無人機的機翼的製作方法
2023-12-09 22:36:06
專利名稱：無人機的機翼的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於圖像採集應用，比如數字地形建模，即，用於諸如礦山之類的基礎設施規劃，諸如貧礦床之類的大型礦床的儲量計算，城建規劃，土地復墾或農業產業中的植被監測等的地形圖的數字製作的無人機。具有按照本發明的機翼的無人機也可用於其它應用，比如實時監視。本發明尤其涉及用於這種無人機的安全、抗衝擊並且可隨意處理的機翼的高效生產。
背景技術：
對於各種應用中的規劃和決策來說必不可少的地形數據可人工通過利用全球定位系統(GPS)收發器，攝影測繪術，地形掃描儀，LIDAR技術的現場測量來收集，或者可通過利用小型無人機系統(UAS)的機載高解析度數位照相機的圖像採集來收集。通常，需要具有分米精度或更高精度的網格密度。
儘管存在限制，不過地面勘測目前仍然是收集待模擬的地形的高程數據的常見方法。利用現有的GPS技術，地面勘測員一天能夠測量數十個點或者甚至數百個點。不過，這種人工的現場勘測要求人類可以接近的地形，從而可能危險。勘測員的在場可能與正在進行的操作衝突，和/或由於地形的性質，例如，礦區、施工區、存在由爆炸引起的倒塌建築物的地帶等，勘測員可能處於危險之中。由於可測量點的數目天生受限，因此利用地面地形勘測可獲得的解析度有限。解析度或細節層次只能通過增加人工測量來增大。當工程需要測量數千個點或者更多的點時，這些人工測量一般碰到可量測性的邊界。數據採集工作量隨預期的解析度，以及隨勘測的區域的大小而線性增大。結果，在許多情況下，人工現場勘測變得費用太高和太費時。LIDAR或者說光探測和測距是測量散射光的性質，以便得到遠程目標的距離的光學遙感技術。地面LIDAR技術，例如，固定掃描儀或移動掃描儀束縛於和地面勘測員相同的限制。此外，歸因於捕捉數據的角度，用於數字地形建模的圖像提取相當困難。利用飛機或直升機作為移動平臺，LIDAR允許3D地形測繪。對諸如精確的慣性導航系統之類的貴重設備的需求，以及所述設備在飛機中的集成限制了 LIDAR的適用性和市場佔有率。如上所述，人工現場測量的備選方案在於利用裝備高解析度照相機的無人機系統(UAS)的圖像採集。這種無人機能夠掃描預定的區域，並實時傳送拍攝的圖像(例如監視的情況下)，或者本地保存拍攝的圖像，以便以後處理。從起飛到著陸，可以完全自動地進行飛行。無人機一般具有100-300米的飛行高度，一般具有幾平方公裡的作用範圍，具有能夠利用分米解析度模擬地形的機載數位照相機。結果，在例如30分鐘的單次飛行期中，無人機可收集數十萬個測量點的數據。無人機通過平行掃描和連續交疊的照相機拍攝，掃描必須被建模的地形。地面控制站能夠監測飛行，最後還進行遠程圖像質量檢查。在地形測圖的情況下，收集的數據是標有拍攝照片的相應位置的GPS坐標的一組照片。照片的數目顯然取決於地形的大小和要求的解析度。用於圖像採集應用的小型無人機的設計人員要解決的技術問題是考慮到批量生產的大小和重量，堅固性，氣候和風敏感度，抗衝擊性，壽命，成本和複雜性。用於遠程圖像採集的現有無人機是Air Robotics的Airborne VehicleSystem(AVS)。從2009年8月5日起,在各種新聞稿中記述和描繪了 AVS。可通過以下URL,從網際網路檢索到這些新聞稿http://airrobotics. wordpress. com/AVS可以攜帶光電、紅外和化學傳感器，為監視和偵查應用提供某個區域的實時圖像。為了使AVS耐衝擊,Air Robotics開發了用重量輕的能量耗散材料製成的機身和尾翼組。如2009年8月7日的新聞稿舉例所示，AVS由剪裁(即，無模施工方法)的泡沫芯和保護板或保護層組成。重量輕的泡沫使AVS能夠攜帶更重的有效負載，而免於墜落。由於幾個原因,Air Robotics的AVS存在缺陷。首先,如Air Robotics的無模施
工方法中要求的，剪裁泡沫芯需要費時的人工生產步驟。換句話說，不能大批量地高效製造
Air Robotics的AVS。特別地，覆蓋AVS的泡沫芯的保護板或保護層的應用是使製造過程複雜的費時步驟。此外，當在民用領域中使用時，這種層疊或保護遮蓋物使AVS不安全。雖然Airborne的無人機看來通過了撞毀測試，不過在墜落的情況下，被AVS擊中的人、動物或物體會由于堅硬外層的碰撞而不能倖存，或者至少嚴重受傷。此外，Airborne的層疊泡沫芯不允許回收內部的昂貴電子設備，例如，高解析度數位照相機、電池等。機翼的壽命預期局限於數十次飛行，例如20-50次飛行，然而無人機攜帶的昂貴電子設備一般具有至少10倍於此的壽命。由於電池可被重新充電超過1000次，數位照相機具有超過幾千小時工作時間的耐用期，而控制電子設備具有10000小時或者更長的壽命，因此用於圖像採集應用的無人機內的電子設備目前能夠安全地經受住數百次，甚至可能數千次的飛行。總之，Air Robotics的AVS既複雜又製造費用高,在民用環境中不能安全地使用，並且不允許回收內部的昂貴電子設備，以便重新使用(只要所述電子設備的壽命允許的話)。2004年7月22日公布的佛羅裡達大學的PCT專利申請WO 2004/060743,「Bendable Wing for Micro Air Vehicle」描述另一種用於設計成裝備有供軍用圖像採集之用的靜態畫幅照相機和攝像機的無人機的機翼。如WO 2004/060743的圖I圖解所示，該機翼由被覆蓋一層或一片彈性材料，比如膠乳的肋形支承結構組成。這樣，該機翼被設計成抵抗飛行期間的向上撓曲，並且可按照飛機可被存放在軍事人員攜帶的緊湊的圓柱形體積中，例如存放在他們的背包中的方式向下彎曲。正如Air Robotics的AVS—樣，WO 2004/060743的機翼複雜，難以製造。支承結構的每根肋條必須描述飛機的準確形狀，於是必須人工生產。雖然基於該機翼的無人機可以摺疊，不過它不耐衝擊，並且對在民用環境中應用來說也不安全。薄的膠乳層或者替代的彈性層不能保護被墜落的飛機擊中的人或任何其它物體免受嚴重傷害。此外，該機翼不能容易地取下，從而取回飛機內的昂貴電子組件，以便重新使用。美國專利申請US 2004/0195438描述一種用發泡聚丙烯(EPP)製造的輕型、抗衝擊的飛翼玩具。通過嵌入EPP翼內的一個或多個翼梁軸，例如，安裝在翼內的細長的翼加強梁20，增大機身剛度。US 2004/0195438的飛翼玩具相當複雜，難以製造。一般來說，在費時並且勞動密集的無模步驟中，從EPP芯剪裁機翼。之後，如在US 2004/0195438的段落
中所述，在EPP翼中鑽出多個小孔，以便能夠安裝加強梁20。鑽孔和梁的安裝構成使飛翼玩具的批量生產複雜的額外步驟。在EPP中鑽孔和使梁穿過小孔的另一個缺陷在於EPP顆粒和梁之間不可避免地缺乏附著力。結果，梁能夠迴轉或者旋轉，導致飛翼玩具的強度、剛性和扭轉剛度不是最佳。另外注意，US 2004/0195438的飛翼玩具不適合於圖像採集或監視應用。它沒有容納圖像採集或監視電子設備的容器，於是生性更輕，從而不受可與用於圖像採集和監視應用的無人機面臨的那些約束比較的安全性和抗衝擊性約束。這種飛翼玩具不適合於圖像採集或監視應用的事實的另一種後果在於US2004/0195438的飛翼玩具未被設計成是可拆卸和可替換的，以便重新使用電子設備。法國專利申請FR 2920745,iiDrone Modulaire a Sous-Ensembles Detachables^描述一種無人機，所述無人機包含由發泡聚丙烯製成的機翼(圖I中的2)和細長的剛性條(圖2中的34)。具有用於容納圖像採集電子設備的容器(圖2中的5)的該無人機用於圖像採集應用。FR2920745的飛機包含多個組件，其中的一些組件可以拆卸，以便運輸，例如機 翼。這些可拆卸組件使飛機不太堅固，並且製造複雜。飛機的製造過程通常既複雜又費時。正如US 2004/0195438的飛翼玩具一樣，一般通過熱絲工藝，從EPP芯剪裁機翼，在EPP機翼中鑽出小孔之後，放置剛性條。這些步驟一般需要人工處理，於是不適合於批量生產。細長的剛性條34增大飛機的扭轉剛度，但是不構成防止各種變形的支承結構。作為該生產過程的結果，剛性條和機翼的EPP顆粒之間的附著力較差。於是，剛性條可以迴轉或旋轉。本發明的目的是提供一種用於圖像採集應用的無人機的機翼，所述機翼克服了現有解決方案的上述缺陷。更具體地說，本發明的目的是公開一種能夠大批量地低成本並且低複雜性地生產的機翼。本發明的另一個目的是公開一種耐衝擊並且安全地供民用領域使用的機翼和無人機。本發明的另一個目的是公開一種可容易地拆卸和隨意處置，從而能夠實現壽命一般比機翼大的昂貴電子組件，比如照相機、電池等的重新使用的低成本機翼。
發明內容
按照本發明，通過如權利要求I所述的適合於圖像採集或監視的無人機的單翼，實現了上述目的和解決了現有解決方案的缺陷，所述單翼包含-肋形框架；和-考慮到剛度和強度，在模塑期間在其中集成肋形框架的泡沫，所述泡沫具有容納電氣和/或電子組件的容器，所述泡沫至少在撞擊側，構成無人機的外層。從而，按照本發明的機翼是一種由提供剛度和強度的肋形框架，和充當電子設備的保護容器的泡沫組成的輕型結構。由於按照泡沫構成撞擊側，即飛機機身的前側和飛機機翼的前側的外層的方式，把肋形框架集成在泡沫中，因此泡沫增強了飛機的抗衝擊性，即，抵抗著陸期間，粗糙地面的撞擊，或者飛行期間，撞到的飛鳥或小型物體的撞擊的能力。更重要的是，衝擊吸收泡沫還使機翼安全，從而供民用領域之用。與在撞擊側具有硬質表面材料的傳統無人機相比，在被具有按照本發明的機翼的飛機碰撞(例如，在墜落之後)的情況下，人或動物受到致命傷或者嚴重受傷的機會，以及建築物或物體遭受相當大的破壞的機會被顯著減少。以按照本發明的機翼為基礎的本質上安全的無人機使嚴重破壞或傷害的風險降至最小。這是為民用或商業任務獲得飛行許可和保險的關鍵要求。在生產中，架設肋形框架。之後，利用模具，壓鑄泡沫，以圍繞和集成肋形框架和形成容器。這樣，生產過程變得不複雜，經濟有效，適合於批量生產。按照本發明的單翼適合於其中利用靜態數位照相機拍攝稍後處理的圖像的圖像採集應用，或者其中拍攝並實時傳送運動圖像的監視應用。按照如權利要求2所述的機翼的一個可選特徵，所述單翼是可拆卸和可更換的，而不處置所述電子組件。事實上，通過例如切割泡沫，能夠除去和更換按照本發明的機翼的優選實施例，而不存在電子組件的損失。具有肋形框架和泡沫的機翼具有數十次飛行的平均壽命，然而昂貴的電子設備，比如照相機、電池等的壽命至少大一個數量級。通常，這些電子組件具有 1000次飛行或者更多次飛行的壽命。儘管當前的無人機必須被整體處置，不過按照本發明的機翼的容器結構使得能夠除去和處置相對廉價的機翼，並替換以新機翼，從而回收昂貴的電子設備。按照本發明的機翼可包含容納容器的相當大的中央部分，和各自的前側構成泡沫的一部分的兩個側部。由於其較大的中央部分，在墜落的情況下的撞擊面較寬，其結果是局部撞擊被進一步降低。彈性泡沫和較寬的撞擊面的組合效果從而進一步提高了當機翼用在民用領域時的安全性，另外顯然改善了當在飛行期間被物體撞擊時，無人機的抗衝擊性。如權利要求3中所述，按照本發明的單翼中的容器視情況包含至少3個分隔間-容納電池的前部；-容納照相機的中部；和-容納電子控制電路的後部。這3個部分最好形成無人機的中央部分或者機身。通過把電池放置在前部中，把照相機放置在中部中，和把控制電路放置在後部中，顯著改善無人機的穩定性。具有按照本發明的機翼的無人機可在蒲福風級(Beaufort)高達6級的風中進行勘測操作。以按照本發明的吸收撞擊的堅固機翼結構為基礎的無人機的重量一般小於2千克,裝備有電動推進器。於是，容器可以包含容納電動機的第四部分，或者電動機可以和電子控制電路一起被放直在後部中。按照權利要求4限定的另一個可選特徵，按照本發明的單翼中的容器包含能夠接近電子組件的蓋子。這樣，能夠方便地修理或更換電子組件。通過螺絲釘、鉸鏈、片狀鉸鏈、扣鉤、夾具、彈簧等，或者它們的組合，可打開和關閉所述蓋子。如權利要求5中所述，按照本發明的單翼中的肋形框架可包含以下材料中的一個或多個-碳；-鋁；-玻璃纖維；-塑料；
-木材；和-複合材料。肋形框架的材料的選擇取決於重量限制、期望的堅固性、剛度、剛性、扭轉剛度等。肋條可具有圓形、橢圓形、矩形、I形或T形剖面。剖面的選擇受扭轉剛度或抗撓剛度要求影響。例如就I或剖面來說，將圍繞肋形框架固定模塑泡沫，從而不再能夠旋轉或迴轉。如權利要求6所述，按照本發明的機翼中的泡沫可包含下述材料中的一個或多個，或者它們的混合物-聚苯乙烯；-聚丙烯；-發泡聚丙烯(EPP)。 泡沫材料的選擇將取決於重量限制、其彈性或衝擊吸收能力、在注射模塑工藝中使用該材料的能力、其耐候性(weatherresistance)、預期壽命。通過利用不會喪失泡沫的彈性、衝擊吸收性的材料，刷塗或覆蓋表面，可以增強泡沫的耐候性。除了按照權利要求I所述的機翼之外，本發明還涉及一種按照權利要求7所述的無人機，所述無人機包含按照本發明的單翼，還在容器中包含-電池；-圖像採集電子設備；-控制電子設備；-引擎。事實上，按照本發明的無人機一般具有利用電池驅動的電動推進器。圖像採集電子設備可由各種傳感器組成。一個例子是高解析度數字靜態照相機，不過本發明顯然並不局限於此。控制電子設備應控制飛機的引擎和飛行方案，以及圖像採集電子設備。
圖I圖解說明按照本發明的機翼的實施例中的肋形框架；圖2圖解說明按照本發明的機翼的實施例中的泡沫；圖3圖解說明按照本發明的機翼的實施例中的肋形框架和泡沫的集成； 圖4圖解說明按照本發明的無人機的實施例。
具體實施例方式圖I表示為按照本發明的機翼的實施例提供堅固性、扭轉剛度和剛性的肋形框架結構100。肋形框架100由通過在相應接合點中的塑性T形件互連的圓形剖面的碳質肋條(carbon rib)組成。特別地，圖I中所示的肋形框架100由機頭肋101,通過塑性接合點連接到機頭肋101的前右舷肋102和前左舷肋103組成。肋形框架100還包含都通過塑性T形件，與前右舷肋102互連的右翼肋104和後右舷肋106。類似地，肋形框架100包含都通過第二塑性T形件，與前左舷肋103互連的左翼肋105和後左舷肋107。為了改善肋形框架100的扭轉剛度和剛性，右翼肋104和左翼肋105通過另外的碳質肋條108互連。另外，右翼肋104和左翼肋105都由通過第三和第四T形件互連的兩部分構成。這些T形件能夠安裝所述另外的肋條108。
在機翼的生產過程中，利用塑性接合點和T形件裝配肋條，以便產生肋形框架100。之後，在將在注射模塑工藝中使用的模具中架設肋形框架100，在所述注射模塑工藝中，肋形框架100被集成到泡沫機翼中。圖2中表示泡沫機翼200。泡沫機翼200由相對較寬的中央部分或機身201，右側部分202和左側部分203組成。通過模塑工藝，機身201、右側部分202和左側部分203形成單塊泡沫。本發明的備選實施例可被認為至少在衝擊側面上，即，機身201的前端204，右側部分202的前邊205和左側部分203的前邊206上，具有有彈性的基於泡沫的外表面，所述外表面使機翼抗衝擊和安全，從而供民用領域之用。圖3圖解說明模塑工藝的結果，即，肋形框架100在泡沫機翼200中的集成。圖3中看得見右翼肋104，左翼肋106，後右舷肋106和後左舷肋107。此外，圖3表示通過模塑工藝，在機翼200的機身中形成的3個分隔間或艙室。前艙室301將充當飛機的電池的容器。中艙室302將充當照相機或傳感器的容器。後艙室303將充當飛機的控制電子設備和電動推進器的容器。通過模塑實現的機翼的容器原理在碰撞或墜落的情況下，更好地保護昂貴的電氣和電子組件，在故障或損壞的情況下，允許接近、修理和替換這些組件，並且在 機翼受損或者達到其壽命的情況下，能夠回收電子設備，以用在另一個機翼中。如上概述的3個分隔間和電池、照相機和控制電子設備的相對位置還改善了預定用於圖像採集應用的無人機的穩定性。圖4至少表示按照本發明的以具有泡沫200和集成的肋形框架的機翼為基礎的無人機400。集成框架對應於圖I中的框架100，具有如上關於圖I所述的通過塑性接合點和T形件互連的肋條101，102，103，104，105，106，107和108。框架被嵌入具有用於電子設備的容器的泡沫200中。容器由容納電池的第一艙室301，容納照相機的第二艙室302和容納電動機和控制電子設備的第三艙室303組成。第二艙室302具有在泡沫底部的用於照相機的鏡頭的圓形小孔401。小孔401也是在模塑工藝中形成的，從而不會使製造過程複雜。雖然參考具體實施例，說明本發明，不過對本領域的技術人員來說，顯然本發明並不局限於上述例證實施例的細節，可以用眾多的變化和修改來具體體現本發明，而不脫離本發明的範圍。於是，在各個方面，當前的實施例都應被視為是例證性的，而不是對本發明的限制，本發明的範圍由附加的權利要求限定，而不是由上面的說明限定，在權利要求的等同物的含意和範圍內的所有變化意圖包含在權利要求中。換句話說，預期覆蓋在基本原理的範圍之內，並且在本專利申請中要求保護其本質屬性的任何修改、變化或等同物。另外，本專利申請的讀者應明白用語「包含」不排除其它元件或步驟，用語「一個」不排除多個，並且諸如計算機系統、處理器或者另一個集成單元之類的單個元件可以完成權利要求中記載的幾個裝置的功能。權利要求中的任何附圖標記不應被理解成限制所涉及的相應權利要求。當用在說明書中或者用在權利要求書中時，術語「第一」、「第二」、「第三」、「a」、「b」、「c」等用於區分類似的元件或步驟，未必描述順序或時間先後次序。類似地，採用術語「頂部」、「底部」、「之上」、「之下」等只是為了便於說明，未必表示相對位置。要明白在適當的情況下，這樣使用的術語是可互換的，本發明的實施例能夠依照本發明，按照其它順序，或者按照與上面說明或例示的定向不同的定向工作。
權利要求
1.一種用於圖像採集或監視的無人機(400)的單翼，所述單翼包括 -肋形框架(100);和 -泡沫(200)，在模塑期間在泡沫(200)中集成所述肋形框架(100)以獲得剛度和強度，所述泡沫(200)具有容納電氣和/或電子組件的容器(301，302，303)，並且所述泡沫(200)至少在撞擊側(204，205，206)構成所述無人機(400)的外層。
2.按照權利要求I所述的單翼， 在不去除所述電子組件的情況下，所述單翼是可拆卸並且可更換的。
3.按照權利要求I所述的單翼， 其中所述容器(301，302，303)包含至少3個分隔間 -容納電池的前部(301)； -容納照相機的中部(302);以及 -容納電子控制電路和發動機的後部(303)。
4.按照權利要求I所述的單翼， 其中所述容器包括使得能夠觸及所述電子組件的蓋子。
5.按照權利要求I所述的單翼， 其中所述肋形框架(100)包含以下中的ー個或多個 _碳; -鋁； -玻璃纖維； -塑料； -木材；以及 -複合材料。
6.按照權利要求I所述的單翼， 其中所述泡沫(200)包含以下材料中的一個或多個或者以下材料的混合物 -聚苯こ烯； -聚丙烯；以及 -發泡聚丙烯或EPP。
7.一種無人機(400)，所述無人機包括按照前述權利要求中的任何ー項所述的單翼，並且在所述容器中包含 -電池； -圖像採集電子設備； -控制電子設備；以及 -發動機。
全文摘要
一種適合於圖像採集、監視或其它應用的無人機(400)的單翼由肋形框架(100)和泡沫(200)組成，考慮到剛度和強度，在模塑期間在泡沫(200)中集成肋形框架(100)。泡沫(200)具有容納電氣和/或電子組件的容器(301,302,303)。泡沫(200)在撞擊側(204,205,206)，構成所述無人機(400)的外層。所述機翼能夠大批量地低成本並且低複雜性地生產，增大當用在民用領域時的抗衝擊性和安全性，並且可拆卸和隨意處理，從而能夠實現電氣和/或電子組件的重新使用。
文檔編號B64C3/24GK102858630SQ201180019780
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月9日 優先權日2010年4月19日
發明者M·M·范斯貝布魯克, P·H·科斯恩, M·W·范登布魯克 申請人:加特溫股份有限公司