一种多自由度节能无人机发射系统的制作方法

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种多自由度节能无人机发射系统。

背景技术：

无人机，顾名思义是无人驾驶的飞机。生活所说的无人机一般指民用无人机。无人机应用于在航拍、应急物资运输、森林火灾扑灭等作业过程中，无人机通常因为森林植被、河流湖泊阻挡等多方面因素的限制无法直接从目标位置附近直接起飞，需从另一地点起飞。然而，从起飞位置到目标位置可能需跨越山川河流，在此过程中产生的能量消耗，直接缩短了后续作业的时间。

近年来，国际上比较常见的无人机发射方式有火箭助推、液压弹射、蒸汽弹射、电磁弹射等。火箭助推方式主要以光、声、热等形式向外界散发大量能量，能够使无人机在短时间内迅速加速飞行，但消耗大量燃料，效率低下，存在较大的安全隐患。液压弹射方式具有隐蔽性好、经济性好、适应性好等优点，可安装于载车上，便于机动作战和运输转移，但设备体积和重量庞大，且油性液压造成的泄漏还容易着火，维护繁杂危险。蒸汽弹射可以在瞬间爆发巨大推力，但设备体积也十分庞大，管路复杂，维护复杂；工作时需消耗大量蒸汽，连续弹射会因为蒸汽压力过低而无法继续工作，能量使用效率低；弹射力量调节范围小，推力无法精准控制。相比较而言，电磁弹射具有体积小、重量轻等优点，可通过改变输出电流来调节弹射能量的大小，从而满足不同质量的无人机的起飞要求,但能量使用效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高效的多自由度节能无人机发射系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：包括无人机、发射装置和地面站，

步骤一，在空域申请批准后，地面站根据目的地和起飞位置对无人机进行航线规划和任务规划，发送指令给无人机的飞控系统；

步骤二，无人机通过发射装置获得较大初始动能后起飞，按照预设航线在空中飞行，无人机的固定机翼与飞行方向保持水平，以最小空气阻力高速前行，无人机的旋翼在与飞行方向垂直的平面内转动，产生的拉力辅助牵引飞机向前飞行；

步骤三，在到达指定位置后，无人机的飞控系统按照预设好的程序，启动减速装置，无人机的固定机翼转过一定角度，与飞行方向垂直，增大空气阻力，无人机的旋翼在水平方向转动，提供升力；

步骤四，无人机减速至目的地后，无人机的旋翼保持水平方向内的转动，使无人机能在空中悬停，任务载荷开始工作；

步骤五，任务载荷完成任务后，无人机依靠剩余能量返航，

所述的发射装置包括发射座、发射轨道、水平调向机构、高度调节机构及电机动力机构，所述的发射座滑移于发射轨道并用于放置无人机的脚架，所述的发射轨道一端作为放置无人机的起始端，另一端作为无人机离开发射轨道的发射端，所述的水平调向机构调节发射端相对起始端的周向位置，所述的高度调节机构调节发射端与起始端的高度差，所述的电机动力机构驱动发射座沿发射轨道移动形成供无人机离开发射轨道的动能。

通过采用上述技术方案，无人机在飞行的初始即可获得较大的动能，依赖该动能使无人机克服一些较为耗能的飞行动作，例如爬坡、穿过大气流等，所节省的能量能够有效延长作业时长或飞行距离，为了进一步优化节能效果，一方面，保证初始动能足够满足无人机飞行过程所需的初速度的前提下，选择体积小、能耗低的电机作为驱动源，相较其他能源，具有体积小、能耗低等优点，另一方面，发射装置具有调节发射高度及发射朝向的功能，可预先通过地面站结合风力、地形等实际情况，计算获得较优的节能路线，准确调节至该发射姿势后进行发射。

本发明进一步设置为：所述的电机动力机构包括动力轨道、动力电机及动力齿条，所述的动力轨道与发射轨道平行设置，所述的动力齿条沿动力轨道滑移，所述的动力电机固定于动力轨道侧面并驱动设置有与动力齿条啮合传动的动力齿轮，所述的动力齿条与发射座之间设置有构成两者同步移动的传动臂。

通过采用上述技术方案，由动力电机驱动动力齿轮旋转，从而带动与其啮合传动的动力齿条移动，动力齿条移动的同时驱动与其同步移动的发射座移动，从而使放置于发射座的无人机获得初始动能，上述结构给予无人机短时间内能够稳定输出的足够动能。

本发明进一步设置为：所述的发射装置还包括底盘，所述的动力轨道位于发射轨道下方并设置有与发射轨道固定配合的连杆，所述的动力轨道与发射轨道的起始端对应的端部与底盘呈铰接配合，所述的动力轨道底部沿长度方向设置有配合轨道，所述的高度调节机构包括调高轨道、调高滑座、调高齿条及调高电机，所述的调高轨道位于动力轨道下方并水平固定于底盘，所述的调高齿条平行设置于调高轨道侧面并固定于底盘，所述的调高滑座滑移于调高轨道，所述的调高滑座顶部铰接设置有沿配合轨道滑移的配合块，所述的调高电机安装于调高滑座并驱动设置有与调高齿条啮合传动的调高齿轮。

通过采用上述技术方案，由调高电机驱动调高齿轮旋转，从而带动调高滑座沿调高轨道移动，移动过程中将改变动力轨道与调高轨道之间所形成的夹角大小，从而使发射端抬高或降低，从而实现快速调节发射高度的功能。

本发明进一步设置为：所述的水平调向机构包括转动基座、调向轴及调向电机，所述的转动基座位于底盘下方并与底盘转动配合，所述的调向轴沿竖向固定于底盘下方并与起始端位置相对应，所述的调向轴设置有同步转动的从动齿轮，所述的调向电机固定于转动基座并驱动设置有与从动齿轮啮合传动的驱动齿轮。

通过采用上述技术方案，调向电机驱动齿轮旋转，从而带动调向轴旋转，进而带动底盘转动实现发射端快速调节朝向的功能。

本发明进一步设置为：所述的转动基座设置有位于底盘下方并与底盘转动配合的安装环，所述的底盘与安装环对应设置有环状配合部分，所述的安装环与环状配合部分之间沿周向设置有构成两者转动配合的滚柱，所述的安装环位于滚柱周向内侧设置有内限位壁，所述的环状配合部分位于滚柱周向外侧设置有外限位壁，所述的环状配合部分、外限位壁、安装环及内限位壁构成与滚柱形状相适配的滚动腔。

通过采用上述技术方案，由滚柱提高转动基座与底盘之间的转动顺畅性，而环状配合部分、外限位壁、安装环及内限位壁所构成的滚动腔则进一步保证两者的转动稳定性。

本发明进一步设置为：所述的发射装置还包括分别位于发射轨道两端及动力轨道两端的缓冲机构，所述的缓冲机构包括缓冲块、缓冲板及缓冲弹簧，所述的缓冲板固定于发射轨道或动力轨道的端部并将起始端封闭，所述的缓冲块滑移于发射轨道，所述的缓冲弹簧压缩于缓冲块与缓冲板之间。

通过采用上述技术方案，无人机起飞后，齿条和滑块不随无人机飞出，同时设计缓冲结构减小对整个发射装置的冲击，延长发射装置的使用寿命，回位时同样具有减震、缓冲效果。

本发明进一步设置为：所述的发射座设置有放置架，所述的放置架包括位于无人机脚架的横杆上方的上限位板、位于无人机脚架的横杆下方的下限位板及连接上限位板和下限位板的后挡板，所述的下限位板的宽度与无人机脚架的侧板间距相适配。

通过采用上述技术方案，上述结构的放置架能够将脚架进行横向及竖向的限位，并通过后方的挡板推动无人机前进，从而实现与电机动力机构的驱动配合。

本发明进一步设置为：所述的无人机设置有gps导航系统，所述的gps导航系统在整个飞行过程中向无人机提供位置、速度和飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行，并让地面站获得无人机整个飞行过程中的位置、速度等信息和目的地实时图像。

通过采用上述技术方案，配合gps导航系统，使无人机的路线能够获得精准规划。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的原理框图；

图2为本发明具体实施方式的原理示意图；

图3为本发明具体实施方式的立体图；

图4为图3中a的放大图；

图5为本发明具体实施方式中转动基座与底盘的剖视图；

图6为本发明具体实施方式中发射轨道及动力轨道的立体图；

图7为图6中b的放大图；

图8为本发明具体实施方式中动力轨道与发射座的立体图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1—图8所示，本发明公开了一种多自由度节能无人机发射系统，包括无人机a、发射装置b和地面站c，

步骤一，在空域申请批准后，地面站c根据目的地和起飞位置对无人机a进行航线规划和任务规划，发送指令给无人机a的飞控系统；

步骤二，无人机a通过发射装置b获得较大初始动能后起飞，按照预设航线在空中飞行，无人机a的固定机翼与飞行方向保持水平，以最小空气阻力高速前行，无人机a的旋翼在与飞行方向垂直的平面内转动，产生的拉力辅助牵引飞机向前飞行；

步骤三，在到达指定位置后，无人机a的飞控系统按照预设好的程序，启动减速装置，无人机a的固定机翼转过一定角度，与飞行方向垂直，增大空气阻力，无人机a的旋翼在水平方向转动，提供升力；

步骤四，无人机a减速至目的地后，无人机a的旋翼保持水平方向内的转动，使无人机a能在空中悬停，任务载荷开始工作，如云台相机拍摄，应急物资运输，高空喊话等；

步骤五，任务载荷完成任务后，无人机a依靠剩余能量返航，

发射装置b包括发射座1、发射轨道2、水平调向机构3、高度调节机构4及电机动力机构5，发射座1滑移于发射轨道2并用于放置无人机a的脚架，发射轨道2一端作为放置无人机a的起始端21，另一端作为无人机a离开发射轨道2的发射端22，水平调向机构3调节发射端22相对起始端21的周向位置，高度调节机构4调节发射端22与起始端21的高度差，电机动力机构5驱动发射座1沿发射轨道2移动，无人机a在飞行的初始即可获得较大的动能，依赖该动能使无人机a克服一些较为耗能的飞行动作，例如爬坡、穿过大气流等，所节省的能量能够有效延长作业时长或飞行距离，为了进一步优化节能效果，一方面，保证初始动能足够满足无人机飞行过程所需的初速度的前提下，选择体积小、能耗低的电机作为驱动源，相较其他能源，具有体积小、能耗低等优点，另一方面，发射装置b具有调节发射高度及发射朝向的功能，可预先通过地面站c结合风力、地形等实际情况，计算获得较优的节能路线，准确调节至该发射姿势后进行发射，如图2所示，依靠发射装置，无人机具有三个自由度，包括沿导轨方向的平移（s），在yoz竖直平面内绕x轴的转动（α）以及在xoy平面内绕z轴的转动（β）。

电机动力机构5包括动力轨道51、动力电机52及动力齿条53，动力轨道51与发射轨道2平行设置，动力齿条53沿动力轨道51滑移，动力电机52固定于动力轨道51侧面并驱动设置有与动力齿条53啮合传动的动力齿轮521，动力齿条53与发射座1之间设置有构成两者同步移动的传动臂531，由动力电机52驱动动力齿轮521旋转，从而带动与其啮合传动的动力齿条53移动，动力齿条53移动的同时驱动与其同步移动的发射座1移动，从而使放置于发射座1的无人机a获得初始动能，上述结构给予无人机a短时间内能够稳定输出的足够动能。

发射装置b还包括底盘31，动力轨道51位于发射轨道2下方并设置有与发射轨道2固定配合的连杆511，动力轨道51与发射轨道2的起始端21对应的端部与底盘31呈铰接配合，动力轨道51底部沿长度方向设置有配合轨道，高度调节机构4包括调高轨道41、调高滑座42、调高齿条43及调高电机44，调高轨道41位于动力轨道51下方并水平固定于底盘31，调高齿条43平行设置于调高轨道41侧面并固定于底盘31，调高滑座42滑移于调高轨道41，调高滑座42顶部铰接设置有沿配合轨道滑移的配合块421，配合轨道为设置于动力轨道51底部与配合块421滑移配合的滑槽，未在附图中表示，调高电机44安装于调高滑座42并驱动设置有与调高齿条43啮合传动的调高齿轮441，由调高电机44驱动调高齿轮441旋转，从而带动调高滑座42沿调高轨道41移动，移动过程中改变动力轨道与调高轨道之间所形成的夹角大小，从而使发射端22抬高或降低，从而实现快速调节发射高度的功能。

水平调向机构3包括转动基座34、调向轴32及调向电机33，转动基座34位于底盘31下方并与底盘31转动配合，调向轴32沿竖向固定于底盘31下方并与起始端21位置相对应，调向轴32设置有同步转动的从动齿轮321，调向电机33固定于转动基座34并驱动设置有与从动齿轮321啮合传动的驱动齿轮331，调向电机33驱动齿轮331旋转，从而带动调向轴32旋转，进而带动底盘31转动实现发射端22快速调节朝向的功能。

转动基座34设置有位于底盘下方并与底盘31转动配合的安装环341，底盘31与安装环341对应设置有环状配合部分311，安装环341与环状配合部分311之间沿周向设置有构成两者转动配合的滚柱342，安装环341位于滚柱342周向内侧设置有内限位壁343，环状配合部分311位于滚柱342周向外侧设置有外限位壁312，环状配合部分311、外限位壁312、安装环341及内限位壁343构成与滚柱342形状相适配的滚动腔344，由滚柱342提高转动基座34与底盘31之间的转动顺畅性，而环状配合部分311、外限位壁312、安装环341及内限位壁343所构成的滚动腔344则进一步保证两者的转动稳定性。

发射装置b还包括分别位于发射轨道2两端及动力轨道51两端的缓冲机构6，缓冲机构6包括缓冲块61、缓冲板62及缓冲弹簧63，缓冲板62固定于发射轨道2或动力轨道51的端部并将起始端21封闭，缓冲块61滑移于发射轨道2，缓冲弹簧63压缩于缓冲块61与缓冲板62之间，无人机a起飞后，齿条和滑块不随无人机a飞出，同时设计缓冲结构减小对整个发射装置b的冲击，延长发射装置b的使用寿命，回位时同样具有减震、缓冲效果。

发射座1设置有放置架11，放置架11包括位于无人机脚架的横杆上方的上限位板111、位于无人机脚架的横杆下方的下限位板112及连接上限位板111和下限位板112的后挡板113，下限位板112的宽度与无人机脚架的侧板间距相适配，上述结构的放置架11能够将脚架进行横向及竖向的限位，并通过后方的挡板推动无人机a前进，从而实现与电机动力机构5的驱动配合。

无人机a设置有gps导航系统，gps导航系统在整个飞行过程中向无人机a提供位置、速度和飞行姿态，引导无人机a按照指定航线飞行，并让地面站c获得无人机a整个飞行过程中的位置、速度等信息和目的地实时图像，配合gps导航系统，使无人机a的路线能够获得精准规划。