阅读说明：本技术 系留式飞行器、包括该系留式飞行器的飞行系统及其控制方法 (Tethered aircraft, flight system comprising same and control method thereof ) 是由 戚耀文 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及无人机领域。具体地,本发明涉及一种系留式飞行器(10),其包括机身(11)、设于所述机身(11)中的至少一个起降涵道(12)、位于所述起降涵道(12)中的升力旋翼(14)、设于所述机身(11)中的至少一个推力涵道(13)、以及位于所述推力涵道(13)中的推力旋翼(15),其中,所述机身(11)具有整体流线型的几何设计,以使得所述机身(11)的左侧部分形成左固定翼(18)且所述机身(11)的右侧部分形成右固定翼(19)。本发明还涉及一种包括这种飞行器的飞行系统和用于这种飞行系统的控制方法。本发明的飞行器实现了：在车辆处于高速行驶状态下时仍能实现起飞、回收和稳定跟飞并具有良好的续航能力。(The invention relates to the field of unmanned aerial vehicles. In particular, the invention relates to a tethered aircraft (10) comprising a fuselage (11), at least one takeoff and landing duct (12) arranged in said fuselage (11), a lifting rotor (14) located in said takeoff and landing duct (12), at least one thrust duct (13) arranged in said fuselage (11), and a thrust rotor (15) located in said thrust duct (13), wherein said fuselage (11) has an overall streamlined geometric design such that a left portion of said fuselage (11) forms a left fixed wing (18) and a right portion of said fuselage (11) forms a right fixed wing (19). The invention also relates to a flight system comprising such an aircraft and to a control method for such a flight system. The aircraft of the invention achieves: the aircraft can still realize take-off, recovery and stable follow-up flight when the vehicle is in a high-speed running state, and has good cruising ability.)

系留式飞行器、包括该系留式飞行器的飞行系统及其控制 方法

技术领域

本发明涉及一种系留式飞行器。本发明还涉及一种包括这种系留式飞行器的飞行系统以及一种用于这种飞行系统的控制方法。

背景技术

基于车辆飞线的无人机主要用于对车辆进行跟随拍摄或者进行更好的视野探测。目前，这种无人机主要采用四旋翼设计。但是，四旋翼式无人机难以应对车辆以较高速度行驶的工况，因为无论是其续航能力、结构强度还是飞行稳定性都无法支持对以较高速度行驶的车辆的跟随、放飞以及回收，而且甚至有可能出现无人机解体。

文献CN107600405A、CN202011472U、CN105015770A、CN110087989A和CN110347182A分别公开一种无人机，但是这些无人机均不属于系留式无人机，也不适于用作车辆的跟随式无人机。

文献CN106794899A、CN105923152A和US20150266574A1分别公开一种系留式无人机，但是这些无人机设计成连接于静止的地面平台，而不适于充当车辆的跟随式无人机。

文献WO2019226917A1公开了一种基于车辆飞线的四旋翼无人机，这种无人机无法用于车速较高的场合。

文献CN207759015U公开了一种可脱落系留式垂直起降固定翼无人机，这种无人机仍具有独立于机身的螺旋桨，从而导致其结构强度不足以应对车速较高的场合，并且这种无人机的续航能力较差。

CN109189088A公开了一种系留式无人机自适应巡航跟踪方法，但是其没有披露一种在车速较高的场合能安全且稳定地升降和跟飞的无人机的具体结构设计。

因此，期待提供一种在车辆处于高速行驶状态下时仍能实现起飞、回收和稳定跟飞且具有良好的续航能力的系留式无人机。

发明内容

本发明的目的通过提供一种系留式飞行器来实现，这种飞行器包括机身、设于所述机身中的至少一个起降涵道、位于所述起降涵道中的升力旋翼、设于所述机身中的至少一个推力涵道、以及位于所述推力涵道中的推力旋翼，其中，所述机身具有整体流线型的几何设计，以使得所述机身的左侧部分形成左固定翼且所述机身的右侧部分形成右固定翼。

根据一可选的实施例，所述飞行器构造成在系留于可移动的系留平台的状态下能借助于所述系留平台的移动速度切割空气流场而被所述空气流场作用以上扬力，从而使所述飞行器被所述系留平台拖曳起飞或拖曳滑行。

根据一可选的实施例，飞行器包括与至少一个升力旋翼和/或至少一个推力旋翼运行学连接的至少一个发电机，并且，所述飞行器构造成在被所述系留平台拖曳起飞或拖曳滑行的过程中使所述至少一个升力旋翼和/或所述至少一个推力旋翼被空气流场致动而带动所述发电机再生发电。

根据一可选的实施例，所述飞行器包括用于驱动升力旋翼和推力旋翼的至少一个电机，所述起降涵道和所述升力旋翼构造成能在电机的驱动下为所述飞行器提供垂直升力，所述推力涵道和所述推力旋翼构造成能在电机的驱动下为所述飞行器提供前进或后退推力，所述电机尤其能够逆向运行以充当发电机。

根据本发明的系留式飞行器采用“放风筝”策略，可利用车的速度来在空中滑行，并且含有自身的动力系统，可以保持飞行器的独立飞行；在飞行的过程中可以反向收集电能进行蓄电；还可以通过调整飞行方向舵来进行方位的调整；也可以打开锁扣装置进行释放。本发明可以应用于车辆的长时间的续航拍摄及地形探测，无论车速如何都可以保持极强的飞行稳定性。

根据一可选的实施例，所述飞行器整体构造成呈燕尾镖形式。

根据一可选的实施例，所述起降涵道由贯通所述机身的竖直通道构成，所述竖直通道尤其位于所述飞行器的重心处。

根据一可选的实施例，所述推力涵道设于所述机身的尾部处，尤其关于所述机身的中央纵向轴线对称地设于左、右固定翼的尾部处。

根据一可选的实施例，所述升力旋翼由至少一组共轴反桨旋翼构成。

根据一可选的实施例，所述飞行器还包括位于左、右固定翼的后缘处的带升降舵的水平尾翼，尤其，所述水平尾翼与同侧的起降涵道相比距所述机身的中央纵向轴线更远地布置。

根据一可选的实施例，所述飞行器还包括位于左、右固定翼的面向彼此的内侧边缘处的带方向舵的垂直尾翼。

根据一可选的实施例，所述机身承载有摄像装置，所述摄像装置用于从高空拍摄对象的照片或视频。

根据一可选的实施例，所述飞行器还包括位于所述机身上的选配空间，所述选配空间适于接收不同的选装设备以实现不同的改装，所述选装设备例如包括用于对系留平台高空照明的照明装置。

在另一方面，本发明的目的还通过一种飞行系统来实现，这种飞行系统包括上文所述的飞行器、可移动的系留平台以及用于将所述飞行器连接至所述系留平台的系索装置。

根据一可选的实施例，所述系索装置借助于自动式锁扣装置与所述飞行器可脱开地连接，尤其在所述飞行器的重心处与所述飞行器可脱开地连接；并且，所述系索装置借助于绞盘与所述系留平台连接，所述系留平台例如是车辆。

在又一方面，本发明的目的还通过一种用于控制飞行系统的方法，所述方法至少包括以下步骤：

-实时地采集所述可移动的系留平台的当前运动学数据；

-基于所述系留平台的当前运动学数据计算所述飞行器针对所述系留平台的当前运动学状态的优化的运动学状态和/或飞行姿态的改变；

-基于计算出的飞行器的优化的运动学状和/或飞行姿态的改变确定用于操控所述飞行器的控制数据；以及

-基于所述控制数据控制所述飞行器的动力系统和/或姿态调整装置，以使得所述飞行器跟随所述系留平台的当前运动学状态地进行运动学状态和/或飞行姿态的实时调整。

根据本发明的飞行器具有以下有益技术效果：

-可以在行驶的过程中自由起飞，并且可以放飞，也可以在高速过程中回收，而传统的四旋翼飞行器不仅做不到在车辆高速行驶中起飞和回收，而且其飞行速度也追不上车速；

-具备长久的续航，因为可以车辆供电、飞行器滑行反向充电以及在空中滑行不依赖动力；

-具备极高的稳定性能，整体的设计及旋翼涵道的选择，适应较高速行驶；

-可以为车辆提供长期的照明和拍摄能力，并且基于飞线传输图像信息，格外清晰；

-提供改造性的设计，比如装配照明灯或者激光；

-节能环保，成本低；

-不受气流的影响，而传统的四旋翼飞行器遇风易于坠落，并不适合航拍；

-即使在独立飞行中也有很好的动力表现，在高速跟随飞行的时候，效率比传统四旋翼飞行器高；

-一体化的机身，机身强度高，在高速飞行的时候飞行器不会解体；以及

-结构简单，比传统的四旋翼飞行器稳定性更好，成本更低，模块更少。

从说明书、附图和权利要求书中，本发明主题的其他优点和有利实施例是显而易见的。

附图说明

本发明的更多特征及优点可以通过下述参考附图的具体实施例的详细说明来进一步阐述。所述附图为：

图1示出根据本发明的一示例性实施例的系留式飞行器的俯视性结构示意图；

图2示出该系留式飞行器的侧视性的结构示意图；

图3示出根据本发明的一示例性实施例的飞行系统100的示意性结构图；以及

图4示出的根据本发明的一示例性实施例的用于控制飞行器的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。在附图中，相同或类似的附图标记指代相同或等价的部件。

图1示出根据本发明的一示例性实施例的系留式飞行器10的俯视性结构示意图，并且图2示出该系留式飞行器10的侧视性的结构示意图。如图1-2所示，系留式飞行器10包括机身11、设于机身11中的起降涵道12和推力涵道13、以及分别位于起降涵道12和推力涵道13中的升力旋翼14和推力旋翼15。出于简化的目的，升力旋翼14在图2中没有被示出。

根据本发明的一示例性实施例，所述飞行器10构造成在系留于可移动的系留平台60(参见图3)的状态下能借助于系留平台60的移动速度进行空气切割而产生作用于飞行器10上的上扬力，以便使飞行器10能被所述系留平台60拖曳起飞或拖曳滑行。

为此，机身11例如整体构造成大致呈燕尾镖形式的流线型形状，其中，燕尾镖形的左翼形成飞行器10的左固定翼18，而燕尾镖形的右翼形成飞行器10的右固定翼19。通过这种结构，使得飞行器适于在空气中滑行，尤其适于被以较高速度运动的系留平台拖曳起飞和拖动滑行，而不会发生解体，因为这种飞行器具有较高的结构强度。

根据本发明的一示例性实施例，所述飞行器10构造成能依靠自身的动力系统实现独立的起降和飞行，这一方面使得飞行器10能在系留平台的较低的移动速度下依靠自身的动力系统实现起降和飞行，另一方面能与系留平台脱开地自由飞行。

根据本发明的一示例性实施例，起降涵道12包括位于机身11的中央处的贯通机身11的竖直通道。特别地，起降涵道12设于飞行器10的重心处。

根据本发明的一示例性实施例，升力旋翼14由至少一组共轴反桨旋翼构成。此外，尽管在图示的实施例中飞行器11具有一个起降涵道12，但是，飞行器10也可以替代地设有两个或多于两个起降涵道12，这些起降涵道12可以均衡地分布于机身11上从而为飞行器10提供均衡的上升动力。

根据本发明的一示例性实施例，推力涵道13设于机身11的尾部处，尤其关于机身11的中央纵向轴线L对称地设于左固定翼18和19的尾部处。

根据本发明的一示例性实施例，推力涵道13配置成能绕水平横向轴线枢转，以能够带着位于其中的推力旋翼15在提供向前推力的第一位置与提供升力的第二位置之间枢转。

进一步而言，系留式飞行器10还包括位于机身11的尾部处、尤其是固定翼18和19的后缘处的带升降舵的水平尾翼16。示例性地，水平尾翼16与同侧的推力涵道13相比距机身11的中央纵向轴线L更远地布置。此外，系留式飞行器10还包括位于机身11的后部处、尤其是固定翼18和19的面向彼此的内侧边缘处的带方向舵171的垂直尾翼17。水平尾翼16和垂直尾翼17配置成用于控制飞行器10的包括俯仰姿态、滚转姿态和航向姿态在内的飞行姿态。

根据本发明的一示例性实施例，机身11的上侧面111和/或下侧面112构成成具有符合流体动力学的曲面构型，例如如图2所示。

根据本发明的一示例性实施例，机身11上承载有摄像装置20、例如云台相机，用于从高空拍摄对象的照片或视频。这在系留平台为车辆的情况下尤为有利，因为此时飞行器的跟随性拍摄可以为车内人员提供宽视角的鸟瞰图以辅助驾驶和领略景物风光，从而使得车内人员在行车时具有良好的视觉体验。

根据本发明的一示例性实施例，机身11上设有选配空间30，所述选配空间30适于接收各种不同的选装设备以实现不同的改装。示例性地，选配空间30可以接收照明设备，这在系留平台为车辆的情况下是有利的，因为照明设备能为车辆提供跟随性的高空照明，从而为驾驶员提供良好的驾驶视野。附加地或替代地，选装设备包括激光。

根据本发明的一示例性实施例，飞行器10还包括用于控制飞行器10的操作的控制装置40和用于为飞行器10的动力部件、例如用于驱动旋翼14和15的电机供电的电池单元80。

在此需要说明的是，图1中示出的摄像装置20、选配空间30、控制装置40和电池单元80的位置仅仅是示例性的，没有任何限定性意义。这些装置可以在机身11上设置于任何适当的位置处。

图3示出根据本发明的一示例性实施例的飞行系统100的示意性结构图。飞行系统100包括飞行器10、系留平台60和用于将飞行器10连接至系留平台60的系索装置50。系索装置50包括系索51，系索51的一端可脱开地附接至飞行器10，另一端缠绕于固定至系留平台60的绞盘70上。在这种情况下，可以通过操作绞盘70来执行系索51的放出和收回，从而实现飞行器10的起飞和回收以及改变飞行器10的高度。

根据本发明的一示例性实施例，系留平台60可以是车辆，如图3所示。在这种情况下，绞盘70可以固定在车辆的顶棚、货厢或专用的起降装置上。替代地，系留平台也可以是其它合适的平台，例如其它移动平台(例如船舶、别的飞行器)或者是静止的平台(例如地面)。

根据本发明的一示例性实施例，系索51可包括配置成用于传输电力和/或电信号的线缆。示例性地，借助于所述线缆，来自系留平台60的电功率可以提供给飞行器10(例如用于对飞行器进行远程充电)和/或由飞行器10产生的电功率可以传输给附接于或内置于系留平台60的蓄电池。附加地和/或替代地，借助于所述线缆，飞行器10与系留平台60之间可以进行电信号(例如控制信号)和/或数据(例如由摄像装置20捕捉的图像)的交换。

此外，系索51还可包括物理绳索，所述物理绳索配置成用于增强系索51的强度，以保证系索51在材料力学上能满足飞行器10被所述系留平台60拖曳起飞或拖曳滑行过程中所要求的结构强度。在系留平台60为可移动平台、例如车辆的情况下，系索51尤其配置成能足以承受在系留平台60高速移动的情况下拖曳飞行器10所需的牵拉力。

根据本发明的一示例性实施例，飞行系统100包括锁扣装置，飞行器10借助于锁扣装置与系留平台60可脱开地连接。锁扣装置可以设于系索51与飞行器10之间。在这种情况下，锁扣装置有利地设于飞行器10的重心处。附加地或替代地，锁扣装置可以设于系索51与系留平台60之间。在一示例中，锁扣装置配置成能自动释放锁合，以例如在飞行器10已上升到一定飞行高度时放飞飞行器10。

根据本发明的一示例性实施例，飞行器10包括与至少一个升力旋翼14和/或至少一个推力旋翼15运行学连接的至少一个发电机，并且飞行器10构造成能在被系留平台60拖曳起飞或拖曳滑行的过程中使所述至少一个升力旋翼14和/或所述至少一个推力旋翼15被空气流场致动而带动发电机再生发电。示例性地，用于驱动旋翼14和15的电机中的至少一个配置成可逆向运行以能在飞行器10的发电模式下充当所述发电机。此时，发电机产生的电流可以存储在飞行器10内置的电池单元80内以供飞行器10后续使用，也可以借助于系索51传输给系留平台60。采用这种方式，显著提高了飞行器的续航能力。

在一示例中，所述飞行器10构造成在滑行过程中与气流形成一定的夹角，以使所述至少一个升力旋翼14和/或所述至少一个推力旋翼15能有效切割气流以便被空气流场带动而再生发电。附加地或替代地，所述至少一个升力旋翼14和/或所述至少一个推力旋翼15构造成可枢转的以能适应性地改变切割空气流场的方向，从而最大化地回收空气流场能。

根据本发明的一示例性实施例，飞行系统100还包括用于操控飞行器10及其所携带的装置(例如摄像装置和/或选装设备)的操控装置。所述操控装置可以配置成独立的手柄，也可以例如内置于系留平台或移动终端上。在一示例中，用户可以在车内进行航拍的控制以及可以实时查看由摄像装置所拍摄的图像。

下面来详细解释飞行器10的操作方式。

起飞

根据本发明的飞行器10的起飞模式可以至少包括动力起飞和拖曳起飞。在动力起飞的情况下，升力旋翼14在相应的电机的驱动下高速旋转，以产生垂直升力来驱动飞行器10垂直起飞。用于致动电机的电力可以由飞行器10内置的电池单元80提供，也可以由系留平台60经由系索51提供。动力起飞适用于飞行器10从静止的或低速移动的系留平台60起飞。并且，动力起飞适用于飞行器10以连接于系留平台60的方式起飞，也适用于飞行器10与系留平台脱开的方式自由起飞。此外，推力涵道13及其推力旋翼15如若是配置成可枢转的话(参见上文说明)，则可以在动力起飞时旋转至竖直定向，以便也为飞行器10提供垂直升力。

在拖曳起飞的情况下，飞行器10像放风筝那样被较高速度行驶的系留平台60拖曳着，从而通过切割空气流场而被空气流场作用以上扬力并进而逐渐升高。并且，在拖曳起飞的过程中，升力旋翼14和/或推力旋翼15不在电机的驱动下旋转，而是被空气流场致动并进而带动充当发电机的电机再生发电。

跟飞

根据本发明的飞行器10对于可移动的系留平台60的跟飞模式可以至少包括系留式跟飞和非系留式跟飞、也即自由跟飞。在系留式跟飞的情况下，飞行器10可以基于系留平台60的运动状况在拖曳发电模式与依靠自身动力系统飞行的动力模式之间切换，其中，拖曳发电模式适于系留平台平稳且速度较高的运动状况，而动力模式适于系留平台速度较低或运动不平稳、比如急剧或频繁地加减速和转弯的运动状况。

在自由跟飞的情况下，可以基于系留平台的实时运动数据(例如速度、加速度、运动方向、踏板数据、导航和/或路况数据等)和/或来自飞行器的操作人员的指令来控制飞行器10的飞行。

在推力涵道13及其推力旋翼15配置成可枢转的情况下，推力涵道13及其推力旋翼15可以在动力模式下旋转至水平定向，以便为飞行器10提供前进推力。

回收

根据本发明的飞行器10的回收模式可以至少包括自主回收和借助于回收系索51的牵拉回收。在自主回收的情况下，借助于对包括涵道12和13、旋翼14和15及其相关的电机的动力系统以及包括水平尾翼16和垂直尾翼17的姿态调整装置的控制而使飞行器10朝向目标回收位置飞行。

在牵拉回收的情况下，通过操作绞盘来收回系索51而使飞行器10被拉回到系留平台60处。

图4示出了根据本发明的一示例性实施例的用于控制飞行器10以实现飞行器10与可移动的系留平台60的稳定联动的方法的流程图。该方法尤其适用于飞行器对系留平台的系留式跟飞。

在步骤S10中，实时地采集系留平台60的当前运动学数据，所述运动数据可以包括系留平台方面的可能影响处于跟飞状态下的飞行器10的运动学状态和飞行姿态的任何适当的数据，包括但不限于：系留平台的运动速度，系留平台的运动加速度，系留平台的运动方向，系留平台的方向盘数据，和/或系留平台的踏板数据。

在步骤S20中，基于系留平台60的当前运动学数据计算飞行器10针对系留平台60的当前运动学状态的优化的运动学状态和/或飞行姿态的改变，所述优化的运动学状态和/或飞行姿态的改变应当能确保飞行器10与系留平台60保持稳定联动。

在步骤S30中，基于计算出的飞行器10的优化的运动学状和/或飞行姿态的改变确定用于操控飞行器10的控制数据；

在步骤S40中，基于所述控制数据控制飞行器的动力系统(包括涵道12和13、旋翼14和15及其相关的电机)和/或姿态调整装置(包括水平尾翼16和垂直尾翼17)，以使得飞行器10跟随系留平台的当前运动学状态地进行运动学状态和/或飞行姿态的实时调整。

根据本发明的方法实现了：使得飞行器总是能以平滑的飞行实现对系留平台的稳定的跟飞，而不会由于系留平台的加减速和/或转弯等操作而被系留平台剧烈地拉扯。

根据本发明，实现了：

-通过操作绞盘能调整飞行的高度；

-将跟随式飞行器创新性地设计为固定翼飞行器，并且基于车载场景进行针对性的设计，飞行器设计趋近于最优解；通过放风筝的理念来解决问题，整体设计趋近宽体的三角镖，极富未来感；

-考虑了飞行器和车辆的连接关系，增加了联动稳定性的设计以应对突然车速的改变；

-预留空间以可被改装；

-即使在没有与车辆连接的环境下也可以独立工作，滑行飞行依旧具有较高的效率；

-飞行器可以解除锁扣自由飞行；以及

-动力装置及系索装置位于飞行器的重心处，保持了稳定性。

尽管一些实施例已经被说明，但是这些实施例仅仅是以示例的方式予以呈现，而没有旨在限定本发明的范围。所附的权利要求和它们的等价形式旨在覆盖落在本发明范围和精神内的所有改型、替代和改变。