由汽车发电机发电持续供给飞行器使用，通过便携式地面控制站触屏控制可实现电缆的收放速度与飞行器高度自动协调一致，实现了足不出车即可控制多旋翼起降及电缆收放控制。

2.本发明使用直流电作为动力电，由载车提供动力电可以取消机载电池降低基本空机重量，载车可源源不断给飞行器供电，大大提高航时，解决了多旋翼飞行器航时短的问题。全系统操作简单，仅需使用便携式测控站触屏操作即可实现飞行器的自动起飞、跟随飞行、降落、运输以及电缆收放装置的收线/放线等功能，系统结构简单、维护使用方便，可靠性较高。

附图说明

图1为本发明的车载有缆旋翼飞行器系统的系统设计示意图；

图2为本发明系统在应用状态下的示意图；

图3为飞行器平台组成结构示意图；

图4为起降平台组成结构示意图；

图5的(a)和(b)为电缆收放装置的结构示意图；

图6为便携式测控站的结构示意图；

图7为本发明系统的工作流程示意图。

具体实施方式

本发明在于研制一款具有长航时能力的飞行器系统，该系统采用有缆供电形式，由汽车提供飞行器所需要的电能，具有长航时、控制精度高、自动化程度高、使用维护方便、便于运输携带等特点。车载有缆旋翼飞行器系统使用高压直流供电方式，既可以有效提高飞行器航时，又可以将重量占比较大的锂电池取消，可以有效降低全机起飞重量。系统设计具有狭小平台自动起降功能，可实现一键起飞/一键降落/跟随飞行以及电缆自动收放等功能，有效简化了操作复杂度，操作人员无需专门培训即可熟练操作使用该系统。

本发明提供的一种车载有缆旋翼飞行器系统，如图1所示，包括飞行器平台、起降及存储装置、电缆收放装置、载车平台以及便携控制站，其中：

飞行器平台包括机身1-4、旋翼1-5-1、外转子直流无刷电动机1-5-2、电调1-5-3、机载电源模块1-1、飞控计算机1-2、惯性导航传感器1-3、导航天线、机载数传电台、机载图传电台以及任务设备1-5；其中，机身1-4由可收放起落架1-4-2、及设备板1-4-3和支臂1-4-1组成，是全机的安装平台，设备板1-4-1用于安装任务设备1-5，起落架1-4-2用于支撑机身1-4，支臂1-4-1用于安装旋翼1-5-1；旋翼1-5-1为碳纤维材质，是全机升力系统；无刷电动机1-5-2和电调1-5-3是动力系统，用于驱动旋翼旋转；机载电源模块1-1用于将高压直流电变换为机载设备可使用的低压电；飞控计算机1-2用于控制飞行器平台飞行，惯性导航传感器1-3为飞控计算机提供姿态数据；机载数传电台和机载图传电台可实现地面和机载设备间数据传输以及机载任务设备1-5的数据回传；任务设备1-5可根据实际需要设置，例如为传感器、电子设备等。

起降及存储装置包括起降平台、升降机构2-1、固定装置2-2，升降机构2-1上部安装所述起降平台，固定装置2-2安装在所述起降平台上，用于对飞行器平台的可收放起落架1-4-2进行固定，从而达到固定飞行器平台的目的。起降及存储装置的主要功能是作为车载有缆旋翼飞行器的存储、运输及起飞/降落平台。可在飞行器平台降落之后通过固定装置2-2将其锁定在起降平台上，道路颠簸和急刹车时飞行器不会撞击在收纳箱上。收纳箱可通过车载便携式测控站控制开闭。

电缆收放装置3包括收放线机3-1、高压供电电缆3-2、卷线盘机构3-3、电源变换装置3-4、收放线控制器、收线限位器和排线装置，用于进行高压供电电缆3-2的放出和回收；其中高压供电电缆3-2与飞行器平台连接，电源变换装置3-4用于将汽车发电机提供的电压进行升压，升压后通过高压供电电缆3-2输送给飞行器平台，飞行器平台上的机载电源模块1-1将高压电转换为直流电供机载设备使用；收放线控制器用于控制所述卷线盘机构3-3，使卷线盘机构3-3根据飞行器平台的飞行高度适应性地进行收放线，以调整放出或回收的高压供电电缆3-2的长度；放线时收放线机向外出线，卷线盘机构3-3同向放线；收线时卷线盘机构3-3反向旋转，收放线机向内收线；排线装置3-7将高压供电电缆3-2整齐排布在卷线盘机构3-3上。收线限位器3-6用于控制收线保留预设自由长度以防止飞行器落地后过度收线。

载车平台包括汽车4和位于车顶的收纳箱2，起降平台、升降机构2-1、飞行器固定装置以及电缆收放装置3均设置在收纳箱2中，收纳箱上设置有电控式箱盖，打开箱盖可以放出飞行器平台。载车平台集存放、运输、供电及便携控制于一体。汽车搭载收纳箱2用于运输和存放飞行器，汽车发电机改造后作为电源使用，由汽车发动机拖动发电机发出足量的电能经过电缆收放装置电源变换模块变电后通过供电电缆传输至飞行器平台上，载车平台上设置一个ups电源用于在发电机出现故障时给飞行器应急供电，可保证飞行器安全降落至车顶收纳舱中。

汽车发电机将发出的12v直流电分为两路，其中一路送至电缆收放装置中的电源变换装置3-4，电源变换装置3-4将12v直流电变换为400v直流电并通过高压供电电缆3-2输送至飞行器平台上，飞行器平台上的机载电源模块1-1将400v直流电变换为24v直流电供机载设备使用；另外一路输送至便携式控制站及起降及存储装置中的升降机构2-1和固定装置2-2，用于驱动升降机构2-1调节起降平台的高低位置，从而便于收放飞行器平台；同时给固定装置2-2的作动器供电，使固定装置2-2解除所飞行器平台的固定，或对其进行固定。

便携控制站5是全系统的控制终端，通过触屏控制全系统设备通电及断电、收纳箱上箱盖的开闭、通过升降机构2-1控制起降平台的升起和落下、控制飞行器平台的起飞/降落以及任务设备的工作状态。

本发明使用汽车发电机作为飞行器动力电源，车辆有燃油即可执行飞行任务，使用不再因航时受限；使用车载备份ups电源作为备份电源，提高了安全性，提升了有效载荷；以飞行器飞行高度和爬升速度为反馈的电缆收放装置速度控制策略，电缆收放装置收线/放线与飞行器高度变化自动协调，使用便携控制站控制飞行器高度时自动协调控制电缆收放装置，不对其进行专门控制。

车载有缆旋翼飞行器系统具体工作流程如图7所示：

飞行器平台起飞流程：

汽车4停稳后，车内操作人员开启便携控制站5，通过便携控制站触屏发出收纳箱2打开的指令，收纳箱2自动打开；通过便携控制站5发出起降平台的控制指令，起降平台在升降机构2-1的作用下升起，随后固定装置2-2打开，使飞行器平台的起落架处于自由状态；通过便携控制站5控制给飞行器平台通电，飞行器平台通电后进行设备上电初始化，起飞准备工作完毕后向便携控制站5反馈状态信息“允许起飞”，此时操作人员通过便携控制站5触屏发出“起飞”的指令至飞行器平台1和电缆收放装置3的收放线控制器，飞行器平台起飞的同时电缆收放装置3自动往外放线，飞控计算机1-2实时将飞行器平台高度和垂向速度数据发送至电缆收放装置3的收放线控制器，收放线控制器根据高度和垂向速度数据自行调节放线速度以保证线缆处于松弛状态，避免对飞行器平台1造成拖拽。

飞行器平台工作流程：

飞行器平台1起飞后以预设爬升速度垂直爬升至预设高度并保持悬停状态，随后操作人员通过便携控制站5触屏调节飞行器高度和爬升速度；操作人员通过便携控制站5触屏控制飞行器平台1保持悬停状态或跟随地面汽车飞行，操作人员可以通过便携控制站5触屏控制任务设备1-5的工作模式和工作状态；飞行器平台1高度调整或遇大风时电缆收放装置均实时适当收线或者放线以适应当前飞行高度。

飞行器平台降落流程：

操作人员通过便携控制站5触屏向飞控计算机1-2发出“降落”的指令，飞行器平台1开始降落的同时电缆收放装置3开始收线，飞行器平台1降落至离起降平台上方1m处时电缆收放装置3停止收线，飞行器平台1自动降落至起降平台上之后，无刷电动机1-5-2停止转动并锁定；操作人员通过便携控制站5触屏控制飞行器平台1断电，并控制固定装置工作，固定装置将起落架夹紧固定在起降平台上；操作人员通过便携控制站5触屏控制起降平台降落复位后，控制收纳箱2关闭，触屏控制车载设备断电，至此整个飞行流程结束。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。