一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的制作方法

[0001]
本发明涉及高功率激光技术领域，特别是涉及一种一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统。


背景技术：

[0002]
在采用高功率激光进行高压电力线路清障、“低慢小”飞行器反制等应用领域中，如果能够将激光源与发射装置搭载到无人机上抵近目标操作，不仅可以降低激光器的功率，还可以大幅降低目标探测与跟瞄系统的精度和复杂性。但若将现有的商用激光器直接安装到商用无人机上，体积重量旁大，需要大载荷无人机作为平台，成本高。


技术实现要素：

[0003]
基于此，有必要提供一种体积小的一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统。
[0004]
一种一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统，所述一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统包括：光纤激光器；热管理设备，用于对所述光纤激光器进行散热，所述热管理设备与所述光纤激光器固定连接，且所述热管理设备叠设在所述光纤激光器的上方或下方，并使所述热管理设备与所述光纤激光器之间形成有夹层，所述光纤激光器与所述热管理设备配合并同时复用为无人机的机身；多个旋翼，每个所述旋翼均具有支撑臂以及与所述支撑臂连接的螺旋桨，每个所述旋翼的所述支撑臂的一端均固定穿设于所述夹层中，且所有的所述旋翼的所述螺旋桨呈环状布置在所述光纤激光器和/或所述热管理设备的周围；跟瞄发射设备，与所述光纤激光器和/或所述光纤激光器固定连接，且所述跟瞄发射设备与所述光纤激光器光路连通；以及供电设备，位于跟瞄发射设备的u形转接件间，用于为光纤激光器或/和无人机供电。
[0005]
在其中一个实施例中，所述光纤激光器包括呈扁平盒状结构的外壳、设置于所述外壳内的热沉、以及设置于所述热沉上的激光源组件。
[0006]
在其中一个实施例中，所述热沉为环形，所述激光源组件包括设置于所述热沉的其中一面的多个半导体泵浦激光器、以及设置于所述热沉的另一面的光纤元器件，所述光纤元器件的激光输出端与所述跟瞄发射设备光路连通。
[0007]
在其中一个实施例中，多个所述半导体泵浦激光器呈辐射状分布于所述热沉的其中一面。
[0008]
在其中一个实施例中，所述外壳包括上盖板、侧面板以及下盖板，所述热沉的外周侧和/或内周侧设置有沿所述热沉的周向间隔排布的多个支撑柱，所述支撑柱的两端分别与所述上盖板以及所述下盖板连接，所述侧面板连接在所述上盖板以及下盖板之间。
[0009]
在其中一个实施例中，所述热管理设备包括呈扁平盒状结构的蓄冷箱、设置于所述蓄冷箱内的第一流道、以及设置于所述第一流道内的相变蓄冷体，所述第一流道用于装载循环冷媒；
[0010]
所述光纤激光器内设有第二流道，所述第二流道的进口与所述第一流道的出口连
通，所述第二流道的出口与所述第一流道的进口连通。
[0011]
在其中一个实施例中，所述热管理设备还包括水泵，所述光纤激光器内还设置有与所述水泵电性连接的温度传感器，所述水泵的进口与所述第二流道的出口连通，所述水泵的出口与所述第一流道的进口连通。
[0012]
在其中一个实施例中，所述跟瞄发射设备包括万向架、光纤准直器、图像捕捉器件以及控制器，所述万向架与所述光纤激光器和/或所述热管理设备连接，所述光纤准直器以及所述图像捕捉器件均设置于所述万向架上，所述万向架以及所述光纤准直器均与所述控制器电性连接，且所述光纤准直器与所述光纤激光器光路连通。
[0013]
在其中一个实施例中，所述万向架包括与所述光纤激光器和/或所述热管理设备固定连接的转接件、设置在所述转接件上的方位电机、与所述方位电机驱动连接的连接架、设置于所述连接架上的俯仰电机，所述光纤准直器与所述图像捕捉器件固定连接成一组件，且该组件与所述俯仰电机驱动连接；
[0014]
所述方位电机用于对所述组件在第一方向的角度进行控制，所述俯仰电机用于对所述组件在第二方向的角度进行控制，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。
[0015]
在其中一个实施例中，所述光纤激光器设置于所述热管理设备的下方，所述转接件固定在所述光纤激光器的下方，所述方位电机固定在所述转接件的下方，所述连接架设置在所述方位电机的下方，所述连接架为u形架，所述俯仰电机以及所述组件设置于所述u形架内侧。
[0016]
上述的一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统中，通过激光系统和无人机平台的融合优化设计，光纤激光器与热管理设备经过一体化设计复用为无人机的机身，然后将多个旋翼安装在该机身上，相较于直接将现有的商用激光器直接安装到商用无人机上，大幅降低了一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的体积重量和成本。同时，上述的一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统采用跟瞄发射设备对目标进行捕获跟踪和激光发射，能够有效提高准确性。
附图说明
[0017]
图1为本发明一实施例中的一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的结构示意图；
[0018]
图2为本发明一实施例中的光纤激光器的结构示意图；
[0019]
图3为本发明一实施例中的热沉的结构示意图；
[0020]
图4为本发明一实施例中的热管理设备的结构示意图；
[0021]
图5为本发明一实施例中的跟瞄发射设备的结构示意图。
[0022]
附图标记说明：
[0023]
100、热管理设备；101、夹层；110、蓄冷箱；111、箱体；1111、第一流道；112、顶盖；120、相变蓄冷体；130、水泵；200、光纤激光器；210、外壳；211、上盖板；212、侧面板；213、下盖板；220、热沉；221、支撑柱；230、半导体泵浦激光器；240、输出光缆；300、跟瞄发射设备；310、转接件；320、方位电机；330、连接架；340、俯仰电机；350、光纤准直器；360、图像捕捉器件；370、轴承；400、旋翼；410、支撑臂；420、螺旋桨；500、起落架。
具体实施方式
[0024]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0025]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0026]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0027]
如图1所示，一实施例涉及的一种一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统，包括热管理设备100、光纤激光器200、跟瞄发射设备300、旋翼400、起落架500、供电设备以及测控通信设备。
[0028]
其中，光纤激光器200用于产生高功率高光束质量激光；热管理设备100用于处理光纤激光器200工作时排放的废热，为光纤激光器200提供合适的工作温度环境；跟瞄发射设备300用于对目标进行捕获跟踪和激光发射；旋翼400是一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的动力装置；起落架500用于整个设备的支撑；测控通信设备用于对一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统自身及处置目标的信息获取、状态监测，用于对一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统姿态稳定与飞行控制，用于接收地面上传控制指令、下传遥测信息等，传输数据包括光纤激光器200、热管理设备100、供电设备、跟瞄发射设备300等所有设备的状态和控制参数等；供电设备用于为旋翼400、测控通信设备、热管理设备100、跟瞄发射设备300和光纤激光器200等设备供电和配电。
[0029]
热管理设备100与光纤激光器200固定连接，且热管理设备100叠设在光纤激光器200的上方或下方，并使热管理设备100与光纤激光器200之间形成有夹层101，光纤激光器200与热管理设备100配合并同时复用为无人机的机身。
[0030]
具体到本实施例中，光纤激光器200以及热管理设备100均为圆形或正多边形扁平盒状结构，且光纤激光器200设置在热管理设备100的下方，光纤激光器200与热管理设备100固定连接配合并同时复用为无人机的机身。
[0031]
需要说明的是，所述的扁平盒状结构是指，该结构类似于盒状，且该结构的厚度与该结构的长度或直径比在1:3-1:7之间。
[0032]
进一步地，一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的旋翼400为多个，每个旋翼400均具有支撑臂410以及与支撑臂410连接的螺旋桨420，每个旋翼400的支撑臂410的一端均固定穿设于夹层101中，且所有的旋翼400的螺旋桨420呈环状布置在光纤激光器200和/或热管理设备100的周围。
[0033]
具体地，每个旋翼400的支撑臂410穿设于夹层101中，并与光纤激光器200和/或热
管理设备100固定连接，以此实现旋翼400的安装。且所有的旋翼400的螺旋桨420呈环状布置在所述光纤激光器200和/或所述热管理设备100的周围，能够为设备提供稳定的升力。
[0034]
跟瞄发射设备300与光纤激光器200和/或热管理设备100连接，且跟瞄发射设备300与光纤激光器200光路连通，光纤激光器200产生的激光能够通过跟瞄发射设备300发射到目标上。
[0035]
测控通信设备安装于光纤激光器200下方或者光纤激光器200与热管理设备100夹层101中的空闲位置，如此，可以最大程度地利用设备的内部空间，从而减小体积。
[0036]
如图2所示，在其中一个实施例中，光纤激光器200包括呈扁平盒状结构的外壳210、设置于外壳210内的热沉220、以及设置于热沉220上的激光源组件，激光源组件与跟瞄发射设备300光路连通。热沉220采用质轻、高导热金属材料制成，如合金铝。设计时，在保证热沉220结构强度和散热性能情况下尽量去除多余材料，减轻热沉220重量。
[0037]
进一步地，热沉220为环形(如图3所示)，激光源组件包括设置于热沉220的其中一面的多个半导体泵浦激光器230、以及设置于热沉220的另一面的光纤元器件。其中，光纤元器件包括增益光纤、光纤光栅和光纤合束器。
[0038]
更进一步地，多个半导体泵浦激光器230呈辐射状分布于热沉220的其中一面，如此，多个半导体泵浦激光器230能够最大化利用热沉220的其中一面的空间，且多个半导体泵浦激光器230可以利用环形热沉220中间的开口部分与另一面的增益光纤、光纤光栅和光纤合束器等光纤元器件通过光缆连接，能够有效简化排线，避免因导线而增加一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的体积。
[0039]
在其中一个实施例中，外壳210包括上盖板211、侧面板212以及下盖板213，热沉220的外周侧和/或内周侧设置有沿热沉220的周向间隔排布的多个支撑柱221，支撑柱221的两端分别与上盖板211以及下盖板213连接，侧面板212连接在上盖板211以及下盖板213之间。其中上盖板211、下盖板213和侧面板212采用高强度轻质材料制成，如碳纤材料、工程塑料等。
[0040]
如图1、图4所示，在其中一个实施例中，热管理设备100包括呈扁平盒状结构的蓄冷箱110、设置于蓄冷箱110内的第一流道1111、以及设置于第一流道1111内的相变蓄冷体120，第一流道1111还用于装载循环冷媒；光纤激光器200内设有第二流道，第二流道的进口与第一流道1111的出口连通，第二流道的出口与第一流道1111的进口连通。
[0041]
相变蓄冷体120为相变蓄冷材料制成，用于存储冷量，吸收光纤激光器200工作时排放的废热，其熔点温度低于光纤激光器200正常工作温度范围，一般光纤激光器200的工作温度范围约为15℃-25℃，则相变蓄冷体120的熔点范围可选在15℃-负10℃范围内；相变蓄冷体还需具有相变潜热高、相变前后体积改变小、导热性能好、无毒无腐蚀等特点，可选用的材料有水、石蜡、无机盐溶液等。循环冷媒用于将光纤激光器200排放的废热换到相变蓄冷材料中，具有导热性能好、熔点低于相变蓄冷体120、粘性小、无毒无腐蚀等特点。
[0042]
如图4所示，在其中一个实施例中，第一流道1111包括多个长度不一的弧形段，多个弧形段依次连接连通，且长度较长的弧形段围设在长度较短的弧形段外，且多个弧形段同轴设置。如此，整个第一流道1111的长度在体积有限的蓄冷箱110内可以通过上述方式尽可能增长，从而增加设置在第一流道1111内的相变蓄冷体120的数量，提高制冷效率。同时，在第一流道1111的长度较长的情况下，也可以提高循环冷媒与相变蓄冷体120的接触时间，
从而提高冷媒被制冷的效率，从而间接提高光纤激光器200的制冷效率。
[0043]
进一步地，蓄冷箱110包括箱体111以及顶盖112，箱体111以及顶盖112采用高强度轻质材料加工而成，蓄冷箱110外侧表面覆盖保温绝热材料，如隔热棉、泡沫等，蓄冷箱110设置有与第一流道1111的进口连通的进口以及与第一流道1111的出口连通的出口。
[0044]
如图1、图4所示，进一步地，热管理设备100还包括水泵130，光纤激光器200内还设置有与水泵130电性连接的温度传感器，水泵130的进口与第二流道的出口连通，水泵130的出口与第一流道1111的进口连通。光纤激光器200工作过程中，热管理设备100采用间歇式温控模式，具体如下：水泵130根据光纤激光器200中的温度传感器测量数据确定开启或关闭，当光纤激光器200内部温度超过设置上限值时，水泵130开始工作，将光纤激光器200中温度较高的冷媒泵出，同时泵入温度较低冷媒，当温度传感器测量数据达到温度下限时，水泵130停止工作，等待下一次开启，从而实现光纤激光器200的温控。
[0045]
如图5所示，在其中一个实施例中，跟瞄发射设备300包括万向架、光纤准直器350、图像捕捉器件360以及控制器，万向架与光纤激光器200和/或热管理设备100连接，光纤准直器350以及图像捕捉器件360均设置于万向架上，万向架以及图像捕捉器件360均与控制器电性连接，光纤准直器350与光纤激光器200通过输出光缆240光路连通。
[0046]
万向架用于调整光纤准直器350以及图像捕捉器件360的角度。所述的图像捕捉器件360可以为相机，图像捕捉器件360用于对目标成像，并将目标图像实时传送给控制器，实现对目标的稳定跟踪。光纤准直器350用于将光纤激光器200输出的激光准直发射到目标。控制器可采用单片机等微型处理器实现，用于采集图像捕捉器件360发来的图像，并运行图像处理算法和跟踪控制算法，向万向架输出控制信号，实现相机对目标的稳定跟踪。
[0047]
进一步地，万向架包括与光纤激光器200和/或热管理设备100固定连接的转接件310、设置在转接件310上的方位电机320、与方位电机320驱动连接的连接架330、设置于连接架330上的俯仰电机340，光纤准直器350与图像捕捉器件360固定连接成一组件，且该组件与俯仰电机340驱动连接；方位电机320用于对所述组件在第一方向的角度进行控制，俯仰电机340用于对所述组件在第二方向的角度进行控制，其中，第一方向与第二方向垂直。
[0048]
具体地，在一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统处于正放状态下，所述的第一方向为水平方向，所述的第二方向为竖直方向。
[0049]
进一步地，转接件310固定在光纤激光器200的下方，方位电机320固定在转接件310的下方，连接架330设置在方位电机320的下方，连接架330为u形架，俯仰电机340以及所述组件设置于u形架内侧。如此，在光纤激光器200两侧的下方设置有起落架500的情况下，可以充分利用机身机构下方的空间。
[0050]
进一步地，转接件310为u形，供电设备位于转接件310间。
[0051]
如图1所示，所述旋翼400包括动力电机、螺旋桨420、电子调速器和支撑臂410等部件，是一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的飞行动力设备。动力电机可采用大扭矩外转子无刷电机，用于将前述供电设备储存的电能转换为高速旋转的机械能；螺旋桨420可采用定距或变距两叶/多叶螺旋桨420，用于将动力电机提供的旋转机械能转换为维持全系统飞行、起降或机动所需的升力；电子调速器为动力电机提供所需的匹配的电压电流输出，并具备电机转速调整功能；支撑臂410可采用碳纤维或铝合金等材质的圆管或方管型材，为动力电机、螺旋桨420等部件提供机械安装条件，其强度需满足全系统飞行、起降等状态等
力学性能要求。
[0052]
所述测控通信设备用于一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的飞行控制和目标探测，具备光纤激光器200、热管理设备100、跟瞄发射设备300状态信息监测、发送功能和光纤激光器200出光控制功能。所述测控通信设备包括惯性测量单元、导航定位传感器、飞行控制单元、载荷状态监测与控制单元、数传/图传电台空中端、遥控单元等，是全设备的神经中枢。惯性测量单元、导航定位传感器和飞行控制单元等部件可采用商用无人机飞控设备，用于全系统飞行器部分的飞行参数感知、飞行状态稳定、飞行路径自主规划与飞行导航自动控制等；载荷状态监测与控制单元用于对任务载荷相关指标和状态的实施监测，对激光器出光功率、跟瞄系统图像处理算法等相关工作参数的设置和激光器出光、跟瞄设备闭环等动作的指令收发和执行控制；数传/图传电台空中端可采用商用器件或模块，用于系统与地面站之间的数据、指令及高清图像的无线接收与发送，其工作频段、波特率、发射功率等指标根据系统飞行距离、信息传输带宽等要求确定；遥控单元可采用商用设备，用于应急飞行模式或手动控制飞行模式下，飞行器接收地面站发出的飞行遥控指令。
[0053]
所述地面站是操作人员对系统所有设备进行远程操作控制的地面终端，用于接收系统测控通信设备无线发送的平台飞行状态，激光器工作状态、出光功率，热管理设备100状态、蓄冷介质温度，供电设备剩余电量，跟瞄发射设备300状态等实时数据信息，并将操作人员作出的出光、跟踪等控制指令实时无线发送至处于远程的系统上。具有功能完备、集成度高、可视性强等特点。由飞行/载荷任务控制计算机、数传/图传电台地面端、多功能输入摇杆及相关软件模块等部分组成。其中，飞行/载荷任务控制计算机用于规划飞行航点、计算飞行路径、处理载荷回传信息、优化指令参数等；数传/图传电台地面端可采用与数传/图传电台空中端配对设置的器件或模块，用于地面站与系统之间的数据、指令及高清图像的无线接收与发送，其工作频段、波特率、发射功率等指标与电台空中端指标要求一致；多功能输入摇杆对操作人员发出的飞行控制和载荷控制指令进行采集，经数字化处理后发送至任务控制计算机，从而实现对系统飞行状态和载荷工作状态等远程控制。
[0054]
所述起落架500可采用碳纤/金属杆、金属连接件等高强度轻质材料制成，用于支撑一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统及机载设备，
[0055]
在其中一个实施例中，起落架500为具有折叠或收缩功能的收放式起落架500。
[0056]
上述的一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统中，通过激光系统和无人机平台的融合优化设计，光纤激光器200与热管理设备100经过一体化设计复用为无人机的机身，然后将多个旋翼安装在该机身上，相较于将现有的商用激光器直接安装到商用无人机上，大幅降低了一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统的体积重量和成本。同时，上述的一体化旋翼无人机载高功率光纤激光系统采用跟瞄发射设备300对目标进行捕获跟踪和激光发射，能够有效提高准确性。
[0057]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0058]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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