CN104843181A - 一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，包括机身、机翼Ⅰ和机翼Ⅱ，在所述机翼Ⅰ上设有垂直螺旋桨Ⅰ和机翼电机Ⅰ,在所述机翼Ⅱ上设有垂直螺旋桨Ⅱ和机翼电机Ⅱ,在所述机身的前端外接有固定翼水平螺旋桨，在所述机身的尾部设有纵向平衡方向螺旋桨和纵向平衡方向控制电机，在所述机身内设有智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机运行的自动驾驶仪。本发明的有益效果是：实现了无人机起飞依靠动力电池垂直起飞、悬停到油动力驱动固定翼快速飞行，返航悬停到垂直降落的油电混合动力飞行全部功能，具有垂直起降和悬停的能力，又有速度快、航程远、时间长的特点。

Description

一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统

技术领域

本发明涉及无人机领域，具体涉及一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统。

背景技术

由于无人机具有机动快速、使用成本低、维护使用简单等特点，因此在国内外已经广泛被运用。但迄今为止，世界上使用的无人机由于受制于起降技术局限性，实际使用仍然得不到全方位应用。在固定翼垂直起降无人机方面，仅仅在西方少数几个发达国家中海军中鲜有应用，而油电混合动力固定翼垂直起降无人机还是空白。常规无人机起降技术为以下四种：

1、传统滑行起飞滑行降落方式：依靠操控手遥控飞机在宽敞平直跑道上滑行到起飞速度起飞升空，降落时再由操控手切换到手动遥控飞机在跑道上滑行降落。不足之处有三高：对跑道要求高、起飞环境条件高、对操控手技术要求高。优点是安全系数最高。

2、发射架弹射起飞，降落伞开伞降落回收方式：依靠发射架的弹簧、橡筋、压缩空气等把无人机弹射到空中使无人机起飞，无人机返回起飞点时打开降落伞降落地面回收。不足之处是弹射设备沉重，装配使用较复、专业，成本较高，开伞回收受风影响很大，使用要求环境一般，不能在海上船舶上使用。优点是在陆上使用条件相对容易满足，对操控手技术要求一般。

3、车载无人机起飞，降落伞降落回收方式：依靠汽车车顶搭载无人机，通过汽车在道路上加速行驶达到无人机起飞速度后起飞升空，无人机返航后开伞降落回收。不足之处需要汽车和平直道路才能起飞，降落受限条件与以上第2点相当。优点是起飞效率高、安全性高。

4、火箭助推起飞，降落伞降落回收方式：依靠助推火箭将无人机助推升到空中飞行，不足之处单次使用成本最高，操作专业性高。优点是起飞快，准备时间短，对环境要求一般。返回降落与弹射起降、车载起降一样。

常规固定翼飞机起降借助向前滑行运动与空气相对速度获得升力起飞，直升机借助高速旋转螺旋桨产生升力升空起飞。前者最大优点是飞机速度快、飞行时间长，后者最大优点是能够垂直起飞，无需跑道，对场地要求小。固定翼垂直起降无人机取两者的优点，既有垂直起降的功能，又有快速飞行的特点。但是，目前垂直起降无人机只是传承了固定翼和直升机的部分优点，最大缺点是续航时间短，成本也很高。至今为止，国内外最长航时的垂直起降无人机续航时间不超过40分钟。它采用的还是用现行4轴飞行器与固定翼飞机组合的方法实现垂直起降，使其多旋翼留空时间短、航程短的致命缺陷没能得到解决。

有人驾驶固定翼垂直起降飞机具有像直升机一样垂直起降功能，又有固定翼飞机的长航时、速度快的特点，在军事和民用领域有着特殊的用途。现有固定翼垂直起降无人机虽然具备垂直起降功能，但是航时短、载荷小时是它的最大短板，实际应用意义不是很大。

发明内容

综上所述，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，包括机身、机翼Ⅰ和机翼Ⅱ，在所述机翼Ⅰ上设有垂直螺旋桨Ⅰ和机翼电机Ⅰ,所述机翼电机Ⅰ带动所述垂直螺旋桨Ⅰ转动，在所述机翼Ⅱ上设有垂直螺旋桨Ⅱ和机翼电机Ⅱ,所述机翼电机Ⅱ带动所述垂直螺旋桨Ⅱ转动；

在所述机身的前端外接有固定翼水平螺旋桨，在所述机身内的前部设有油动力发动机和机载发电机，所述油动力发动机带动所述固定翼水平螺旋桨转动，在所述机身的尾部设有纵向平衡方向螺旋桨和纵向平衡方向控制电机，所述纵向平衡方向控制电机带动所述纵向平衡方向螺旋桨运行；

在所述机身内设有智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述方向控制电机运行的自动驾驶仪，所述自动驾驶仪通过控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机的运行来实现无人机的垂直起飞、悬停、空中飞行以及垂直降落；

所述机载发电机为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池以及所述自动驾驶仪的电池提供电能，所述机身内的还设有供油系统，所述供油系统为所述油动力发动机提供燃料，所述油动力发动机带动所述机载发电机发电。

进一步，当无人机空中飞行时,所述机载发电机产生电能为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池和所述自动驾驶仪的电池充电。

进一步，在所述机身内还设有机载供电系统，所述机载发电机通过所述机载供电系统为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池和所述自动驾驶仪的电池充电。

进一步，所述自动驾驶仪通过不同的电子调速器分别智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机的运行。

进一步，所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ以及所述纵向平衡方向控制电机都为无刷电机。

本发明的有益效果是：集垂直起降、油电混合动力驱动、无人机技术的结合于一体，除了具有以上四种起降技术的所有优点外，更有它们不可能具有的垂直起降技术能力、环境适应能力、技术人员操作掌握能力、安全保障能力。实现了无人机起飞依靠动力电池垂直起飞、悬停到油动力驱动固定翼快速飞行，返航悬停到垂直降落的油电混合动力飞行全部功能。使它既有旋转翼飞机垂直起降和悬停的能力，又有固定翼飞机速度快、航程远、时间长的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理框图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、机身，2、机翼Ⅰ，3、机翼Ⅱ，4、垂直螺旋桨Ⅰ，5、垂直螺旋桨Ⅱ，6、纵向平衡方向螺旋桨，7、固定翼水平螺旋桨。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和2所示，一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，包括机身1、机翼Ⅰ2和机翼Ⅱ3，在所述机翼Ⅰ2上设有垂直螺旋桨Ⅰ4和机翼电机Ⅰ,所述机翼电机Ⅰ带动所述垂直螺旋桨Ⅰ4转动，在所述机翼Ⅱ3上设有垂直螺旋桨Ⅱ5和机翼电机Ⅱ,所述机翼电机Ⅱ带动所述垂直螺旋桨Ⅱ5转动，垂直螺旋桨Ⅰ4和垂直螺旋桨Ⅱ5主要用于无人机垂直起飞或者垂直降落的时候。无人机的垂直起飞或者垂直降落，在起飞或者降落的时候都不需要滑行，降低了无人机对起飞或者降落的环境要求。

在所述机身1的前端外接有固定翼水平螺旋桨7，在所述机身1内的前部设有油动力发动机和机载发电机，所述油动力发动机带动所述固定翼水平螺旋桨7转动，固定翼水平螺旋桨7主要用于对无人机产生牵引力，使其在空中飞行。在所述机身1的尾部设有纵向平衡方向螺旋桨6和纵向平衡方向控制电机，所述纵向平衡方向控制电机带动所述纵向平衡方向螺旋桨6运行，通过纵向平衡方向螺旋桨6来控制调整无人机的飞行方向。所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ以及所述方向控制电机都为无刷电机，可以减少无人机的负重。

在所述机身1内设有智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述方向控制电机运行的自动驾驶仪，所述自动驾驶仪通过不同的电子调速器分别智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机的运行，来实现无人机的垂直起飞、悬停、空中飞行以及垂直降落。

所述机载发电机也处于所述机身1内，所述机身1内的还设有供油系统，所述供油系统为所述油动力发动机提供燃料，所述油动力发动机带动所述机载发电机发电。在所述机身1内还设有机载供电系统，当无人机在空中飞行时,所述机载发电机通过所述机载供电系统为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池和所述自动驾驶仪的电池充电。

下面描述一个完整的无人机从垂直起飞、悬停、到空中飞行，最后悬停、垂直降落的过程：

垂直起飞：自动驾驶仪控制对称安装在机翼上的机翼电机以及纵向平衡方向控制电机，使得垂直螺旋桨Ⅰ4、垂直螺旋桨Ⅱ5以及纵向平衡、纵向平衡方向螺旋桨6产生的升力大于无人机的总重量，升力产生方向与重力方向相反，无人机垂直上升离开地面。到达预定高度时，自动驾驶仪控制机翼电机以及纵向平衡方向电机来实现螺旋桨产生的升力等于无人机的总重量，无人机在空中保持悬停状态，至此完成垂直起飞任务。

空中飞行：无人机在空中悬停后，自动驾驶仪控制油动力发动机向固定翼水平螺旋桨7提供动力，无人机由悬停状态转换为固定翼模式即空中飞行，此时的油动力发动机承担无人机固定翼油动力飞行。悬停状态转为固定翼模式由智能自动驾驶仪给出一个转换工作指令，此时，油动力发动机上的电启动马达旋转起动发动机，油动力发动机带动固定翼水平螺旋桨7旋转产生拉力，使无人机高速向前飞行。无人机获得速度后，随着速度逐渐增加，参与垂直起飞、悬停的机翼电机和纵向平衡方向控制电机渐渐停止工作。无人机固定翼飞行模式时由机载供油系统向油动力发动机提供燃料，可以保障无人机较长航时的飞行。无人机固定翼飞行后，油动力发动机在带动无人机飞行的同时，并且带动机载发电机对机载供电系统中的动力和系统电池供电，补充垂直起飞时消耗的电量，同时还对机载系统电子设备供电。

垂直降落:飞机转为固定翼飞行完成巡航飞行返航降落时，飞机将由固定翼模式转成悬停最后垂直降落。此时，智能自动驾驶仪对机翼电机以及纵向平衡方向控制电机给出PWM启动信号，垂直螺旋桨Ⅰ4、垂直螺旋桨Ⅱ5和纵向平衡方向螺旋桨起动，螺旋桨产生垂直向上推力。同时，智能自动驾驶仪向油动发动机给出熄火指令，发动机熄火，固定翼水平螺旋桨7停止转动，对无人机的牵引力消失，无人机转换到悬停状态。智能自动驾驶仪给出垂直降落指令，无人机进入缓慢垂直降落程序，最后安全、平稳着陆地面。

综上所述,本发明实现了无人机起飞依靠动力电池垂直起飞、悬停到油动力驱动固定翼快速飞行，返航悬停到垂直降落的油电混合动力飞行全部功能。实现了由电到油，又由油到电的工作模式转换，是真正意义上的油电混合动力固定翼垂直起降无人机。解决了当前无人机市场应用的对跑道要求高、起飞环境条件高、对操控手技术要求高的“三高”瓶颈限制。在垂直起降时使用电动驱动，在固定翼飞行时转换到油动驱动。采用油、电混合动力驱动无人机的最大技术特点在于把这两种动力的优异性能全部加以利用，使它既有旋转翼飞机垂直起降和悬停的能力，又有固定翼飞机速度快、航程远、时间长的特点。该项技术的问世必将在航空测绘、公安消防、减灾应急、森林防火、搜索救援、电力巡线、环境监测、农业气象、海事巡航、边防巡逻、军事侦察等领域无人机带来更加简单、方便、灵活、高效、安全广泛应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，包括机身(1)、机翼Ⅰ(2)和机翼Ⅱ(3)，其特征在于，在所述机翼Ⅰ(2)上设有垂直螺旋桨Ⅰ(4)和机翼电机Ⅰ,所述机翼电机Ⅰ带动所述垂直螺旋桨Ⅰ(4)转动，在所述机翼Ⅱ(3)上设有垂直螺旋桨Ⅱ(5)和机翼电机Ⅱ,所述机翼电机Ⅱ带动所述垂直螺旋桨Ⅱ(5)转动；

在所述机身(1)的前端外接有固定翼水平螺旋桨(7)，在所述机身(1)内的前部设有油动力发动机和机载发电机，所述油动力发动机带动所述固定翼水平螺旋桨(7)转动，在所述机身(1)的尾部设有纵向平衡方向螺旋桨(6)和纵向平衡方向控制电机，所述纵向平衡方向控制电机带动所述纵向平衡方向螺旋桨(6)运行；

在所述机身(1)内设有智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机运行的自动驾驶仪，所述自动驾驶仪通过控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机的运行来实现无人机的垂直起飞、悬停、空中飞行以及垂直降落；

所述机载发电机为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池以及所述自动驾驶仪的电池提供电能，所述机身(1)内的还设有供油系统，所述供油系统为所述油动力发动机提供燃料，所述油动力发动机带动所述机载发电机发电。

2.根据权利要求1所述的一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，其特征在于，当无人机空中飞行时,所述机载发电机产生电能为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池和所述自动驾驶仪的电池充电。

3.根据权利要求2所述的一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，其特征在于，在所述机身(1)内还设有机载供电系统，所述机载发电机通过所述机载供电系统为所述机翼电机Ⅰ的电池、所述机翼电机Ⅱ的电池、所述纵向平衡方向控制电机的电池和所述自动驾驶仪的电池充电。

4.根据权利要求1所述的一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，其特征在于，所述自动驾驶仪通过不同的电子调速器分别智能控制所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ、所述油动力发动机以及所述纵向平衡方向控制电机的运行。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种油电混合动力固定翼垂直起降无人机系统，其特征在于，所述机翼电机Ⅰ、所述机翼电机Ⅱ以及所述纵向平衡方向控制电机都为无刷电机。