一种可变形的混杂式悬浮飞行器及运行控制方法与流程

本发明涉及涉及悬浮飞行器的领域，特别是涉及一种可变形的混杂式悬浮飞行器及运行控制方法。

背景技术：

多旋翼具有机械结构简单、可操作性强、制作成本低等优点，已经成为当代的研究热点。在实际应用中，多旋翼适用于航空摄影、近地侦察、农业广播、娱乐广告等任务。然而它的任务载荷非常小，所以电池的容量有限，多旋翼的续航时间也比较短暂。并且多旋翼具有快速旋转的螺旋桨，这可能会引起安全隐患。

飞艇是多旋翼飞行器的另一种类型，它借助轻于空气的气体(通常为氦气)作为外壳，可以在没有外力的情况下保持高空飞行。与多旋翼相比，飞艇具有飞行时间长、低能耗、低噪声等优势。但是目前对飞艇的研究大多需要尺寸较大的外壳来提供升力，这对外壳的制作工艺有较高要求，且不适用于多个飞艇的集群研究。

目前已经有将多旋翼与飞艇相结合的小型悬浮飞行器，其体积较小，有相对较长的飞行时间，有充满氦气的外壳缓冲，即使发生碰撞也不会对人类和周围环境造成威胁。但是这种悬浮飞行器的横向平移运动一般只有一个方向，需要通过旋转运动来改变运动方向。并且其外壳的体积或形状固定不变，在遇到狭窄通道时其运动受限。从上述原因考虑，采用五旋翼与飞艇相结合的结构，增加悬浮飞行器的运动方向。针对悬浮飞行器长航时的室内环境监测过程中，为了适应障碍物如家具、门窗、楼梯等各种室内非结构环境下的避障和通过，采用外壳变形的方式提高其复杂环境的通过能力。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种可变形的混杂式悬浮飞行器及运行控制方法，将集多旋翼飞行器稳定控制和飞艇低能耗的优点，可根据环境障碍物调节自身大小，实现长时间飞行，解决传统飞行器作业时间短和环境通过度低的问题。

本发明提供一种可变形的混杂式悬浮飞行器，包括机架、动力单元、悬浮单元和控制单元：

所述的机架由连接件、尼龙螺柱、右悬臂支架、左悬臂支架和主支架组成；所述的连接件位于机架顶部；所述的尼龙螺柱一端与连接件固定连接，所述的尼龙螺柱另一端与主支架固定连接,所述右悬臂支架和左悬臂支架对称安装在主支架前侧；

所述的动力单元包括电机和螺旋桨，所述螺旋桨安装在对应电机的转轴上，所述右悬臂支架和左悬臂支架外侧端部安装有前进驱动动力单元，所述主支架后侧安装有一对升力驱动动力单元和后退驱动动力单元；

所述的悬浮单元包括气球、电机、线轴、刚度调节网和形状调节带；所述的气球位于机架上方，通过连接件与机架粘贴固定；所述的电机包括刚度调节电机和形状调节电机；所述的线轴包括线轴一和线轴二；所述的线轴一固定在刚度调节电机输出轴上；所述的线轴二固定在形状调节电机输出轴上；所述气球装在刚度调节网内，所述形状调节带有3个，形状调节带一、形状调节带二和形状调节带三的拉绳在气球底部汇聚成拉绳二，拉绳二的端部固定在线轴二的槽内；

所述控制单元包括电源模块和控制板，所述的电源模块电源输出端与控制板电源输入端连接。

作为本发明飞行器进一步改进，所述的连接件为长方形状的镂空薄板，所述连接件的四个顶点处各有一个小圆柱，所述的右悬臂支架为镂空的弧形薄板结构，所述的右悬臂支架一端为第一空心圆柱，所述的右悬臂支架另一端为第一凹槽结构；所述的左悬臂支架为镂空的弧形薄板结构，所述的左悬臂支架一端为第二空心圆柱，所述的左悬臂支架另一端为第二凹槽结构；所述的主支架为长方形的镂空薄板结构，所述的主支架一条短边的两端有左右对称的第一凸起结构和第二凸起结构，靠近另一条短边的两端有左右对称的第三空心圆柱和第四空心圆柱，另一条短边的中间有第五空心圆柱；所述右悬臂支架通过第一凹槽结构与第一凸起结构的契合安装在主支架上，所述的左悬臂支架通过第二凹槽结构与第二凸起结构的契合安装在主支架上。

作为本发明飞行器进一步改进，所述的电机是空心杯直流电机，所述的电机包括前进驱动电机一、前进驱动电机二、升力驱动电机一、升力驱动电机二和后退驱动电机；所述的前进驱动电机一同轴连接在右悬臂支架的空心圆柱里；所述的前进驱动电机二同轴连接在左悬臂支架的空心圆柱里；所述的升力驱动电机一同轴连接在主支架的空心圆柱里；所述的升力驱动电机二同轴连接在主支架的空心圆柱里；所述的后退驱动电机同轴连接在主支架的空心圆柱里；所述的螺旋桨包括前进驱动螺旋桨一、前进驱动螺旋桨二、升力驱动螺旋桨一、升力驱动螺旋桨二和后退驱动螺旋桨；所述的前进驱动螺旋桨一安装在前进驱动电机一输出轴上，通过所述的前进驱动电机一带动前进驱动螺旋桨一旋转；所述的前进驱动螺旋桨二安装在前进驱动电机二输出轴上，通过所述的前进驱动电机二带动前进驱动螺旋桨二旋转；所述的升力驱动螺旋桨一安装在升力驱动电机一输出轴上，通过所述的升力驱动电机一带动升力驱动螺旋桨一旋转；所述的升力驱动螺旋桨二安装在升力驱动电机二输出轴上，通过所述的升力驱动电机二带动升力驱动螺旋桨二旋转；所述的后退驱动螺旋桨安装在后退驱动电机输出轴上，通过所述的后退驱动电机带动后退驱动螺旋桨旋转。

作为本发明飞行器进一步改进，所述的刚度调节电机通过刚度调节电机架子连接固定在机架的主支架上；所述的形状调节电机通过形状调节电机架子连接固定在机架的主支架上，所述的刚度调节网为球面网格结构，所述的刚度调节网下部有开孔；所述刚度调节网下部边缘有拉绳一，拉绳一的端部固定在线轴一的槽内；所述的形状调节带为环状的带子，所述的形状调节带底部有拉绳二，所述的形状调节带一套在气球外表面的右边，形状调节带二套在气球外表面的中间，形状调节带三套在气球外表面的左边。

作为本发明飞行器进一步改进，所述的电源模块为锂电池，通过尼龙扎带固定在主支架的中间，位于主支架下方。

作为本发明飞行器进一步改进，所述的控制板包括传感模块和控制模块，所述的控制板位于电源模块下方，通过尼龙螺柱固定在主支架上；所述的传感模块包括三轴加速度和三轴陀螺仪传感器和高度传感器。

本发明提供一种可变形的混杂式悬浮飞行器的运行控制方法，所述混杂式悬浮飞行器的运行包括飞行运动和变形运动，具体如下：

所述的飞行运动过程包括上升、降落、前进、后退、右转弯和左转弯；

所述的升力驱动电机和升力驱动电机同时增大转速实现悬浮飞行器的上升运动，同时减小转速实现悬浮飞行器的下降运动；

所述的前进驱动电机一和前进驱动电机二同时旋转实现悬浮飞行器的前进运动；

所述的后退驱动电机旋转实现悬浮飞行器的后退运动；

所述的前进驱动电机一增大转速，前进驱动电机二减小转速实现悬浮飞行器的右转弯；

所述的前进驱动电机一减小转速，前进驱动电机二增大转速实现悬浮飞行器的左转弯；

所述的变形运动包括刚度调节变形和形状调节变形；

所述的刚度调节变形具体步骤如下：

s1：将刚度调节电机正转，拉绳一被缠绕在线轴一的槽内，刚度调节网收缩；

s2：气球内的压强增大，气球体积变小，实现悬浮飞行器的刚度调节变形；

s3：将刚度调节电机反转，拉绳一从线轴一的槽内展开，气球内的压强变小，气球体积变大，恢复悬浮飞行器的刚度调节变形；

形状调节变形通过形状调节带在气球表面不均匀施加压力，使气球的形状由球形变成椭球形；

所述的形状调节变形具体步骤如下：

s1：将形状调节电机正转，拉绳二被缠绕在线轴二的槽内，形状调节带、形状调节带和形状调节带的环的大小收缩；

s2：气球变成椭球形状，实现悬浮飞行器的形状调节变形；

s3：将形状调节电机反转，拉绳二松开，在气球气压力的作用下从线轴二的槽内展开，气球变大并恢复成球形，恢复悬浮飞行器的形状调节变形。

本发明的一种可变形的混杂式悬浮飞行器，具有以下几种优点：

(1)本发明的悬浮单元利用充满氦气的气球作为外壳，减小悬浮飞行器的能耗，并为悬浮飞行器提供一定的缓冲作用，在与人类相撞时不会造成任何伤害；

(2)本发明的动力单元实现了悬浮飞行器的上升、降落、前进、后退、旋转运动，增强了悬浮飞行器的机动性；

(3)本发明所设计的刚度调节网可以改变悬浮飞行器的整体大小，形状调节带可以将悬浮单元由球形变成椭球形，能够有效提高悬浮飞行器在复杂环境里的通过能力，提高悬浮飞行器的在室内环境中的实用性。

附图说明

图1为本发明的悬浮飞行器系统组成框图；

图2为本发明的悬浮飞行器立体视图；

图3为本发明悬浮飞行器的机架与动力单元立体视图1；

图4为本发明悬浮飞行器的机架与动力单元立体视图2；

图5为本发明悬浮飞行器的机架局部组成爆炸视图；

图6为本发明悬浮飞行器的机架和动力单元组成爆炸视图；

图7为本发明悬浮飞行器的悬浮单元立体视图；

图8为本发明悬浮飞行器的悬浮单元与机架组成爆炸视图；

图9为本发明悬浮飞行器的刚度调节网立体视图；

图10为本发明悬浮飞行器的形状调节带立体视图；

图11为本发明悬浮飞行器的刚度调节变形过程示意图；

图12为本发明悬浮飞行器的形状调节变形过程示意图；

图13为本发明悬浮飞行器刚度调节变形通过狭窄通道工作示意图；

图14为本发明悬浮飞行器形状调节变形通过窗户工作示意图；

具体部件名称如下：

1、机架；1-1、连接件；1-1-1、小圆柱一；1-1-2、小圆柱二；1-1-3、小圆柱三；1-1-4、小圆柱四；1-2、尼龙螺柱；1-2-1、尼龙螺柱一；1-2-2、尼龙螺柱二；1-2-3、尼龙螺柱三；1-2-4、尼龙螺柱四；1-3、右悬臂支架；1-3-1、第一空心圆柱；1-3-2，第一凹槽结构；1-4、左悬臂支架；1-4-1、第二空心圆柱；1-4-2、第二凹槽结构；1-5、主支架；1-5-1、第一凸起结构；1-5-2、第二凸起结构；1-5-3、第三空心圆柱；1-5-4、第四空心圆柱；1-5-5、第五空心圆柱；2、动力单元；2-1、电机；2-1-1、前进驱动电机一；2-1-2、前进驱动电机二；2-1-3、升力驱动电机一；2-1-4、升力驱动电机二；2-1-5、后退驱动电机；2-2、螺旋桨；2-2-1、前进驱动螺旋桨一；2-2-2、前进驱动螺旋桨二；2-2-3、升力驱动螺旋桨一；2-2-4、升力驱动螺旋桨二；2-2-5、后退驱动螺旋桨；3、悬浮单元；3-1、气球；3-2、电机；3-2-1、刚度调节电机；3-2-2、形状调节电机；3-3、线轴；3-3-1、线轴一；3-3-2、线轴二；3-4、刚度调节网；3-4-1、拉绳一；3-5、形状调节带；3-5-1、形状调节带一；3-5-2、形状调节带二；3-5-3、形状调节带三；3-5-4、拉绳二；3-6-1、刚度调节电机架子；3-6-2、形状调节电机架子；4、控制单元；4-1、电源模块；4-2、控制板；4-2-1、传感模块；4-2-2、控制模块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种可变形的混杂式悬浮飞行器及运行控制方法，将集多旋翼飞行器稳定控制和飞艇低能耗的优点，可根据环境障碍物调节自身大小，实现长时间飞行，解决传统飞行器作业时间短和环境通过度低的问题。

参照图1和图2，一种可变形的混杂式悬浮飞行器包括机架1、动力单元2、悬浮单元3和控制单元4。机架1用于安装固定所述的动力单元2、悬浮单元3和控制单元4，动力单元2用于实现悬浮飞行器的升降、前进、后退和旋转运动功能，悬浮单元3用于为悬浮飞行器提供升力和实现改变悬浮飞行器的形状大小功能，控制单元4用于实现所有的运动控制。

参照图1、图3、图4、图5和图6，所述的机架1由连接件1-1、尼龙螺柱1-2、右悬臂支架1-3、左悬臂支架1-4和主支架1-5组成；所述的连接件1-1为长方形状的镂空薄板，位于机架1的顶部，其顶点处有小圆柱一1-1-1、小圆柱二1-1-2、小圆柱三1-1-3和小圆柱四1-1-4，起到和悬浮单元3粘贴固定的作用；所述的尼龙螺柱一1-2-1、尼龙螺柱二1-2-2、尼龙螺柱三1-2-3和尼龙螺柱四1-2-4的一端与连接件1-1通过螺母固定连接，另一端与主支架1-5通过螺母固定连接；所述的右悬臂支架1-3为镂空的弧形薄板结构，其一端为第一空心圆柱1-3-1，另一端为第一凹槽结构1-3-2；所述的左悬臂支架1-4为镂空的弧形薄板结构，其一端为第二空心圆柱1-4-1，另一端为第二凹槽结构1-4-2；所述的主支架1-5为长方形的镂空薄板结构，其前面的两端有左右对称的第一凸起结构1-5-1和第二凸起结构1-5-2，靠近后面的两端有左右对称的第三空心圆柱1-5-3和第四空心圆柱1-5-4，后面的中间有第五空心圆柱1-5-5；所述的右悬臂支架1-3通过第一凹槽结构1-3-2与第一凸起结构1-5-1的契合安装在主支架1-5上，所述的左悬臂支架1-4通过第二凹槽结构1-4-2与第二凸起结构1-5-2的契合安装在主支架1-5上。

参照图1、图3、图4、图5和图6，所述的动力单元2包括电机2-1和螺旋桨2-2。所述的电机2-1是空心杯直流电机，其包括前进驱动电机一2-1-1、前进驱动电机二2-1-2、升力驱动电机一2-1-3、升力驱动电机二2-1-4和后退驱动电机2-1-5；所述的前进驱动电机一2-1-1同轴连接在右悬臂支架1-3的空心圆柱1-3-1里；所述的前进驱动电机二2-1-2同轴连接在左悬臂支架1-4的空心圆柱1-4-1里；所述的升力驱动电机一2-1-3同轴连接在主支架1-5的空心圆柱1-5-3里；所述的升力驱动电机二2-1-4同轴连接在主支架1-5的空心圆柱1-5-4里；所述的后退驱动电机2-1-5同轴连接在主支架1-5的空心圆柱1-5-5里；所述的螺旋桨包括前进驱动螺旋桨一2-2-1、前进驱动螺旋桨二2-2-2、升力驱动螺旋桨一2-2-3、升力驱动螺旋桨二2-2-4和后退驱动螺旋桨2-2-5；所述的前进驱动螺旋桨一2-2-1安装在前进驱动电机一2-1-1输出轴上，通过所述的前进驱动电机一2-1-1带动前进驱动螺旋桨一2-2-1旋转；所述的前进驱动螺旋桨二2-2-2安装在前进驱动电机二2-1-2输出轴上，通过所述的前进驱动电机二2-1-2带动前进驱动螺旋桨二2-2-2旋转；所述的升力驱动螺旋桨一2-2-3安装在升力驱动电机一2-1-3输出轴上，通过所述的升力驱动电机一2-1-3带动升力驱动螺旋桨一2-2-3旋转；所述的升力驱动螺旋桨二2-2-4安装在升力驱动电机二2-1-4输出轴上，通过所述的升力驱动电机二2-1-4带动升力驱动螺旋桨二2-2-4旋转；所述的后退驱动螺旋桨2-2-5安装在后退驱动电机2-1-5输出轴上，通过所述的后退驱动电机2-1-5带动后退驱动螺旋桨2-2-5旋转。

参照图1、图2、图3、图4、图7、图8、图9和图10，所述的悬浮单元3包括气球3-1、电机3-2、线轴3-3、刚度调节网3-4和形状调节带3-5；所述的气球3-1位于机架1上方，通过连接件1-1与机架1粘贴固定，其具有一定弹性，可以根据充气的多少改变自身的体积大小；所述的电机3-2包括刚度调节电机3-2-1和形状调节电机3-2-2；所述的刚度调节电机3-2-1通过刚度调节电机架子3-6-1连接固定在机架1的主支架1-5上；所述的形状调节电机3-2-2通过形状调节电机架子3-6-2连接固定在机架1的主支架1-5上；所述的线轴3-3包括线轴一3-3-1和线轴二3-3-2；所述的线轴一3-3-1固定在刚度调节电机3-2-1输出轴上；所述的线轴二3-3-2固定在形状调节电机3-2-2输出轴上；所述的刚度调节网3-4为球面网格结构，其下部有开孔，可以将气球3-1装进其中，其下部边缘有拉绳一3-4-1，拉绳一3-4-1的端部固定在线轴一3-3-1的槽内；所述的形状调节带3-5为环状的带子，其底部有拉绳，形状调节带一3-5-1套在气球3-1外表面的右边，形状调节带二3-5-2套在气球3-1外表面的中间，形状调节带三3-5-3套在气球3-1外表面的左边，形状调节带一3-5-1、形状调节带二3-5-2和形状调节带三3-5-3的拉绳在气球3-1底部汇聚成拉绳二3-5-4，拉绳二3-5-4的端部固定在线轴二3-3-2的槽内。

参照图1和图6，所述的控制单元4包括电源模块4-1和控制板4-2；所述的电源模块4-1为锂电池，通过尼龙扎带固定在主支架1-5的中间，位于主支架1-5下方，电源模块4-1电源输出端与控制板4-2电源输入端连接，用于为悬浮飞行器提供所需的电能；所述的控制板4-2包括传感模块4-2-1和控制模块4-2-2，其位于电源模块4-1下方，通过尼龙螺柱1-2固定在主支架1-5上；所述的传感模块4-2-1包括三轴加速度和三轴陀螺仪传感器和高度传感器；所述的三轴加速度和三轴陀螺仪传感器用于检测悬浮飞行器的三轴加速度和三轴角速度信息；所述的高度传感器用于检测悬浮飞行器的高度信息；所述的控制模块4-2-2接收传感模块4-2-1的传感器数据，进行处理得到悬浮飞行器的状态信息，控制动力单元2实现悬浮飞行器的升降、前进、后退和旋转运动功能，控制悬浮单元3实现改变悬浮飞行器的形状大小功能。

所述的可变形的混杂式悬浮飞行器的运动包括飞行运动和变形运动。

所述的飞行运动过程包括上升、降落、前进、后退、右转弯和左转弯；所述的升力驱动电机一2-1-3和升力驱动电机二2-1-4同时增大转速可以实现悬浮飞行器的上升运动，同时减小转速可以实现悬浮飞行器的下降运动；所述的前进驱动电机一2-1-1和前进驱动电机二2-1-2同时旋转可以实现悬浮飞行器的前进运动；所述的后退驱动电机2-1-5旋转可以实现悬浮飞行器的后退运动；所述的前进驱动电机一2-1-1增大转速，前进驱动电机二2-1-2减小转速可以实现悬浮飞行器的右转弯；所述的前进驱动电机一2-1-1减小转速，前进驱动电机二2-1-2增大转速可以实现悬浮飞行器的左转弯。

所述的变形运动包括刚度调节变形和形状调节变形。

由于气球3-1充入氦气后表面发生弹性形变，产生指向气球3-1内的弹力，所以气球3-1表面的受力为：

p弹力 p外＝p内

其中p弹力为气球3-1弹性形变产生的弹力，指向气球3-1内；p外为大气压在气球3-1表面产生的压力，指向气球3-1内；p内为气球3-1内部氦气在气球3-1表面产生的压力，指向气球3-1外。

气球3-1表面的受力是均匀分布的，刚度调节变形则通过刚度调节网3-4在气球3-1表面均匀施加压力，使气球3-1表面的受力变为：

p弹力 p外 p调节力＝p内

其中p调节力为刚度调节网向气球3-1施加的压力，指向气球内。当p调节力增大时，p内增大，所以气球内的压强增大，在恒定温度下，由波义耳定律可知，气球的体积减小；当p调节力力减小时，p内减小，所以气球内的压强减小，在恒定温度下，由波义耳定律可知，气球的体积增大。

参照图11，所述的刚度调节变形具体步骤如下：

s1：将刚度调节电机3-2-1正转，拉绳一3-4-1被缠绕在线轴一3-3-1的槽内，刚度调节网3-4收缩；

s2：气球3-1内的压强增大，气球3-1体积变小，实现悬浮飞行器的刚度调节变形；

s3：将刚度调节电机3-2-1反转，拉绳一3-4-1从线轴一3-3-1的槽内展开，气球3-1内的压强变小，气球3-1体积变大，恢复悬浮飞行器的刚度调节变形。

形状调节变形通过形状调节带3-5在气球3-1表面不均匀施加压力，使气球3-1的形状由球形变成椭球形。

参照图12，所述的形状调节变形具体步骤如下：

s1：将形状调节电机3-2-2正转，拉绳二3-5-4被缠绕在线轴二3-3-2的槽内，形状调节带3-5-1、形状调节带3-5-2和形状调节带3-5-3的环的大小收缩；

s2：气球3-1变成椭球形状，实现悬浮飞行器的形状调节变形；

s3：将形状调节电机3-2-2反转，拉绳二3-5-4松开，在气球3-1气压力的作用下从线轴二3-3-2的槽内展开，气球3-1变大并恢复成球形，恢复悬浮飞行器的形状调节变形。

本发明专利在悬浮飞行器长航时的室内环境监测过程中，可以适应障碍物如门窗、楼梯等各种室内非结构环境下的避障和通过。

参照图13，悬浮飞行器在遇到狭窄通道时，由于悬浮飞行器的整体直径略大于狭窄通道的宽度，不能从中间穿过；利用悬浮飞行器的刚度调节变形将悬浮飞行器整体变小，使悬浮飞行器的整体直径略小于狭窄通道，可以从通道中间穿过。

参照图14，悬浮飞行器在经过窗户时，由于悬浮飞行器的整体高度大于窗户的高度，不能从窗户穿过；利用悬浮飞行器的形状调节变形将悬浮飞行器变成椭球形，使悬浮飞行器的整体高度小于窗户的高度，可以从窗户中间穿过。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。