可巡航救援投放机构、利用地面效应的可巡航救援飞行器

1.本实用新型属于飞行器领域，具体涉及一种利用地面效应的可巡航救援飞行器。

背景技术：

2.现代的溺水救援会使用多旋翼无人机抵近溺水者从空中投放救生装置，或者使用水面遥控救援机器人于水面展开救援。
3.多旋翼无人机以其操作简单，可靠性高，对场地要求低等优势占领了无人机领域的大量市场。但是其高能耗，续航能力差的特点导致其无法承担较远距离的救援工作。同时受限于飞行稳定性以及受到风向、风速、浪花等自然因素的影响，多旋翼无人机难以实现救援设备的精准投送。溺水事故中，溺水者无法在水中有效移动，因此采用多旋翼无人机空中投放救生装置的方案并不完全适宜溺水救援。
4.水面遥控救援机器人按照形状，主要分为“u”形（飞翼）、浮板形和船形结构。“u”形水域救援机器人多采用螺旋桨（带保护罩）推进，在壳体外周设置握把，普遍质量较轻，被困者握持性较好，正常姿态下转向较为灵活，且具有对称性，翻覆后可正常使用，但载重后速度较慢，姿态控制受被救人员影响较大。浮板形水域救援机器人主要采用螺旋桨（带保护罩）推进和涵道式螺旋桨推进，混合型材质居多，有较多握把。优点是适航性、承载力较好，缺点是体积、质量相对较大。船形水域救援机器人根据形状有小型“充气橡皮艇”式、小型半潜摩托艇式，多使用涵道式螺旋桨推进，适航性好，具备较好的灵活性，但结构较为复杂，体积、质量较大，不利于储运。

技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种可巡航救援投放机构及其构成的利用地面效应的可巡航救援飞行器，以解决现有技术中需要救援人员下水，救援成本高、危险性高的问题。
6.为解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：
7.一种可巡航救援投放机构，包括动力装置、投放装置，所述动力装置为投放装置提供动力，所述投放装置包括与动力装置连接的齿轮组、与齿轮组连接的齿条、由齿条带动的杠杆和撞针、与杠杆连接的触发绳、与触发绳连接的装有救生圈的触发器、自动舱门装置。
8.具体的，所述齿轮组包括固定于舵机座上的伞齿轮一、与伞齿轮一啮合的伞齿轮二、与伞齿轮二啮合的直齿轮三，直齿轮三的输出轴上对称设置有直齿轮一、直齿轮二，直齿轮一、直齿轮二分别啮合有齿条一和齿条二，直齿轮三为直齿轮一四分之一直径及齿数；所述齿条一和齿条二固定连接有固定件一，固定件一上设有尖齿用以在施加压力时锁紧齿条，其压力由固定于舵机座上的螺钉提供，固定件一上设置有螺孔，所述杠杆一、杠杆二活动连接于固定件一，所述舵机座下侧固定连接撞针。
9.进一步地，所述自动舱门装置包括左舱门、右舱门，所述左舱门、右舱门之间安装有与动力装置连接的推动杆一，左舱门、右舱门上还分别安装有沿推动杆一滑动的推动杆二。
10.进一步地，所述动力装置为舵机。
11.进一步地，所述齿条一、齿条二、杠杆一、杠杆二通过固定件一固定在投放装置的底座上；所述触发器通过固定件二固定在底座上；所述齿轮组通过固定件三固定在底座上。
12.一种利用地面效应的可巡航救援飞行器，还包括机身、机翼、动力供应装置、能源系统、输出控制系统、机舱,
13.所述机翼采用鸭翼结构设计；
14.所述动力供应装置包括电机，由前置两电机和后置电机组成三角形电机组，前置两电机由固定架固定在机头两侧，后置电机固定在机身靠后尾翼之前；
15.所述能源系统设置为双重动力；
16.所述输出控制系统设置为飞控搭配陀螺仪的方式调整飞机飞行姿态，使用电调调节电机转速控制飞机飞行速度，使用 ppm 接收机接受遥控器发射的信号，解调后将信号输出实现对各舵机和电机的控制；
17.所述机舱的设计为船型机舱。使飞行器能够漂浮在水面之上，从而实现水面起降。同时减小飞行器低速状态下在水面移动时的阻力，提高飞行器的能源利用率。
18.所述前置电机与后置两电机分开控制。前置电机与后置两电机分开控制，从而可以实现靠近溺水者时关闭后置电机，依靠前置双电机以低速航行接近溺水者，从而实现溺水救援的精准性。
19.所述双重动力包括在所述机翼上覆盖太阳能电池板，作为飞行器的主能源来源，在机身内配备锂电池作为后备能源。理论上可以实现100%的清洁能源利用，大幅度减少了日常巡逻过程中的使用成本。同时为了应对长时间的阴雨天气影响，我们也为其配备了锂电池作为后备能源，使其能够应对多种特殊天气情况下的应急救援。
20.本实用新型有如下有益效果：
21.1、不需要救援人员下水，解决了传统救援成本高、危险性高的问题；
22.2、创新性地将地面效应飞行器用于溺水救援，解决了传统水面遥控救援机器人救援速度慢的问题；
23.3、采用自主设计的投放方案，解决了多旋翼无人机投放精度差的问题；
24.4、机翼上搭载了太阳能板，提升了飞行器续航时间和搜救范围，同时更加节能。
25.考虑到目前市面上救援设备能耗大、速度慢、救援精准度差、能源利用率低等缺陷，本团队基于地面效应，提高飞机的升阻比，增大飞机效率，提高飞机飞行速度和能源利用率，三角形三电机动力组，提高气流阻塞作用，使飞机实际最高飞行速度可达110km/h，解决普通地效飞行器复杂情况下的起降能力和纵向机动能力不足、速度低等问题。使用全新的救援方式搭配胀气式救生圈和自主设计的投放装置，在飞行器起飞后拥有更小的阻力，能够快速接近溺水者。配合自主设计的投放装置也可以保证救援的准确度。
附图说明
26.图1为本实用新型中投放装置视角一的结构示意图；
27.图2为本实用新型中投放装置视角二的结构示意图；
28.图3为本实用新型中投放装置视角三的结构示意图；
29.图4为本实用新型中自动舱门装置视角一的结构示意图；
30.图5为本实用新型中自动舱门装置视角二的结构示意图；
31.图6为本实用新型中投放装置杠杆部分视角的结构示意图。
32.图中标记，1. 齿条一；2. 固定件一；3. 直齿轮一；4. 伞齿轮一；5. 固定件三；6. 伞齿轮二；7. 直齿轮二；8. 齿条二；9. 杠杆；10. 固定件二；11. 推动杆一；12. 推动杆二；13. 左舱门；14. 右舱门；15. 直齿轮三。
具体实施方式
33.如图1-图3所示，一种可巡航救援投放机构，包括动力装置、投放装置，所述动力装置为投放装置提供动力，所述投放装置包括与动力装置连接的齿轮组、与齿轮组连接的齿条、由齿条带动的杠杆9和撞针、与杠杆9连接的触发绳、与触发绳连接的装有救生圈的触发器、自动舱门装置。
34.所述齿轮组包括固定于舵机座上的伞齿轮一4、与伞齿轮一4啮合的伞齿轮二6、与伞齿轮二6啮合的直齿轮三15，直齿轮三15的输出轴上对称设置有直齿轮一3、直齿轮二7，直齿轮一3、直齿轮二7分别啮合有齿条一1和齿条二8，直齿轮三15为直齿轮一3四分之一直径及齿数；所述齿条一1和齿条二8固定连接有固定件一2，固定件一2上设有尖齿用以在施加压力时锁紧齿条，其压力由固定于舵机座上的螺钉提供，固定件一2上设置有螺孔，所述杠杆9一、杠杆9二活动连接于固定件一2，所述舵机座下侧固定连接撞针。
35.如图4-图6所示，所述自动舱门装置包括左舱门13、右舱门14，所述左舱门13、右舱门14之间安装有与动力装置连接的推动杆一11，左舱门13、右舱门14上还分别安装有沿推动杆一11滑动的推动杆二12。
36.所述动力装置为舵机。
37.所述齿条一1、齿条二8、杠杆9一、杠杆9二通过固定件一2固定在投放装置的底座上；所述触发器通过固定件二10固定在底座上；所述齿轮组通过固定件三5固定在底座上。
38.一种利用地面效应的可巡航救援飞行器，还包括机身、机翼、动力供应装置、能源系统、输出控制系统、机舱,
39.所述机翼采用鸭翼结构设计；
40.所述动力供应装置包括电机，由前置两电机和后置电机组成三角形电机组，前置两电机由固定架固定在机头两侧，后置电机固定在机身靠后尾翼之前；
41.所述能源系统设置为双重动力；
42.所述输出控制系统设置为飞控搭配陀螺仪的方式调整飞机飞行姿态，使用电调调节电机转速控制飞机飞行速度，使用 ppm 接收机接受遥控器发射的信号，解调后将信号输出实现对各舵机和电机的控制；
43.所述机舱的设计为船型机舱。使飞行器能够漂浮在水面之上，从而实现水面起降。同时减小飞行器低速状态下在水面移动时的阻力，提高飞行器的能源利用率。
44.所述前置电机与后置两电机分开控制。前置电机与后置两电机分开控制，从而可以实现靠近溺水者时关闭后置电机，依靠前置双电机以低速航行接近溺水者，从而实现溺水救援的精准性。
45.所述双重动力包括在所述机翼上覆盖太阳能电池板，作为飞行器的主能源来源，在机身内配备锂电池作为后备能源。理论上可以实现100%的清洁能源利用，大幅度减少了
日常巡逻过程中的使用成本。同时为了应对长时间的阴雨天气影响，我们也为其配备了锂电池作为后备能源，使其能够应对多种特殊天气情况下的应急救援。
46.本实用新型的设计原理
47.（1）地面效应
48.本产品主要应用地面效应，它是一种使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的流体力学效应：当运动的飞行器飞行高度距地面或水面很近时，整个飞行器体的上下压力差增大，升力陡然增加，在飞行时在机体下方会产生一个高压气垫层，机体的升阻比增大，飞行效率提高，减少能源消耗，能源利用率更高。于是，进一步的，在设计制作中我们采用全新鸭翼布局的机翼和三角形动力组，提高气流阻塞作用，从而增大飞行器的地面效应。因此本项利用地面效应的飞行器，与普通飞行器相比速度更快，能源利用率更高，有望成为水面快速救援设备的革命性产品。
49.2 机械设计
50.（1）机翼模型
51.对于地效翼型的优化，团队在进行大量的实验以及比较之后设计出了该种鸭翼结构，并对这种全新的鸭翼布局进行了仿真模拟。
52.地效优化翼型在自由来流和地面效应下的附近流场流线图，可以看到在地面效应的情况下由于地面边界的限制，翼型周围流线与地面趋于平行。相比于在自由来流的工况，更少的气流流过翼型的上表面，这是造成上表面气流速度降低，表面压力增加的主要原因。翼型自由来流与地面效应情况下的滞止流线可以看出，在地面效应条件下翼型滞止点向下表面移动，滞止点下移使翼型压差阻力减小。相对于普通飞机，地效飞行器的升力更大，飞行效率更高，速度更快，能源利用率更高。经相关理论计算以及实物测试得：本飞行器理论每公里消耗能量为 1.02
×
10^3kj，能源利用率可达 83%，相较救援用四旋翼无人机每公里能源消耗量减少了了 61.5%，航程提高了 50%，节能效果显著。
53.（2）动力供应装置
54.为解决低速航行时地面效应不明显的问题，我们使用三角形电机组提供动力。由前置两电机和后置电机组成。前置两电机由固定架固定在机头两侧，后置电机固定在机身靠后尾翼之前。两个前置双电机用于提供相对对流，给机翼提供相对较大的阻力，总而提升升力和载重能力，后置电机用与满足在低速航行的状态下，为后置三角翼提供流体，使翼效在低速的时候也能起到明显的控制作用，提高低速航行的稳定性，提高低速飞行状态下的飞行效率。前置电机与后置两电机可以分开控制，从而可以实现靠近溺水者时关闭后置电机，依靠前置双电机以低速航行接近溺水者，从而实现溺水救援的精准性。
55.飞行器的动力组合方法包括以下几个阶段：起飞、低速巡航、高速巡航。起飞时，三角形电机组全部打开，瞬时产生极强的动力和一定的升力，配合机翼产生升力，飞行器短距离快速起飞；实际使用时测得驶过起步前50m仅需1.48秒。
56.低速巡航状态时，后置电机关闭，两前置电机提供巡航状态的推力。
57.高速巡航状态时，后置电机完全开启，前置双电机由飞控控制保证飞机平稳飞行。
58.（3）能源系统设计
59.该飞机的能源动力方面，我们创新性的使用了双重动力的设计。使用太阳能电池板搭配锂电池的设计。在飞机机翼上覆盖太阳能电池板，作为飞行器的主要能源来源，理论
上可以实现100%的清洁能源利用，大幅度减少了日常巡逻过程中的使用成本。同时为了应对长时间的阴雨天气影响，我们也为其配备了锂电池作为后备能源，使其能够应对多种特殊天气情况下的应急救援。
60.（4）输出控制系统
61.使用飞控搭配陀螺仪的方式调整飞机飞行姿态，使用电调调节电机转速控制飞机飞行速度，使用 ppm 接收机接受遥控器发射的信号，解调后将信号输出实现对各舵机和电机的控制。
62.（4）投放装置
63.使用自主独立设计的投放装置，由一个舵机与齿轮、齿条、杠杆、撞针等组成。固定件一与齿条和杠杆一，杠杆二固定连接。固定件二固定住胀气式救生圈上的黑小盒，触发绳挂在杠杆二上。固定件三将齿轮组固定在底座上。使用时舵机带动伞齿轮一转动90
°
，经过伞齿轮二、直齿轮一、直齿轮二等组成的齿轮组，形成并放大沿齿条方向的线运动，齿条运动时带动固定件一和杠杆一、杠杆二撞向撞针，并且拉动触发绳。救生圈触发器触发，小黑盒上开关弹开并且从固定件二上掉落，救生圈打开。于此同时，杠杆一的端口一撞向撞针，带动端口二向下旋转。释放杠杆二，使其可以旋转，挂在杠杆二上的触发绳掉落，触发装置完全掉落。舱门同时打开，救生圈被投放出机舱，但此时仍通过绳索与飞行器相连。
64.（5）机舱设计
65.使用船型机舱设计，使飞行器能够漂浮在水面之上，从而实现水面起降。同时减小飞行器低速状态下在水面移动时的阻力，提高飞行器的能源利用率。
66.我们为其设计了全自动舱门装置，投放时，投放装置推动杆1沿杆2滑动，将舱门右推开，救生圈从机舱中滑落，但仍有绳与飞行器相连。
67.3.救援方式
68.目前市场常见的特种装备的救援方式有多旋翼无人机抵近溺水者从空中投放救生装置，或者使用水面遥控救援机器人于水面展开救援两种。本项发明结合其优点设计了全新的救援方式。
69.待命状态下，未打开的胀气式救生圈被存储在本飞行器的机舱中。溺水事件突发后，飞行器从水面快速起飞，以80km/h以上的高速快速飞向溺水者。在接近溺水者10~15米时，启动投放装置，胀气式救生圈被打开丢至水面，但仍与飞行器以绳索形式连接。同时，飞行器减速，前置电机关闭，飞行器重新回到水面，依靠后置双电机低速驶至溺水者，溺水者抓获救生装置后，飞行器再将其带至水面。救援人员无需下水便可完成救援。本项发明同时具有了现有装备无法同时具备的救援准确性以及高效性。同时本发明还具有更强的安全性与便携性。
70.本发明和现有技术相比，能够实现以下有益的效果：
71.1、高速：现阶段水上救援设备主要为救援艇、冲锋船、多旋翼救援无人机等，均普遍存在救援速度过慢的缺点，而溺水者最佳救援时间只有短短的几分钟。我们的地面效应飞行器采用先进的机翼设计、高转速小扭矩的电机。巡航状态下飞行器能够以至少70km/h的速度在近水面低空飞行，与传统水面救援设备相比，地效飞行器具有较为明显的救援速度优势。
72.我们采用前置双电机搭配电机转动装置，用于提供相对对流。副电机可以转动，往
机翼底下送风，使其在低速情况下也能具有一定的地面效应，可以实现短距离甚至是直接垂直起飞。
73.2、经济，成本较低：与现有救援艇等救援设备相比，传统橡皮艇成本在一至五万元不等，我们使用多种环保可回收材料，成本控制在2000元左右，在具有绿环保的优点同时结构简单耐用，也为维修量产等方面提供了优势。
74.3、载重量大，运行效率高：本团队采用三电机组，使得启动拉力达到更高水平。自主创新设计的动力系统与翼型分布，较小推重比和较高效率的动力系统，能够更好的利用地面效应提高飞行器的运行速度，同时又利用桨叶带来的额外的气流提高运行效率。
75.4、稳定，适用范围广：利用陀螺仪，速度计优化了飞机的稳定性，利用自主调参的飞控来控制飞机的近水面迎风姿态，利用陀螺仪，速度计来优化飞机的稳定性，利用大面积副翼及三角翼控制逻辑，达到一个平稳飞行的条件。使其在一定的恶劣环境下，适应一定的风速，能够达到安全使用标准。相较于现有多旋翼无人机的难以接近水面的问题，地效可近水面工作，能够适应所需应用场所。
76.5、救援效率高，可精准实施救援：目前的使用投抛等方法投放救生圈等救援物资，存在投抛距离短，物资难以精准投放到溺水者身旁等问题。以我们的新型地效飞行器为载体，可以搭载gps定位装置、图传系统等装置，能够更好的进行水面监管和水面救援任务，而我们设计的地面效应飞行器所采用的特殊翼型可
77.以解决载重的问题和定点投放的问题。
78.6、体积小，质量轻，易于携带：传统救援设备较为笨重，不够便捷。本产品大量使用环保的材料，使飞行器在具有相当强度的同时质量较轻，体积小，大小相当于一个大型救生圈，方便救援人员携带。
79.7、安全性高：多旋翼无人机救援容易对溺水者造成二次伤害，所以我们飞行器在设计时将桨的位置设计得离水较高，安全系数较高；且为了减少撞人的事情发生时带来的伤害，我们将机翼分成了两部分，其外部受冲力影响时容易折断，从而能够缓解大部分的冲力使其在在撞人情况下，可以极大的缓解人员的损伤。同时飞行器材质相对较软，保证了产品的安全性。
80.8、节能、续航能力强：和一般无人机能耗大相比，地效的鸭翼结构、船型机舱，使得地效飞行器飞行效率更高，速度更快，能源利用率更高。在普通航行时飞机所受的阻力大概是高速航行时的 70%，经相关理论计算以及实物测试得：本飞行器理论每公里消耗能量为 1.02
×
10^3kj，能源利用率可达 83%，相较救援用四旋翼无人机每公里能源消耗量减少了了 61.5%，航程提高了 50%，节能效果显著。且本飞行器搭载了太阳能板，在非长时间阴雨天气下，完全可以实现100%使用太阳能，实现0碳排量，0污染。

技术特征：

1.一种可巡航救援投放机构，其特征在于，包括舵机座，安装在舵机座上的动力装置、投放装置，所述动力装置为投放装置提供动力，所述投放装置包括与动力装置连接的齿轮组、与齿轮组连接的齿条、由齿条带动的杠杆和撞针、与杠杆连接的触发绳、与触发绳连接的装有救生圈的触发器、自动舱门装置。2.根据权利要求1所述的可巡航救援投放机构，其特征在于，所述齿轮组包括固定于舵机座上的伞齿轮一、与伞齿轮一啮合的伞齿轮二、与伞齿轮二啮合的直齿轮三，直齿轮三的输出轴上对称设置有直齿轮一、直齿轮二，直齿轮一、直齿轮二分别啮合有齿条一和齿条二，直齿轮三为直齿轮一四分之一直径及齿数；所述齿条一和齿条二固定连接有固定件一，固定件一上设有尖齿用以在施加压力时锁紧齿条，其压力由固定于舵机座上的螺钉提供，固定件一上设置有螺孔，所述固定件一活动连接有杠杆一和杠杆二，所述舵机座下侧固定连接撞针。3.根据权利要求2所述的可巡航救援投放机构，其特征在于，所述自动舱门装置包括左舱门、右舱门，所述左舱门、右舱门之间安装有与动力装置连接的推动杆一，左舱门、右舱门上还分别安装有沿推动杆一滑动的推动杆二。4.根据权利要求3所述的可巡航救援投放机构，其特征在于，所述动力装置为舵机。5.根据权利要求4所述的可巡航救援投放机构，其特征在于，所述齿条一、齿条二、杠杆一、杠杆二通过固定件一固定在投放装置的底座上；所述触发器通过固定件二固定在底座上；所述齿轮组通过固定件三固定在底座上。6.一种利用地面效应的可巡航救援飞行器，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的可巡航救援投放机构，还包括机身、机翼、动力供应装置、能源系统、输出控制系统、机舱,所述机翼采用鸭翼结构设计；所述动力供应装置包括电机，由前置两电机和后置电机组成三角形电机组，前置两电机由固定架固定在机头两侧，后置电机固定在机身靠后尾翼之前；所述能源系统设置为双重动力；所述输出控制系统设置为飞控搭配陀螺仪的方式调整飞机飞行姿态，使用电调调节电机转速控制飞机飞行速度，使用 ppm 接收机接受遥控器发射的信号，解调后将信号输出实现对各舵机和电机的控制；所述机舱的设计为船型机舱。7.根据权利要求6所述的利用地面效应的可巡航救援飞行器，其特征在于，所述前置两电机与后置两电机分开控制。8.根据权利要求7所述的利用地面效应的可巡航救援飞行器，其特征在于，所述双重动力包括在所述机翼上覆盖太阳能电池板，作为飞行器的主能源来源，在机身内配备锂电池作为后备能源。

技术总结

本实用新型涉及可巡航救援投放机构、利用地面效应的可巡航救援飞行器，包括舵机座，安装在舵机座上的动力装置、投放装置，所述动力装置为投放装置提供动力，所述投放装置包括与动力装置连接的齿轮组、与齿轮组连接的齿条、由齿条带动的杠杆和撞针、与杠杆连接的触发绳、与触发绳连接的装有救生圈的触发器、自动舱门装置。本申请解决了传统救援成本高、危险性高的问题。性高的问题。性高的问题。