本發(fā)明涉及航空技術，更具體地，涉及多旋翼飛行器。

背景技術：

浮空器曾經廣泛應用于空中運輸。浮空器是指利用輕于空氣的氣體來提供升力的航空器。依照工作原理，浮空器可分為飛艇、系留氣球和熱氣球。浮空器包括氣囊，用于容納比重小于空氣的氣體(例如熱空氣、氫氣或氦氣)，從而獲得升力。浮空器的結構簡單，成本低廉，在空中停留時間長。然而，浮空器的精確控制卻很困難。在垂直方向上，浮空器可以通過充放氣體控制上升或下降。然而，在水平方向，浮空器的移動依靠自然風或附加的動力裝置，不僅移動速度慢而且操作困難。

圖1a和1b分別示出根據(jù)現(xiàn)有技術的浮空器中的氣囊的俯視圖和截面圖。該氣囊包括充氣的囊體100。囊體100在充氣之后的形狀為圓柱狀，在圖1a的俯視圖中示出為圓形，在圖1b的截面圖中示出為矩形。

近年來，多旋翼飛行器越來越引起人們的關注?，F(xiàn)有的多旋翼飛行器系統(tǒng)主要由多個螺旋槳、馬達、電子調速器、主控板、機架、鋰電池等部件構成。采用單一的鋰電池供電體制，利用大倍率放電實現(xiàn)對多軸旋翼系統(tǒng)的驅動。通過控制各螺旋槳的轉速能夠實現(xiàn)各方向自由變軌和姿態(tài)調整。由于鋰電池的容量限制，多旋翼飛行器可實現(xiàn)的飛行時間僅在15-30分鐘左右，從而制約了其應用范圍。

因此，期望結合浮空器和多旋翼飛行器的優(yōu)點，開發(fā)出長時間滯空且操控容易的飛行器。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用多旋翼系統(tǒng)和氣囊作為雙升力源以延長滯空時間和提高操控性能的多旋翼飛行器。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種多旋翼飛行器，包括：氣囊，所述 氣囊包括囊體及其圍繞的內部空間，所述氣囊的外形為中間厚度大于周邊厚度的扁平碟狀，并且在氣囊的周邊區(qū)域包括貫穿氣囊的上下表面的多個涵道，所述涵道的側壁與囊體一起限定氣囊的內部空間；以及多旋翼系統(tǒng)，所述多旋翼系統(tǒng)包括位于氣囊內部空間的主控電路盒、位于所述多個涵道中的多個電機和多個螺旋槳、以及用于連接主控電路盒和所述多個電機的連接支架。

優(yōu)選地，所述氣囊的上下表面是平滑的曲面，并且上下表面平滑過渡。

優(yōu)選地，所述氣囊的外形為具有長軸和短軸的回轉體，并且以短軸作為回轉中心軸。

優(yōu)選地，所述氣囊的外形為以下曲線之一繞回轉中心軸形成的回轉體：橢圓形、拋物線弧、雙曲線弧、分段曲線。

優(yōu)選地，所述長軸與短軸之比為2:1～5:1。

優(yōu)選地，還包括位于所述囊體的底部的電池盒，其中容納可充電電池和直流電壓變換模塊。

優(yōu)選地，還包括位于所述囊體的頂部的光伏組件，所述光伏組件為柔性薄膜光伏組件。

優(yōu)選地，所述光伏組件與所述囊體的頂部共形。

優(yōu)選地，所述囊體由選自以下材料的一種形成：高強度加強纖維布、PVC膜、滌綸膜、聚脂纖維膜。

優(yōu)選地，所述多旋翼飛行器還包括：分別位于囊體的上下表面的中間部分的隆起的蓋；以及用于將蓋與主控電路盒剛性連接的連接桿，其中，所述蓋和所述連接桿一起限定氣囊的短軸。

優(yōu)選地，所述多旋翼飛行器還包括：用于將囊體的內表面與連接支架相連的多個拉帶，所述多個拉帶的長度按照氣囊的外形設置，從而在充氣狀態(tài)維持氣囊的外形。

優(yōu)選地，所述涵道具有用于氣體流入的上端口以及用于氣體流出的下端口，并且上端口和下端口相對于中間部分的面積增加，所述涵道的側壁是光滑的曲面。

優(yōu)選地，所述涵道的側壁與所述囊體整體形成，或者由獨立的管狀 部件限定貫穿通道且與囊體粘接在一起。

優(yōu)選地，所述連接支架為中空的管狀，并且采用導線從主控電路盒開始，穿過連接支架到達電機，用于為電機提供驅動電壓。

優(yōu)選地，所述多旋翼飛行器還包括：密封膠，用于填充所述連接支架的內部空間；以及法蘭盤結構，用于所述連接支架與所述囊體之間的連接，其中，所述密封膠和所述法蘭盤結構一起維持所述囊體的氣密性。

優(yōu)選地，述多個螺旋槳的數(shù)量為4個或更多個。

優(yōu)選地，所述主控電路盒和所述多個連接支架以所述囊體的中心軸形成軸對稱圖形，其中，所述多個連接支架等角度分布于垂直于中心軸的平面內。

優(yōu)選地，所述多個連接支架的長度相等，并且在端部分別安裝所述多個電機和所述多個螺旋槳，使得所述多個螺旋槳與所述囊體的中心軸的距離相等。

優(yōu)選地，所述多個電機和所述多個螺旋槳的中心軸分別與所述囊體的中心軸平行，從而在工作時產生豎直方向的氣流，形成升力。

根據(jù)本發(fā)明的上述實施例的多旋翼飛行器，利用多旋翼系統(tǒng)和氣囊作為雙升力源，以延長滯空時間和提高操控性能。在充氣狀態(tài)，氣囊的外形為扁平碟狀，有利于減小風阻和提高抗風能力。在水平方向移動時，該形狀還可以減少動力設備的能量損耗，以及改善操控性能。

在氣囊的周邊附近設置涵道，用于容納多旋翼系統(tǒng)的電機和螺旋槳。由于氣囊的邊緣厚度較小，涵道可以滿足多旋翼系統(tǒng)所需的氣體動力學要求，從而不需要特殊設計，即可減小涵道對螺旋槳氣流的阻力。

該多旋翼飛行器可以應用于多種需要長時間滯空和水平移動性的場合。例如，該多旋翼飛行器可以攜帶通信設備，用于搶險救災是通訊的中轉站，或者用于攜帶采集設備，用于氣候監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集，或者攜帶監(jiān)控設備，用于遠距離長時間監(jiān)控。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1a和1b分別示出根據(jù)本發(fā)明的對照例的浮空器中的氣囊的俯視圖和截面圖；

圖2a和2b分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多旋翼飛行器中的氣囊的俯視圖和截面圖；以及

圖3a和3b分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多旋翼飛行器的俯視圖和截面圖。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。為了簡明起見，可以在一幅圖中描述經過數(shù)個步驟后獲得的結構。

應當理解，在描述器件的結構時，當將一層、一個區(qū)域稱為位于另一層、另一個區(qū)域“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉，該一層、一個區(qū)域將位于另一層、另一個區(qū)域“下面”或“下方”。

如果為了描述直接位于另一層、另一個區(qū)域上面的情形，本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。在本申請中，“A直接位于B中”表示A位于B中，而非A位于B中形成的摻雜區(qū)中。

在本申請中，術語“中間結構”指在制造超材料復合結構的各個步驟中形成的整個結構的統(tǒng)稱，包括已經形成的所有層或區(qū)域。

在下文中描述了本發(fā)明的許多特定的細節(jié)，例如微結構、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本發(fā)明。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。

圖2a和2b分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多旋翼飛行器中的氣囊的俯視圖和截面圖，其中圖2b所示的截面圖沿著2a所示的俯視圖的中心線AA截取獲得。

該氣囊包括可以充氣的囊體200。在圖中示出了充氣狀態(tài)的囊體形狀。如圖所示，在充氣狀態(tài)囊體200的形狀為扁平的碟狀。該形狀有利于減小風阻和提高抗風能力。在水平方向移動時，該形狀還可以減少動力設備的能量損耗，以及改善操控性能。

氣囊的中間部分的厚度大于周邊部分的厚度，并且具有平滑的表面輪廓。優(yōu)選地，氣囊為回轉體，該回轉體具有位于水平面上的長軸以及位于垂直方向上的短軸，并且以短軸為回轉中心軸。長軸與短軸之比為2:1～5:1。

作為示例，囊體200在圖1a的俯視圖中示出為圓形，在圖1b的截面圖中示出為近似橢圓形。然而，囊體200的截面形狀不限于此，可以是選自橢圓形，或是由拋物線弧、雙曲線弧、分段曲線的至少一種組成的封閉形狀。

氣囊用于提供多旋翼飛行器滯空所需的至少一部分升力。氣囊包括囊體200及其圍繞的內部空間。囊體200容納比重小于空氣的氣體，例如氫氣或氦氣，以提供升力。因此，囊體200的材料應當具有氣密性。例如，囊體200由高強度加強纖維布制成。替代地，如果對囊體的機械強度要求不高，囊體200的材料還可以是PVC膜、滌綸膜、聚脂纖維膜。

氣囊采用扁平的碟狀囊體可以減小風阻和改善操控性能。為此，囊體可以采取保形措施以維持期望的外形。保形措施例如是多層拉帶拉接技術。在囊體200的內部空間，采用多層拉帶的形式，每層拉帶間隔25mm，拉帶的長度從囊體300的中間部分向周邊部分從大到小設置。多層拉帶可以保證囊體200的外形與設計一致。

用于形成碟狀囊體的工藝包括多個步驟。首先，根據(jù)碟狀囊體的設計外形，將碟狀囊體的表面分割成多個網(wǎng)格區(qū)。每個網(wǎng)格包括囊體的一個表面區(qū)。根據(jù)碟狀囊體的形狀和網(wǎng)格的部位，相鄰網(wǎng)格的表面區(qū)的形狀相同或不同。然后，按照網(wǎng)格的表面區(qū)形狀，裁剪高強度加強纖維布，以獲得與網(wǎng)格的表面區(qū)相對應的材料片。接著，將材料片按照表面區(qū)的位置拼接在一起并且進行壓合，以形成完整的囊體表面。在壓合時，壓合機溫度為120攝氏度，壓合速度為0.5米/分鐘，壓合時不得晃動物料，以免產生褶皺。

在圖1所示的本發(fā)明的對照例的浮空器中，氣囊的囊體100為圓柱狀。假設囊體100直徑為3m，高1m，則囊體100的體積為7.069m³，在5m/s時的風速下風阻為20N。在圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的實施例的多旋翼飛行器中，氣囊的囊體200為扁平碟狀。假設囊體200的形狀為理想的橢球形，長軸為3.45m，短軸為1.15m，則囊體200的體積為7.17m³，在5m/s的風速下風阻力5N。由此可見，根據(jù)本發(fā)明的實施人例的多旋翼飛行器可以顯著減小風阻，相應地提高抗風能力、減小能量損耗和改善水平方向移動的操控性能。

圖3a和3b分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多旋翼飛行器的俯視圖和截面圖，其中圖3b所示的截面圖沿著3a所示的俯視圖的中心線AA截取獲得。

該多旋翼飛行器包括扁平的碟狀囊體300。在該實施例中，囊體300是具有位于水平面內的長軸和垂直方向上的短軸的回轉體。囊體300在圖3a的俯視圖中示出為圓形，在圖3b的截面圖中示出為由雙曲線弧組成的大致封閉曲線。雙曲線弧的上部弧段對應于囊體300的上表面，下部弧段對應于囊體300的下表面。

如圖3b所示，在囊體300的周邊，雙曲線弧的上部弧段和下部弧段的連接段是平滑的曲線。也即，囊體300的上表面和下表面之間平滑過渡，而沒有產生尖銳的邊緣。囊體300的平滑邊緣有利于獲得流線型截面輪廓，從而減小多旋翼飛行器移動時的風阻。根據(jù)內部空間需求和空氣動力學需求，采用雙曲線弧截面，并且上部弧段的弦高可以大于、小于或等于下部弧段的弦高。

在囊體300的周邊附近，形成沿著周邊方向均勻分布的4個涵道340。涵道340從囊體300的上表面延伸至下表面，形成氣流的貫穿通道。在該實施例中，涵道340的側壁與囊體300整體形成。在替代的實施例中，涵道340分別由獨立的管狀部件限定貫穿通道，并且與囊體300粘接在一起，從而形成氣密密封。

涵道340的上端口和下端口相對于其中間部分的面積增加，并且涵道340的側壁是外凸的光滑曲面，使得涵道340的截面積從中間部分分別向其上端口和下端口逐漸擴大，從而減小氣流流入和流出的阻力。在 工作中，氣流從涵道340的上端口流入，從涵道340的下端口流出。

在囊體300的上表面和下表面的中心部分，分別形成隆起的蓋310和320。進一步地，在囊體300的內部空間，設置主控電路盒301。主控電路盒中包括了主控板、電子調速器、信號接收器等部分。在該實施例中，主控電路盒301兼作主支架。

在優(yōu)選的實施例中，蓋310和320分別經由連接桿302和303與主控電路盒301剛性連接。4個連接支架305各自的一端分別與主控電路盒301剛性連接，并且各自的另一端延伸至相應的涵道340中，用于安裝各自的電機350和螺旋槳360。

優(yōu)選地，主控電路盒301和四個連接支架305組成中心對稱圖形，例如，以囊體300的中心軸形成軸對稱圖形，其中，四個連接支架305等角度分布于垂直于中心軸的平面內。進一步優(yōu)選地，四個連接支架305的長度相等，四個連接支架305的端部分別安裝各自的電機550和螺旋槳560，從而與囊體的中心軸的距離相等。電機550和螺旋槳560的中心軸均與囊體的中心軸平行，從而在工作時螺旋槳560產生沿著豎直方向的氣流，形成升力。在其他的實施方式中，四個連接支架305也可以傾斜于囊體300的中心軸，并不以本實施例為限。

連接支架305例如通過密封法蘭盤結構穿過囊體300，用于支撐電機350和螺旋槳360。連接支架305可以是中空的管狀，用于驅動電機350的驅動電路設置在主控電路盒301中。導線從主控電路盒301開始，穿過連接支架305到達電機350，用于為電機350提供驅動電壓。在連接支架305的內部，在放置導線之后，采用密封膠填充內部空間。

由于采用密封膠密封和法蘭盤結構密封，可以避免囊體300中的氣體經由連接支架305的內部空間或者其與囊體300之間的結合部泄露，從而維持囊體300的氣密性。

優(yōu)選地，在囊體300的內部，采用多個上部拉帶306連接囊體300的上部內表面和連接支架305，采用多個下部拉帶307連接囊體300的下部內表面和連接支架305。上部拉帶306和下部拉帶307的長度從囊體300的中間部分向周邊部分從大到小設置。從而，在充氣狀態(tài)，利用拉帶的拉力維持囊體300的表面形狀，以實現(xiàn)囊體300的保形。如前文 所述，可以采用多層拉帶的設置方式。多層拉帶可以更好地維持大體積氣囊的外形，并且可以更好地使得氣囊的實際外形與設計外形相符。

優(yōu)選地，在囊體300的底部安裝電池盒。電池盒用于容納可充電電池和直流電壓變換模塊。在電池盒內部，采用導線連接可充電電池和直流電壓變換模塊。電池盒的底部通過閥門結構開啟或閉合，方便可充電電池的更換與充電。在電池盒內部，采用導線將電池盒連接至主控電路盒301，使得可以向主控電路盒301供電。

優(yōu)選地，在囊體300的頂部安裝光伏組件。由于囊體300的頂部為曲面，因此可以安裝與囊體300的頂部共形的柔性薄膜光伏組件。采用導線將光伏組件連接至主控電路盒301和/或電池盒，使得可以采用光伏組件向主控電路盒301供電，或者用于向電池盒內部的可充電電池充電。

優(yōu)選地，在囊體300的底部還設計有減震支架，起到起飛降落防護作用。減震支架例如安裝在電池盒的下表面。

在工作狀態(tài)，多旋翼系統(tǒng)通過調節(jié)4個電機350的轉速來改變旋翼轉速，從而實現(xiàn)升力變化以及控制飛行方向。在懸停狀態(tài)，4個電機350保持在平衡轉速，使得旋翼產生的升力等于飛行器的自重。在垂直方向上移動時，通過同時增加4個電機350的轉速實現(xiàn)垂直上升，通過同時減小4個電機350的轉速實現(xiàn)垂直下降。在水平方向上移動時，減小沿著運動方向在前的第一個電機的轉速、增加沿著運動方向在后的第二個電機的轉速、同時維持其余兩個電機的平衡轉速，使得飛行器先發(fā)生一定程度的傾斜，然后產生向前運動的推力。

在囊體300的設計上，采用具備一定空氣動力學外形的結構。通過對材料、形狀、尺寸、填充氣體的設計，使得囊體300在充氣后能夠提供有效的凈浮力。因此，囊體300的體積V、表面積S、材料密度D1、填充氣體密度D2、空氣密度D3、整機其他部件的重量M等參數(shù)間需要滿足如下關系：

M＞V×(D3-D2)-S×D1＞0，

即囊體300提供的凈浮力數(shù)值必須大于零，但也不能大于系統(tǒng)中除囊體300外的其他部件的重量總合。

在此設計下，囊體300提供的浮力能夠有效抵消系統(tǒng)其他部件的部 分重量，減輕系統(tǒng)的起飛重量，減小對螺旋槳推力的要求，進而減小工作時的功耗，實現(xiàn)飛行時間的延長。

在上述實施例的多旋翼飛行器中，不僅采用氣囊中容納的氣體作為升力源，而且采用多旋翼系統(tǒng)提供升力源，以及實現(xiàn)水平方向的移動控制。由于氣囊提供了多旋翼飛行器滯空所需的至少一部分升力，因此，多旋翼系統(tǒng)即使工作于較低的轉速，也能夠實現(xiàn)多旋翼飛行器的懸停、垂直移動和水平移動。該多旋翼飛行器采用氣囊和多旋翼系統(tǒng)的組合，可以減少多旋翼系統(tǒng)的能量消耗，延長滯空時間。多旋翼系統(tǒng)為多旋翼飛行器提供了水平移動和垂直移動的動力。

在充氣狀態(tài)，氣囊的外形為扁平碟狀，有利于減小風阻和提高抗風能力。在水平方向移動時，該形狀還可以減少動力設備的能量損耗，以及改善操控性能。

在氣囊的周邊附近設置涵道，用于容納多旋翼系統(tǒng)的電機和螺旋槳。由于氣囊的邊緣厚度較小，涵道可以滿足多旋翼系統(tǒng)所需的氣體動力學要求。與設置在氣囊中間的涵道相比，本發(fā)明的實施例中采用設置在氣囊周邊的涵道，從而不需要特殊設計，即可減小涵道對螺旋槳氣流的阻力。

在上述的實施例中，描述了多旋翼飛行器的多旋翼系統(tǒng)包括4個螺旋槳?？梢岳斫猓嘈硐到y(tǒng)可以包括更多的螺旋槳，以實現(xiàn)更加復雜的飛行姿態(tài)。

以上對本發(fā)明的實施例進行了描述。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等價物限定。不脫離本發(fā)明的范圍，本領域技術人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本發(fā)明的范圍之內。