一种组合分布式无人机及其组合结构
技术领域
本实用新型涉及无人机技术领域，更具体的说是涉及一种组合分布式无人机及其组合结构。
背景技术
现有的运输业，如快递行业，在投递和分发的起始和目的环节中，往往采用汇集，到分发中心集中运输后分散派送的形式，劳动方式以人工拾取和派送为主，工人劳动量巨大，且运送效率较低，在广大偏远的地区，更为如此。
为了解决这个问题，人们提出了许多方案，其中之一为使用无人机派送和收件的方式，但该方案存在一些问题，他们选取的无人机均为轻型无人机，载重较小航程较短，无法满足大范围空域的派送任务，如采取中间降落充电的方法，会导致巨额的充电装置建设成本，且时间花销巨大。如采取大型无人机，又存在起降场地限制，条件不足，效费比低的缺点。
因此，如何提供一种运输方便，且能满足不同劳动量需求的无人机结构，是本领域技术人员亟需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种组合分布式无人机，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种组合分布式无人机，包括：无人机本体、主控系统、能量管理系统、指令接收系统、飞行控制系统和对接分离系统；
所述无人机本体包括机身、固定翼、折叠翼和对接机构；所述机身两侧与所述固定翼平滑过渡一体成型；所述折叠翼与所述固定翼的端面铰接；所述对接机构设置在所述固定翼与所述折叠翼对接的端面上；
所述主控系统设置于所述机身内部，且分别与所述能量管理系统、所述指令接收系统、所述飞行控制系统和所述对接分离系统电性连接；
所述能量管理系统设置于所述机身内部，且用于提供飞行动力；
所述指令接收系统设置于所述机身内部，且用于控制飞行路线；
所述飞行控制系统设置于所述机身内部，且用于控制飞行姿态；
所述对接分离系统设置于所述固定翼与所述折叠翼对接的端面上，且用于控制所述对接机构与相同的所述无人机本体的所述对接机构连接。
通过上述技术方案，本实用新型提供的无人机用于快递等空中运输行业的起始收件和末端派送环节，既能够通过单个无人机进行输送，又能够利用众多无人机自由组合成大无人机进行干线运输和支线分离派送，结合分布式飞机的增升优势，实现货物的快捷高效的空中运输。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述对接机构包括X轴转动舵机、外框、Y轴转动舵机、内杆、微调螺旋桨、电磁铁和磁铁；所述X轴转动舵机固定在所述固定翼内部顶面；所述外框位于所述固定翼内部，且其边沿与所述X轴转动舵机的动力输出端连接；所述Y轴转动舵机固定在所述外框的侧边上；所述内杆位于所述外框内部，且一端与所述Y轴转动舵机的动力输出端连接；所述微调螺旋桨与所述内杆的另一端转动连接；所述电磁铁固定在所述固定翼的铰接端；所述磁铁固定在所述折叠翼的铰接端，且与所述电磁铁对应。
本实用新型提供的无人机本体在空中组合过程中，需要彼此相互靠近，在复杂的气流环境中，靠近定位，连接和分离是极其困难的。其工作流程如下：各单元无人机本体在GPS或北斗等指令接收系统和飞行控制系统的控制下，进行飞行初步编队，折叠翼展开，各连接部位在空中初步对准，随后微调螺旋桨启动，进而控制微调螺旋桨的推力矢量，使无人机本体彼此精准相互靠近，定位对准完成后，通过电磁铁带电吸合，使各无人机本体形成整体。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述固定翼的铰接端安装有折叠减速步进电机；所述折叠减速步进电机用于驱动所述折叠翼围绕所述固定翼的铰接端转动。有效实现折叠翼和固定翼之间的分离和对接。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述机身头部转动连接有螺旋桨。螺旋桨转动产生拉力，克服飞行阻力，螺旋桨由电机或微型内燃机驱动。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述固定翼和所述折叠翼的尾部转动连接有舵面，所述舵面的转动控制电机与所述飞行控制系统电性连接。舵面能够对飞行姿态进行控制。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述能量管理系统为电池提供电能或燃油提供动能。能够有效实现无人机的能源供给。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述机身的截面为椭圆形，且与所述固定翼光滑过度。无人机整体气动形式为翼身融合加折叠翼布局，机身为椭圆结构与机翼光滑过渡，机身内部为封闭货舱，飞行稳定性更高。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，所述机身顶面开设有多个通孔，且所述通孔内部转动连接有角度可调整的旋翼。能够有效提供飞行动力，并控制飞行姿态。
一种组合分布式无人机的组合结构，包括多个无人机本体，所述无人机本体的所述折叠翼折叠向下，且多个所述无人机本体的所述固定翼端面通过所述对接机构连接形成一字型的一体结构。
优选的，在上述一种组合分布式无人机中，多个所述无人机本体连接后，多个所述无人机本体的所述主控系统通过WiFi实现相互之间的数据通信。能量管理系统能够实现各台无人机间的燃油和电量智能分配，实现总体飞行任务，指令接收系统完成整体无人机的路线制定，飞行控制系统实现整体无人机飞行路线和姿态的控制，对接分离系统用于实现无人机间的交汇对接和分离。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种一种组合分布式无人机及其组合结构，具有以下有益效果：
1、本实用新型针对传统运输业劳动量大，效率较低的运输模式，在前人无人机空中运输的基础上，改进了单一小型无人机航程短，留空时间长的困难，提出组合式无人机的方案，从气动原理上，增加了无人机的展弦比，利用了分布式电推进飞机的多螺旋桨增升效应，较大程度的提高了组合无人机的升阻比特性，达到了1+1+1+…+1>n的效果，同时自由组合的形式也增加了运输行业的灵活性，使载荷自由分布，充分的利用了现有的无人机性能。
2、在单一无人机的基础上，单元体进行彼此组合，将各自的子系统并联成大系统，使得总体系统的性能达到了几何数量级的提高，无人机的故障率急剧下降，例如通过卡尔曼滤波等综合方法，可将各单元体的IMU数据综合计算，数据的精度和可靠性得到显著提高，同时，单一无人机的故障部分的功能可由其他单元体进行替代，不影响总体效能。在单元体间，协调系统也可将电能等资源进行灵活分配，实现资源的最大化利用。由此飞行的安全性和无人机的可靠性相比较于单一无人机得到显著提升。
3、在空中组合方式上，采用了先由每个无人机本体的舵面进行粗略调整每个无人机本体的位置和姿态后，通过摄像头进行位置图像识别，再通过机翼内部的矢量微调螺旋桨进行精细对准操作，图像位置反馈的形式有效的保证了对接的及时性和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本实用新型提供的实施例1的无人机本体的主视图；
图2附图为本实用新型提供的实施例1的无人机本体的俯视图；
图3附图为本实用新型提供的实施例1的对接机构的结构示意图；
图4附图为本实用新型提供的实施例1的多个无人机本体连接结构的主视图；
图5附图为本实用新型提供的实施例1的多个无人机本体连接结构的俯视图；
图6附图为本实用新型提供的实施例1的系统连接示意图；
图7附图为本实用新型提供的电气结构框图；
图8附图为本实用新型提供的实施例2的无人机本体的俯视图。
其中：
1-无人机本体；
11-机身；
111-通孔；
112-旋翼；
12-固定翼；
13-折叠翼；
14-对接机构；
141-X轴转动舵机；
142-外框；
143-Y轴转动舵机；
144-内杆；
145-微调螺旋桨；
146-电磁铁；
148-折叠减速步进电机；
15-螺旋桨；
16-舵面；
2-主控系统；
3-能量管理系统；
4-指令接收系统；
5-飞行控制系统；
6-对接分离系统。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1：
参见附图1至附图3和附图6至附图7，本实用新型实施例公开了一种组合分布式无人机，包括：无人机本体1、主控系统2、能量管理系统3、指令接收系统4、飞行控制系统5和对接分离系统6；
无人机本体1包括机身11、固定翼12、折叠翼13和对接机构14；机身 11两侧与固定翼12平滑过渡一体成型；折叠翼13与固定翼12的端面铰接；对接机构14设置在固定翼12与折叠翼13对接的端面上；
主控系统2设置于机身11内部，且分别与能量管理系统3、指令接收系统4、飞行控制系统5和对接分离系统6电性连接；
能量管理系统3设置于机身11内部，且用于提供飞行动力；
指令接收系统4设置于机身11内部，且用于控制飞行路线；
飞行控制系统5设置于机身11内部，且用于控制飞行姿态；
对接分离系统6设置于固定翼12与折叠翼13对接的端面上，且用于控制对接机构14与相同的无人机本体1的对接机构14连接。
为了进一步优化上述技术方案，对接机构14包括X轴转动舵机141、外框142、Y轴转动舵机143、内杆144、微调螺旋桨145、电磁铁146和磁铁； X轴转动舵机141固定在固定翼12内部顶面；外框142位于固定翼12内部，且其边沿与X轴转动舵机141的动力输出端连接；Y轴转动舵机143固定在外框142的侧边上；内杆144位于外框142内部，且一端与Y轴转动舵机143 的动力输出端连接；微调螺旋桨145与内杆144的另一端转动连接；电磁铁 146固定在固定翼12的铰接端；磁铁固定在折叠翼13的铰接端，且与电磁铁 146对应。
为了进一步优化上述技术方案，固定翼12的铰接端安装有折叠减速步进电机148；折叠减速步进电机148用于驱动折叠翼13围绕固定翼12的铰接端转动。
为了进一步优化上述技术方案，机身11头部转动连接有螺旋桨15。
为了进一步优化上述技术方案，固定翼12和折叠翼13的尾部转动连接有舵面16，舵面16的转动控制电机与飞行控制系统5电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，能量管理系统3为电池提供电能或燃油提供动能。
为了进一步优化上述技术方案，机身11的截面为椭圆形，且与固定翼12 光滑过度。
需要进一步解释说明的是：
无人机的主控系统2为“Raspberry Pi基金会”开发的树莓派微型主控。
以主控系统2为核心，周围分别分布着能量管理系统3、指令接收系统4、飞行控制系统5和对接分离系统6。
其中：
能量管理系统3：核心为宏晶公司生产的STC15F2K60单片机，其主要通过uart串口接收来自树莓派的电源分配指令，随后驱动mos管阵列。mos管阵列的输入为：(1)来自其他无人机的线缆，(2)充电接口。输出为：本无人机其他供电设备。通过mos管的导通，分别选择24V和15V电池的接入和输出，当本无人机为其他无人机充电时，24V电池作为输出，当其他无人机为本无人机充电时，15V电池作为输入。
指令接收系统4：主要使用稳恒科技公司型号为USR-LTE-7S4 V2的4G透传模块，通过4G透传模块接入4G网络，接收来自本部服务器的航路指令后，通过uart串口发送到树莓派，树莓派根据指令和当前位置，进行航路控制，树莓派产生的数据也通过uart串口向4G透传模块发送，并经4G网络向服务器发送。
飞行控制系统5：无人机自身的位置、姿态则由MPU9250加速度+陀螺仪+罗盘+高度计及中科微电子的AT6558R北斗/GPS双模定位模块测得，通过i2C 接口发送到树莓派，经树莓派内的导航程序进行解算，获得当前位置、高度、姿态、速度等信息。
对接分离系统6：核心为意法半导体公司的STM32F746微处理器。
X轴转动舵机141和Y轴转动舵机143均由PWM控制。
对接机构14还包括OV7670摄像头，用于确定两对接部分的相对位置。
系统工作流程如下：STM32F746微处理器通过i2C接口，接收来自树莓派的对接指令，随后断开电磁铁146，驱动折叠减速步进电机148，使机翼折叠。驱动OV7670对目标定位的二维码和标识进行拍照，随后经图像处理，获得相对位置偏差，根据偏差信号，驱动两个PWM控制的X轴转动舵机141和Y 轴转动舵机143，转动外框412和内杆144，即X轴和Y轴，控制微调螺旋桨 145的拉力矢量，使对接部分对准并靠近，两电磁铁146靠近后，微处理器驱动电磁铁146吸合，无人机对接的部分结合。
各无人机于自身的WIFI局域网内相互连接，进行通信。
实施例2：
参见附图8，本实施例与实施例1的不同之处在于：机身11顶面开设有多个通孔111，且通孔111内部转动连接有角度可调整的旋翼112。
实施例1的每一个无人机本体1的结构都是相同的，即以标准化生产的运输无人机，这种模式可以大批量生产，分摊研发成本，从而使得整套系统成本特别小，可以很方便地走入各个快递公司中。但是单一构型无人机本体1 的货舱是固定的，无法灵活地适应货物的尺寸，在大型货物的运载上，只能采取吊装的形式，严重地破坏了无人机的气动外形，阻力增大。故而，在设计组合形式上，提供了本实施例的方案，设计尺寸规格为小中大三种规格的无人机，接口形式与实施例1相同，以适应不同规格的货物运输要求。
在实施例1中，单元体的构型均为固定翼构型，在投递货物时，只能采取空投降落的形式，有些目的地无法满足投递条件，无人机的使用受到限制。为此，我们提出了本实施例的倾转旋翼构型的替代方案，在旋翼模式下，三个旋翼112在机身11内水平布置，推力垂直向上克服无人机本体1的重力，实现垂直起降，达到一定高度后，旋翼112绕倾转轴逐渐向前倾转90度，旋翼112竖直，旋翼112推力向后克服无人机本体1的阻力，无人机本体1成为固定翼模式。无人机本体1的气动布局与实施例1相同，结构也相同，连接和对接机构14均相同，不同之处在于在机身11内安装3个旋翼112，实现在旋翼和固定翼模式间切换。
本实施例的其它结构与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例3：
参见附图1至附图7，本实施例在实施例1和实施例2提供的无人机本体 1的基础上进行组合：
一种组合分布式无人机的组合结构，包括多个无人机本体1，无人机本体 1的折叠翼13折叠向下，且多个无人机本体1的固定翼12端面通过对接机构 14连接形成一字型的一体结构。
为了进一步优化上述技术方案，多个无人机本体1连接后，多个无人机本体1的能量管理系统2、指令接收系统3、飞行控制系统4和对接分离系统 5均电性连接。
从整体气动布局上，将无人机本体1的外形设计为飞翼布局，包括机身 11和固定翼12，机身11和固定翼12光滑过渡，在飞行过程中，机身11也产生大部分升力，在相同的起飞重量下，提高无人机本体1的航程和留空时间。无人机本体1主要由舵面16来控制，通过左右同时向下和向上提高俯仰力矩，左右反向提供滚转力矩，左右开合提供偏航力矩。机身11、固定翼12 和折叠翼13由复合材料制成，机身11前部安装螺旋桨15，螺旋桨15转动产生拉力，克服飞行阻力，螺旋桨15由电机或微型内燃机驱动。
本方案最大的技术创新点和难点在于组合机构，在分离状态，即图1和图2，无人机本体1单元单独飞行，折叠翼13展开，内外段依靠对接机构14 锁死，机翼达到最大展长。在此需要说明的是，对接机构14中的电磁铁146 不仅用于无人机本体1之间的连接，还用于固定翼12和折叠翼13之间的连接，因此，折叠翼13与固定翼12对接的端面上具有相应的磁铁。在组合状态，即图4和图5，每个无人机本体1单元体的左右机翼的折叠翼13和固定翼12解开，在折叠减速步进电机148的作用下，折叠翼13向下折叠，无人机本体1在飞行控制系统4的控制下，固定翼12彼此相互连接，组合成为一整体。同时，下折的折叠翼13在无人机本体1中形成倒V型尾翼，为无人机本体1整体提高俯仰和偏航操纵，无人机本体1的操纵性得到显著提高。在组合和分离前，安装在无人机本体1内的各个能量管理系统2协同处理构成电池或燃油等能量管理总系统，根据每个子单元的载荷和任务飞行距离，智能分配能量给各个单元，载重大和任务远的单元获得较多的能量。
在本实施例中，无人机本体1在空中组合过程中，需要彼此相互靠近，在复杂的气流环境中，靠近定位，连接和分离是极其困难的。整体的工作流程如下：各单元无人机本体1，在GPS或北斗等指令接收系统3和飞行控制系统4的控制下，进行飞行初步编队，折叠翼13展开，各连接部位在空中初步对准，随后微调螺旋桨145启动，摄像头获得相对位置信息后控制微调螺旋桨145的外框142和内杆144，进而控制微调螺旋桨145的推力矢量，使无人机本体1彼此精准相互靠近，定位对准完成后，电磁铁146相互吸附，使各无人机本体1形成整体，通信和电气线缆相互连接。
软件层次主要由主控系统2的树莓派主控调度。在编队中，选取存储电能最高的无人机作为核心，其通过自身的WIFI模块，建立一个WIFI无线局域网，其他无人机通过WIFI接入这个局域网，与核心无人机通信，并接收指令，同时报告信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
