CN102923308A - 油电混合动力无人驾驶遥感飞机 - Google Patents

Abstract

油电混合动力无人驾驶遥感飞机，包括由机身、机翼、驱动装置、电源、用于监控主、副发动机运转的动力控制电路和遥控信号接收控制装置相互连接组成，驱动装置包括一个主发动机和两个副发动机，主发动机设置在机身上，两个副发动机对称设置于两机翼上，以此组成为三发油电混合动力的驱动装置，双层机翼设计为大上反角结构，在主发动机上安置有可以探测发动机转速的传感器，该传感器与动力控制电路的输入端相连接，动力控制电路通过传感器能对发动机进行侦测和控制，当主发动机停机时，能够启动副发动机给无人驾驶遥感飞机提供续航动力。本发明能提高无人机的续航时间，又能提高无人机空中停车后的生存能力，使无人驾驶遥感飞机安全性更高。

Description

油电混合动力无人驾驶遥感飞机

技术领域

本发明涉及一种无线遥感飞机，特别是一种由自身程序控制为主的油电混合动力无人驾驶遥感飞机。

背景技术

目前，以卫星遥感和普通航摄技术为主的测图手段由于数据获取能力不足和现势性差的技术局限，已经无法满足中国经济建设的基本需要。无人机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机，以无人机为传感器平台的无人低空对地观测技术，已成为继传统航天、航空遥感技术后，遥感学科新的研究热点。低空无人飞行器航测遥感系统具有起降灵活、低空飞行作业等特点，一方面可随时随地开展作业，另一方面可以形成高分辨率遥感影像，因此发展低空无人飞行器航测遥感系统是提高测绘现势性的需要，是做好应急救援工作的迫切需要，是构建数字中国、数字城市建设的需要。低空无人航测遥感系统推动了地理信息获取向全天候、全天时、实时化迈进的步伐(注：国家测绘局十分重视国产低空无人飞行器航测遥感系统的研发工作，目前已有四家机构十余个型号的产品通过了国家测绘局的科技成果鉴定)，但是，目前的无人驾驶遥感(遥控)飞机大都单动力(多为单翼单发常规布局飞机)，或者为前置的单个活塞螺旋桨式动力，或者为双尾撑后置的单个活塞螺旋桨式动力，这种形式遥控飞机的不足是，由于二次启动技术仍不成熟，如果出现空中发动机停车，不能重新启动，将会严重影响无人机飞行安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种续航时间长，安全性高的油电混合动力无人驾驶遥感飞机(英文名称：Hybrid electric Unmanned Remote SensingPlane)。

本发明是通过以下途径来实现的。

该油电混合动力无人驾驶遥感飞机，包括由机身、对称设置在机身两侧的机翼、驱动装置、电源、用于监控主、副发动机运转的动力控制电路和遥控信号接收控制装置相互连接组成，其特征在于：所述驱动装置设计成采用多动力系统，包括一个主发动机和两个副发动机，其中主发动机设置在机身上，两个副发动机对称设置于两机翼上，以此组成为三发油电混合动力的驱动装置，所述的机翼为双层机翼布局(即双翼机翼结构)，且机翼设计为大上反角结构，在主发动机上安置有可以探测发动机转速的传感器(如霍尔传感器)，该传感器与所述的动力控制电路(又称动力侦测系统)的输入端相连接，所述动力控制电路通过传感器能对发动机进行侦测和控制，当主发动机停机时，能够启动副发动机给无人驾驶遥感飞机提供(备份的)续航动力。

本发明采用多动力系统的这种三发油电混合动力的驱动装置(包括1个活塞式发动机2个电动机的三发动力系统)，既能保留油动无人机的长航时远航程，又能有效提高油机空中停车后无人机的生存能力，必要的时候还能以低噪音的电动力进行任务飞行，提高无人驾驶遥感飞机的续航时间，使无人驾驶遥感飞机安全性更高。

本发明将机翼设计为双层机翼布局，且机翼为(10度的)大上反角设计，这是因为无人驾驶遥感飞机一般在100米到1000米空域内飞行，飞行高度较低，低空飞行进行航空摄影，如果航速过快，会产生像点位移，像点位移就是摄影相机在高速运动时候摄影产生的拖尾现象，因此无人驾驶遥感飞机要求低巡航能力飞行平台，同时无人驾驶遥感飞机均在非专门的起降场地起降，起降条件复杂，要求无人驾驶低空遥感系统具有短距起降能力；另一方面，无人驾驶遥感飞机要求飞行器有较高的稳定性，以保证飞行中摄影系统较好实现相机摄影主光轴与地面垂直。本发明采用双层机翼布局，增大无人机的升力面积；上反角设计为10度，属于较大上反角，以增加无人机的横向稳定性，实现了低速巡航、短距起降、高稳定性的飞行平台。

本发明可以具体为：

所述的三发油电混合动力的驱动装置，是指包括1个活塞式发动机2个电动机的三发动力系统。

所述的动力控制电路(又称动力侦测系统)中作为控制芯片的微处理器(为一种现有的单片机，在此单片机电子设备上可以进行二次开发，包括连接硬件和写入软件)能耦合三发动力系统(即三个动力系统)，即建立三个发动机之间的逻辑关系数学模型，并以软件的形式写入微处理器，针对每个发动机的状况，制定不同的工作模式，具体为，主发动机正常运行时，两个副发动机不提供动力，主发动机停车时，能够启动两个副发动机的螺旋桨，以便为本无人驾驶遥感飞机提供备份的续航动力，以此实现三个动力系统的耦合。

所述在主发动机上安置有可以探测发动机转速的传感器为霍尔传感器，所述霍尔传感器是与动力控制电路中作为控制芯片的微处理器的输入端相连接。

由于本发明的动力控制电路(又称动力侦测系统)能耦合三发动力系统(即三个动力系统)，在主发动机上安置(霍尔)传感器，通过传感器可以侦测到发动机是否停车；所谓耦合就是建立三个发动机之间的逻辑关系数学模型，针对每个发动机的状况，制定不同的工作模式，具体为：起飞后主发动机正常运行时，两个副发动机不提供动力；当侦测系统侦测到主发动机停车时，启动两个副发动机的螺旋桨，能够为无人驾驶低空遥感飞机提供15分钟的备份续航动力，利用15分钟的续航飞行，实现无人驾驶低空遥感飞机安全返航或者安全迫降。该动力侦测系统具有以下优点：安全性高，动力系统用无刷电机做副动力，启动可靠性高，可以确保无人机在主发动机停车时有备份动力实现返航或者飞行到人口稀疏区、无人区进行迫降，2个电动机同时启动的可靠性高，不会产生不对称动力从而也提高了无人机的安全性。

本发明还可以进一步具体为：

一、所述机翼是设计为10度大上反角的结构。

二、所述机身和机翼是采用了真空成型复合材料生产工艺制作而成(注：真空成型复合材料生产工艺为一种现有技术)。

三、所述机身与机翼之间是采用插接式的结构(如用条形插接棒或榫头作插接件)。

本发明的机身、机翼采用了真空成型复合材料生产工艺，飞行器结构强度高、空机重量较轻；为了工程应用的方便性，本发明采用插接式机身机翼，使用时通过插接方式对接起来，又可分为两部分进行包装运输。

四、所述机身具有直径为60厘米的大容量设备舱，在该设备舱内能内置有三轴云台。要实现高精度可量测的航空摄影，需要把相机安置在三轴云台上，由于要实现能挂载体积较大的相机旋转，因此云台所需要的旋转空间要求就更大，本发明具有直径为60厘米的设备舱，可挂载重量在5公斤的三轴云台与相机。

综上所述，本发明比现有技术具有以下优点：1)多动力系统，采用1个活塞式发动机2个电动机的三发动力系统(构成一款双翼三发油电混合动力无人机)；既能保留油动无人机的长航时远航程，又能有效提高油机空中停车后无人机的生存能力，在油动飞行过程中，必要的时候还能以低噪音的电动力进行任务飞行；2)双翼为10度大上反角布局，巡航速度低、稳定性好，适合遥感遥测设备搭载与使用；3)机身插接式结构设计操作简便，易于携带；4)大容量设备仓，可搭载三轴稳定云台和较大体积的相机。

附图说明

图1是本发明油电混合动力无人驾驶遥感飞机的一种侧面结构示意图；

图2是图1俯视结构示意图。

其中：1--机身，2--(双层)机翼，21--下机翼，22--上机翼，3-组成三发油电混合动力驱动装置的主发动机，4--组成三发油电混合动力驱动装置的副发动机，5--大容量设备舱，6--三轴云台，7--起落架，8--尾翼，9--插接件(如用条形插接棒作插接件)。

具体实施方式

参照附图1、图2，油电混合动力无人驾驶遥感飞机，包括包括由机身1、机翼2、驱动装置、电源和遥感信号接收控制装置相互连接组成，两个机翼2对称设置在机身1两侧，其特征在于：所述驱动装置设计成采用多动力系统，包括一个主发动机3和两个副发动机4，其中主发动机3设置在机身1上，两个副发动机4对称设置于两机翼上，以此组成为三发油电混合动力的驱动装置，所述的三发油电混合动力的驱动装置，是指包括1个活塞式发动机2个电动机的三发动力系统，所述的机翼2为双层机翼布局，且机翼设计为大上反角结构，在主发动机上安置有可以探测发动机转速的传感器(如霍尔传感器)，该传感器与所述的动力控制电路(又称动力侦测系统)的输入端相连接，即所述霍尔传感器是与动力控制电路中作为控制芯片的微处理器的输入端相连接(附图略)。

所述动力控制电路通过传感器能对发动机进行侦测和控制，具体的是指：所述的动力控制电路(又称动力侦测系统)中的微处理器(如利用STM32F105数字微处理器作控制芯片，为一种现有的单片机，在此单片机电子设备上可以进行二次开发，包括连接硬件和写入软件)能耦合三发动力系统(即三个动力系统)，即建立三个发动机之间的逻辑关系数学模型，并以软件的形式写入微处理器，针对每个发动机的状况，制定不同的工作模式，具体为：主发动机3正常运行时，两个副发动机4不提供动力，当动力侦测系统侦测到主发动机3停车时，两个副发动机4的螺旋桨为正常的动力螺旋桨，启动两个副发动机4，能够为无人驾驶低空遥感飞机提供15分钟的续航动力，利用15分钟的续航飞行，实现无人驾驶低空遥感飞机安全返航或者安全迫降。本发明的无人驾驶遥感飞机的机翼2为双层机翼布局，且机翼为10度大上反角，采用双翼布局，增大无人机的升力面积；上反角设计为10度，属于较大上反角，以增加无人机的横向稳定性。机身1和机翼2采用了真空成型复合材料生产工艺，飞行器结构强度高、空机重量较轻，为了工程应用的方便性，本发明采用插接式的机翼机身，使用时通过插接方式对接起来，可分为两部分进行包装运输，机身具有大容量设备舱5，设备舱的直径为60厘米，设备舱内可挂载重量在5公斤的三轴云台6与相机，能够实现高精度可量测的航空摄影。

具体实例：本发明的油电混合动力无人驾驶遥感飞机可设计成：翼展4米，机长3.5米，空机重35公斤，最大有效载荷10公斤，燃油6公斤，设计续航时间3小时，设计巡航速度100公里/小时，设计失速速度45公里/小时，设计最大速度160公里/小时，主要用于低空遥感的需求。其飞行方案：

1)起飞阶段为尽快达到离地速度，以全油门滑跑加速，电动机在蓄电池的电量支持下，也全状态工作，直到起飞端结束(离地高度100m)；

2)爬升阶段由主发动机提供推力；

3)到达巡航高度后，主发动机转入慢车状态工作；

4)下滑阶段充分利用其优越的滑翔性能，电动机停转，活塞发动机怠速或停车；

5)到达进场窗口后，启动电动机完成四边航线飞行，着陆后电机反转减速，缩短滑跑距离。

本发明的多冗余度动力系统优势有：

1)动力系统功率重量比大，功率重量比即：单位重量下动力系统的功率值。相同的功率下，单个发动机的重量大于多个发动机。在主发动机正常工作情况下，2个副发动机不占用动力系统的功率重量比指标，因此本发明的多冗余度动力系统具有很高的功率重量比。

2)无人驾驶低空遥感系统的安全性高。本发明的多冗余度动力系统用无刷电机做副动力，启动可靠性高，可以确保无人机在主发动机停车时有备份动力实现返航或者飞行到人口稀疏区、无人区进行迫降，并且2个电动机启动的可靠性高，不会产生不对称动力从而也提高了无人机的安全性。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (8)

1.一种油电混合动力无人驾驶遥感飞机，包括由机身(1)、对称设置在机身两侧的机翼(2)、驱动装置、电源、用于监控主、副发动机运转的动力控制电路和遥控信号接收控制装置相互连接组成，其特征在于：所述驱动装置设计成采用多动力系统，包括一个主发动机(3)和两个副发动机(4)，其中主发动机(3)设置在机身(1)上，两个副发动机(4)对称设置于两机翼上，以此组成为三发油电混合动力的驱动装置，所述的机翼(2)为双层机翼布局，且机翼设计为大上反角结构，在主发动机上安置有可以探测发动机转速的传感器，该传感器与所述的动力控制电路的输入端相连接，所述动力控制电路通过传感器能对发动机进行侦测和控制，当主发动机停机时，能够启动副发动机给无人驾驶遥感飞机提供续航动力。

2.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述的三发油电混合动力的驱动装置，是指包括1个活塞式发动机2个电动机的三发动力系统。

3.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述的动力控制电路中作为控制芯片的微处理器能耦合三发动力系统，即建立三个发动机之间的逻辑关系数学模型，并以软件的形式写入微处理器，针对每个发动机的状况，制定不同的工作模式，具体为，主发动机(3)正常运行时，两个副发动机(4)不提供动力，主发动机停车时，能够启动两个副发动机的螺旋桨，以便为本无人驾驶遥感飞机提供备份的续航动力，以此实现三个动力系统的耦合。

4.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述在主发动机上安置有可以探测发动机转速的传感器为霍尔传感器，所述霍尔传感器是与动力控制电路中作为控制芯片的微处理器的输入端相连接。

5.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述的机翼(2)是设计为10度大上反角结构。

6.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述机身(1)和机翼(2)是采用真空成型复合材料生产工艺制作而成。

7.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述机身(1)与机翼(2)之间是采用插接式的结构。

8.根据权利要求1所述的油电混合动力无人驾驶遥感飞机，其特征在于，所述机身(1)具有直径为60厘米的大容量设备舱(5)，在该设备舱中内置有三轴云台(6)。

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