CN103359284A

CN103359284A - 一种油电混合动力四旋翼无人飞行器

Info

Publication number: CN103359284A
Application number: CN2013102731505A
Authority: CN
Inventors: 鲜斌; 张旭
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-06-29
Filing date: 2013-06-29
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种油电混合动力四旋翼无人飞行器，包括有机体和连接在机体上的机架，所述的机架是由四个相同的机臂两两相对接组成的十字型机架，每一个机臂的端部都设置一组电动动力单元，所述的机体包括有：固定在十字型机架中心的上面的上中心板，固定在十字型机架中心的下面的下中心板，设置在上中心板上面的与所述的电动动力单元电连接，用于控制和驱动电动动力单元的控制系统，以及固定在下中心板下面的与控制系统电连接用于向控制系统提供电源的发电单元。本发明避免了传统燃油动力的单旋翼直升机飞行中发动机熄火所带来的风险，燃油发动机熄火后，仍可利用储存的电能安全的操纵多旋翼飞行器着陆，使整体飞行器的燃油经济性达到最高，同时降低污染物的排放。

Description

一种油电混合动力四旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及一种无人机的机构设计和飞行控制。特别是涉及一种油电混合动力四旋翼无人飞行器。

背景技术

具有垂直起降和悬停能力的四旋翼飞行器，较之传统单旋翼直升机，具有结构简单、维护容易，桨叶杀伤力小，操作安全的特点。不但在军事领域发挥着日益重要的作用，也在灾害救援、评估，危险环境调查，交通巡视及空中摄影等多个民用领域得到广泛的应用。

目前四旋翼飞行器均采用电池驱动，由于单位质量电池所能存储的能量远小于汽油等化石燃料，所以目前四旋翼飞行器的飞行时间都十分有限，正常负载情况下巡航时间仅为20分钟以内，而燃油动力的单旋翼直升机，巡航时间可长达数个小时。这极大的限制了四旋翼飞行器的应用领域，在需要长巡航时间的应用领域尚不能代替燃油动力的单旋翼直升机。

另一方面，传统燃油动力单旋翼直升机均存在飞行中发动机熄火的风险，虽然可以通过“自旋着陆”的方式挽救飞机，但受限于驾驶员的技术及着陆场地的复杂性，仍极易造成飞行器损毁以及地面的损失。

油电混合动力的动力方案已广泛应用于汽车、火车等领域，这一方案保证了发动机始终工作在最佳工况下，此时的燃油经济性可达到最优，排放的污染物也相对较少，但尚无应用于飞行器上的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够极大的延长四旋翼飞行器的续航时间的油电混合动力四旋翼无人飞行器。

本发明所采用的技术方案是：一种油电混合动力四旋翼无人飞行器，包括有机体和连接在机体上的机架，所述的机架是由四个相同的机臂两两相对接组成的十字型机架，每一个机臂的端部都设置一组电动动力单元，所述的机体包括有：固定在十字型机架中心的上面的上中心板，固定在十字型机架中心的下面的下中心板，设置在上中心板上面的与所述的电动动力单元电连接，用于控制和驱动电动动力单元的控制系统，以及固定在下中心板下面的与控制系统电连接用于向控制系统提供电源的发电单元。

所述的电动动力单元包括有固定在机臂端部的电机座，设置在电机座上的永磁无刷直流电机和连接在永磁无刷直流电机输出轴上的旋翼，所述的永磁无刷直流电机的电源输入端电连接控制系统的输出端。

所述的旋翼的叶片为对称翼型或非对称翼型。

所述的控制系统包括有飞行控制单元、用于驱动电动动力单元的驱动单元、储能动力电池和充电控制单元，其中，所述的飞行控制单元的信号输出端连接驱动单元的信号输入端，所述的驱动单元的输出驱动信号分别连接四组电动动力单元中的永磁无刷直流电机，所述的充电控制单元的输入端连接发电单元的输出端，充电控制单元的输出连接储能动力电池用于对储能动力电池进行充电，所述的储能动力电池连接驱动单元进行供电。

所述的飞行控制单元包括有处理器，分别连接处理器的惯性测量模块和数据收发模块，所述处理器的输出信号连接驱动单元。

所述的发电单元包括有固定在下中心板下面的汽油发动机和连接在汽油发动机的输出轴上的发电机，所述的发电机的输出连接充电控制单元。

所述的汽油发动机为二冲程或四冲程的发动机。

所述的下层中心板与汽油发动机之间设置有用于隔离震动的缓冲垫层。

所述的机臂上设置有具有缓冲作用的起落装置。

所述的机臂为中空结构，所述中空结构内置有连接在驱动单元与电动动力单元中的永磁无刷直流电机之间的导线。

本发明的一种油电混合动力四旋翼无人飞行器，通过油电混合动力的方式，极大的延长了四旋翼飞行器的续航时间，所提出的油电混合驱动方式，避免了传统燃油动力的单旋翼直升机飞行中发动机熄火所带来的风险，燃油发动机熄火后，仍可利用储存的电能安全的操纵多旋翼飞行器着陆。通过合理的选择燃油发动机的工作状态，使整体飞行器的燃油经济性达到最高，同时降低污染物的排放。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中控制系统的构成框图。

图中

1：机体 11：上中心板

12：下中心板 13：控制系统

131：飞行控制单元 132：驱动单元

133：储能动力电池 134：充电控制单元

1311：处理器 1312：惯性测量模块

1313：数据收发模块 14：发电单元

141：汽油发动机 142：发电机

2：机架 21：机臂

22：电动动力单元 221：电机座

222：永磁无刷直流电机 223：旋翼

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种油电混合动力四旋翼无人飞行器做出详细说明。

为了拓展四旋翼飞行器的应用领域，延长其续航时间，本发明提出了一种油电混合动力四旋翼无人飞行器，该飞行器在飞行时是由发动机带动发电机向动力电池进行供电，通过飞行控制系统对电动动力单元进行转速控制，从而实现对多旋翼飞行器的姿态控制。

本发明的一种油电混合动力四旋翼无人飞行器，包括有机体1和连接在机体1上的机架2，所述的机架2是由四个相同的机臂21两两相对接组成的十字型机架，每一个机臂21的端部都设置一组电动动力单元22，所述的机体1包括有：固定在十字型机架2中心的上面的上中心板11，固定在十字型机架2中心的下面的下中心板12，设置在上中心板11上面的与所述的电动动力单元22电连接，用于控制和驱动电动动力单元22的控制系统13，以及固定在下中心板12下面的与控制系统13电连接用于向控制系统13提供电源的发电单元14。为了保证无人飞行器着路时的稳定性，在所述的机臂21上设置有具有缓冲作用的起落装置3。

所述的电动动力单元22包括有固定在机臂21端部的电机座221，设置在电机座221上的永磁无刷直流电机222和连接在永磁无刷直流电机222输出轴上的旋翼223，所述的永磁无刷直流电机222的电源输入端电连接控制系统13的输出端。所述的旋翼223的叶片为对称翼型或非对称翼型。

所述的控制系统13包括有飞行控制单元131、用于驱动电动动力单元的驱动单元132、储能动力电池133和充电控制单元134，其中，所述的飞行控制单元131的信号输出端连接驱动单元132的信号输入端，所述的驱动单元132的输出驱动信号分别连接四组电动动力单元22中的永磁无刷直流电机222，所述的充电控制单元134的输入端连接发电单元14的输出端，充电控制单元134的输出连接储能动力电池133用于对储能动力电池133进行充电，所述的储能动力电池133连接驱动单元132进行供电。所述的飞行控制单元131、驱动单元132、储能动力电池133和充电控制单元134均设置在一个电子系统防护罩4内，其输入和输出信号都通过贯穿电子系统防护罩4的导线连接。

其中，所述的驱动单元132可以采用型号为Hobbywing Skywalker40A或ZTW AL30A或Align REC-BL35P的驱动模块。

所述的飞行控制单元131包括有处理器1311，分别连接处理器1311的惯性测量模块1312和数据收发模块1313，所述处理器1311的输出信号连接驱动单元132。

其中，所述的惯性测量模块1312可以采用型号为Xsens MTI或Crossbow NAV440或VMsens VM-i的惯性测量模块。所述的处理器1311以采用型号为STMicroelectronicsSTM32F103或STMicroelectronics STM32F405或Atmel ATmega2560-16AU的处理器。所述的数据收发模块1313以采用型号为YL-100IL或FY-602或RSD-500T的模块。

所述的发电单元14包括有固定在下中心板12下面的汽油发动机141和连接在汽油发动机141的输出轴上的发电机142，所述的发电机142的输出连接充电控制单元134。所述的充电控制单元134是由全桥整流滤波电路及高效率充电电路组成。由充电控制单元134对储能动力电池133进行充电，再由储能动力电池133对驱动单元132供电驱动电动动力单元22中的永磁无刷直流电机222工作。所述的汽油发动机141为二冲程或四冲程的发动机。本发明的这种油电混合驱动方式，避免了传统燃油动力的单旋翼直升机飞行中发动机熄火所带来的风险，燃油发动机熄火后，仍可利用储存的电能安全的操纵多旋翼飞行器着陆。并且通过油电混合动力的方式，极大的延长了四旋翼飞行器的续航时间。

为了防止发动机工作时的振动影响整机的稳定，在所述的下层中心板12与汽油发动机141之间设置有用于隔离震动的缓冲垫层。

所述的机臂21为中空结构，所述中空结构内置有连接在驱动单元132与电动动力单元22中的永磁无刷直流电机222之间的导线。从而使整机外部没有导线，整体简洁，安全。

上述实例仅仅是为清楚的说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。而由此引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种油电混合动力四旋翼无人飞行器，包括有机体（1）和连接在机体（1）上的机架（2），其特征在于，所述的机架（2）是由四个相同的机臂（21）两两相对接组成的十字型机架，每一个机臂（21）的端部都设置一组电动动力单元（22），所述的机体（1）包括有：固定在十字型机架（2）中心的上面的上中心板（11），固定在十字型机架（2）中心的下面的下中心板（12），设置在上中心板（11）上面的与所述的电动动力单元（22）电连接，用于控制和驱动电动动力单元（22）的控制系统（13），以及固定在下中心板（12）下面的与控制系统（13）电连接用于向控制系统（13）提供电源的发电单元（14）。

2.根据权利要求1所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的电动动力单元（22）包括有固定在机臂（21）端部的电机座（221），设置在电机座（221）上的永磁无刷直流电机（222）和连接在永磁无刷直流电机（222）输出轴上的旋翼（223），所述的永磁无刷直流电机（222）的电源输入端电连接控制系统（13）的输出端。

3.根据权利要求2所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的旋翼（223）的叶片为对称翼型或非对称翼型。

4.根据权利要求1所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的控制系统（13）包括有飞行控制单元（131）、用于驱动电动动力单元的驱动单元（132）、储能动力电池（133）和充电控制单元（134），其中，所述的飞行控制单元（131）的信号输出端连接驱动单元（132）的信号输入端，所述的驱动单元（132）的输出驱动信号分别连接四组电动动力单元（22）中的永磁无刷直流电机（222），所述的充电控制单元（134）的输入端连接发电单元（14）的输出端，充电控制单元（134）的输出连接储能动力电池（133）用于对储能动力电池（133）进行充电，所述的储能动力电池（133）连接驱动单元（132）进行供电。

5.根据权利要求4所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的飞行控制单元（131）包括有处理器（1311），分别连接处理器（1311）的惯性测量模块（1312）和数据收发模块（1313），所述处理器（1311）的输出信号连接驱动单元（132）。

6.根据权利要求1所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的发电单元（14）包括有固定在下中心板（12）下面的汽油发动机（141）和连接在汽油发动机（141）的输出轴上的发电机（142），所述的发电机（142）的输出连接充电控制单元（134）。

7.根据权利要求6所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的汽油发动机（141）为二冲程或四冲程的发动机。

8.根据权利要求6所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的下层中心板（12）与汽油发动机（141）之间设置有用于隔离震动的缓冲垫层。

9.根据权利要求1所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的机臂（21）上设置有具有缓冲作用的起落装置（3）。

10.根据权利要求1所述的油电混合动力四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述的机臂（21）为中空结构，所述中空结构内置有连接在驱动单元（132）与电动动力单元（22）中的永磁无刷直流电机（222）之间的导线。