CN104943860B - 光伏六旋翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏六旋翼飞行器，属于飞行器技术领域。光伏六旋翼飞行器包括动力系统、能源系统和控制系统，其中，能源系统为动力系统和控制系统提供能源，动力系统驱动飞行器进行飞行，动力系统包括六个旋翼和分别驱动六个旋翼旋转的六个电机，能源系统包括：充电电池，充电电池在飞行器飞行时能够利用太阳能电源进行充电。本明提供的光伏六旋翼飞行器能借助太阳能延长续航时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏六旋翼飞行器，属于飞行器技术领域。
背景技术
近年来，世界主要国家在发展长航时无人机的同时, 也在着力发展小型和微型无人机, 不断研制无人机小型化, 甚至微型化的技术。世界各国对微小型无人机的需求日益提高, 并力求使其在作战中发挥更大的作用。随着嵌入式处理器、微传感器技术、控制理论的发展, 微机电系统技术在军事武器、民用产品等各方面的广泛应用, 世界各国都开始竞相开发研制遥控式、半自主式或自主式的单兵可携带的微小型无人机, 并逐步个人。微型无人机可以完成超低空侦察、干扰、监视等各种复杂的任务。载有全天候图像传感器的微小型无人机可以近距离对目标实施侦察监视。但是无人机机动性相对较弱，不能完成机动性需求较高的任务，而且成本较高，操作性复杂。
为克服无人机的缺点,多个公司或者集团研发了光伏六旋翼飞行器。图1是现有技术提供六轴旋翼飞行器的示意图。如图1所示，当六个旋翼以一定速度等速旋转时，该飞行器的合扭转力矩为零，可垂直起飞，加速的话即可上升，减速的话即可下降，维持速度的话可在一定高度悬停。当旋翼B和D等加速而旋翼A、C和E速度不变时，旋翼B、D和F对机体的扭转力矩增大，该飞行器的合扭转力矩不为零，该飞行器绕机体中心做逆时针方向旋转；而当旋翼A、C和E等加速而旋翼B、D和F的速度不变时，由于合扭转力矩不为零，该飞行器绕机体中心做顺时针方向旋转。因此该飞行器可通过调整不同旋翼的速度，即可灵活地实现垂直起降、旋停、平飞和原地旋转等运动。但是传统的光伏六旋翼飞行器，能源部分通常采用锂聚合物电池, 锂聚合物电池主要优点有：价格低廉；采购渠道丰富；可重复工作；在所有电力能源中其单位密度比最高。但随着传感器技术的提高，光伏六旋翼飞行器应用也随之广泛，已经逐渐渗透到了各个领域，锂聚合物电池已经不能满足光伏六旋翼飞行器更广阔的应用需求。
发明内容
为克服现有技术存在的缺点，本发明的发明目的是提供一种长光伏六旋翼飞行器，其能借助太阳能延长续航时间。
为实现所述发明目的，本发明提供一种光伏六旋翼飞行器，其包括动力系统、能源系统和控制系统，其中，能源系统为动力系统和控制系统提供能源，动力系统驱动飞行器进行飞行，动力系统包括四个旋翼和分别驱动四个旋翼旋转的四个电机，其特征在于，能源系统包括：充电电池，充电电池在飞行器飞行时能够利用太阳能电源进行充电。
优选地，所述太阳能电源包括：多个电并联响应性太阳能子电源。
优选地，每个太阳能子电源包括一串电串联响应性的太阳能孙电源、第一DC/DC转换器和第一控制器，其中，第一DC/DC转换器将一串电串联响应性的太阳能孙电源输出第一直流电压转换为第二直流电压，第一控制器根据第一直流电压控制第一DC/DC转换器的工作状态。
优选地，第一控制器为第一比较器。
优选地，每个太阳能子电源还包括第一电压传感器，其用于采样第地直流电压，第一比较器根据第一电压传感器所采样的电压控制控制第一DC/DC转换器的工作状态。
优选地，一串电串联响应性的太阳能孙电源包括至少一个光伏电池单元、第二DC/DC转换器和第二控制器，其中，第二DC/DC转换器将光伏电池输出的第三直流电压转换为第四直流电压，第二控制器根据第三直流电压控制第二DC/DC转换器的工作状态。
优选地，第二控制器为第二比较器。
优选地，每个太阳能孙电源还包括第二电压传感器，其用于采样光伏电池的输出电压，第二比较器根据第二电压传感器所采样的电压控制控制第二DC/DC转换器的工作状态。
与现有技术相比，本发明提供的光伏六旋翼飞行器能借助太阳能延长续航时间。
附图说明
图1是现有技术提供的光伏六旋翼飞行器的示意图；
图2是本发明提供的光伏六旋翼飞行器的控制器的示意图；
图3是本发明提供的光伏六旋翼飞行器的太阳能电源的电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
图2是本发明提供的光伏六旋翼飞行器的控制器的示意图。如图2所示，光伏六旋翼飞行器包括动力系统、能源系统和控制系统，其中，所述能源系统为动力系统和控制系统提供能源，动力系统驱动飞行器进行飞行，动力系统包括六个旋翼和分别驱动六个旋翼旋转的第一电机89、第二电机90、第三电机91、第四电机92、第五电机94和第六电机96，控制系统包括控制器MCU、通信子系统、第一电机驱动电路、第二电机驱动电路、第三电机驱动电路、第四电机驱动电路、第五电机驱动电路和第六电机驱动电路。通过子系统包括通信模块和收发天线，通信模块通过天线接收地面的指令，也用于将控制系统的数据调制到射频上并通过天线发送到地面。
第一电机驱动电路包括第一光电隔离器PE1和第一电机驱动器85，控制器经第一光电隔离器PE1连接于第一电机驱动器85的信号输入端，第一电机驱动器85包括第一数字信号处理器、第一电流传感器和第一转速传感器，其中，第一转速传感器用于探测第一电机89的实际转速；第一电流传感器用于探测驱动电机89的电流值；第一数字信号处理器根据电流传感器所探测的电流值、第一电机的实际转速和MCU提供的指令计算出驱动第一电机的电流值进而控制其转速。
第二电机驱动电路包括第二光电隔离器PE2和第二电机驱动器86，控制器经第二光电隔离器PE2连接于第二电机驱动器86的信号输入端。第二电机驱动器86包括第二数字信号处理器、第二电流传感器和第二转速传感器，其中，第二转速传感器用于探测第二电机90的实际转速；第二电流传感器用于探测驱动电机90的电流值；第二数字信号处理器根据电流传感器所探测的电流值、第二电机的实际转速和MCU提供的指令计算出驱动第二电机的电流值进而控制其转速。
第三电机驱动电路包括第三光电隔离器PE3和第三电机驱动器87，控制器经第三光电隔离器PE3连接于第四电机驱动器87的信号输入端。第三电机驱动器87包括第三数字信号处理器、第三电流传感器和第三转速传感器，其中，第三转速传感器用于探测第三电机91的实际转速；第三电流传感器用于探测第三电机91的电流值；第三数字信号处理器根据电流传感器所探测的电流值、第三电机的实际转速和MCU提供的指令计算出驱动第三电机的电流值进而控制其转速。
第四电机驱动电路包括第四光电隔离器PE4和第四电机驱动器88，控制器经第四光电隔离器PE4连接于第四电机驱动器88的信号输入端。第四电机驱动器88包括第四数字信号处理器、第四电流传感器和第四转速传感器，其中，第四转速传感器用于探测第四电机92的实际转速；第四电流传感器用于探测第四电机92的电流值；第四数字信号处理器根据电流传感器所探测的电流值、第四电机的实际转速和MCU提供的指令计算出驱动第四电机的电流值进而控制其转速。
第五电机驱动电路包括第四光电隔离器PEE5和第五电机驱动器93，控制器经第五光电隔离器PE5的连接于第五电机驱动器93的信号输入端。第五电机驱动器94包括第五数字信号处理器、第五电流传感器和第五转速传感器，其中，第五转速传感器用于探测第五电机94的实际转速；第五电流传感器用于探测第五电机94的电流值；第五数字信号处理器根据电流传感器所探测的电流值、第五电机的实际转速和MCU提供的指令计算出驱动第五电机94的电流值进而控制其转速。
第六电机驱动电路包括第六光电隔离器PEE6和第六电机驱动器95，控制器经第六光电隔离器PE6连接于第六电机驱动器95的信号输入端。第六电机驱动器95包括第六数字信号处理器、第六电流传感器和第六转速传感器，其中，第六转速传感器用于探测第六电机96的实际转速；第六电流传感器用于探测第六电机96的电流值；第六数字信号处理器根据电流传感器所探测的电流值、第六电机的实际转速和MCU提供的指令计算出驱动第六电机96的电流值进而控制其转速。
能源系统包括：太阳能电源、可充电电池Ec、充电器82和DC/DC转换器83，其中，太阳能电源将光伏能源转换为电能，充电器82利用太阳能电源给可充电电池Ec充电。充电器包括MPPT控制电路。充电器的正极输出端连接于二极管D7的正极，二极管D7的负极连接于可充电电池Ec的正极，可充电电池Ec的正极连接DC/DC转换器83的电源输入端，DC/DC转换器83将输入的直流电能转换为各种直流电能，如+5V、+12V和+24V等。
本发明中将光伏电池单元设置在飞行器的外壳上，主要设置在顶面、前面、后面、左面和右面，在飞行器飞行的过程中，随着飞行器飞行的角度不同，光伏电池单元受到光照射的强度也不同，其光电流也不同。如，在一段时间顶面的光伏电池和前面的光伏电池受到阳光的照射，此时，顶面和前面的光伏电池发生的光电流比较大，而后面的光伏电池处于影阴，其光电流比较小，而在光电池的串并联结构中，电源的性能总是受最劣性能的光伏电池的影响，为防止最劣性能的光伏电池的影响，本发明在每个太阳能孙电源和子电源中均采用了控制器，将输出处于劣势的光伏单元断开，如此可大大提高光伏电源的性能。
图3是本发明提供的光伏六旋翼飞行器的太阳能电源的电路图。如图3所示，所述太阳能电源包括多个电并联响应性太阳能子电源：第一太阳能子电源A1、第二太阳能子电源A2、…和第n个太阳能子电源An ,n为大于或者等于2的整数。每个太阳能子电源包括多个电性相串联的太阳能孙单元，即，每个太阳能子电源包括电串联的来自飞行器顶面的太阳能孙单元、来自飞行器前面的太阳能孙单元、来自飞行器左面的太阳能孙单元、来自飞行器右面的太阳能孙单元和来自飞行器后面的太阳能孙单元。每个太阳能子电源包括一串电串联响应性的太阳能孙电源、第一DC/DC转换器5、第一控制器7、二极管D4和二极管D3，其中，太阳能孙电源的正输出端连接于第一DC/DC转换器5的电源输入端，太阳能孙电源的公共端连接于第一DC/DC转换器5的电源输入公共端；第一DC/DC转换器5将一串电串联响应性的太阳能孙电源输出第一直流电压转换为第二直流电压，第一DC/DC转换器5的电源输出端连接于二极管D4的正极端；二极管D4的负极端连接于二极管D3的正极端，同时连接第一接线端子Sc，即太阳能电源正极输出端；二极管D3的负极端连接第二接线端子，即太阳能电源的公共端，同时极管D3的负极连接第一DC/DC转换器5的输出公共端，第一控制器7根据第一直流电压控制第一DC/DC转换器的工作状态。第一控制器7优选为第一比较器。每个太阳能子电源还包括第一电压传感器6，其用于采样第一直流电压，第一比较器7根据第一电压传感器所采样的电压控制控制第一DC/DC转换器的工作状态，当所采样的电压小于参考电压Vrf0时，使第一DC/DC转换器停止工作。本发明中设置D3的目的是，在该支路的太阳能子电源性能劣化时，使该路子电源自动断开，设置D4的目的是防止其它路工作正常的子电源给其倒提供能源。
每个太阳能孙电源包括由几个光伏电池串联、并联或者混联的光伏电池单元1、第二DC/DC转换器4、第二控制器3、二极管D2和二极管D1，其中，光伏电池单元1的正输出端连接于第二DC/DC转换器4的电源输入端，光伏电池单元1的公共端连接于第二DC/DC转换器4的电源输入公共端；第二DC/DC转换器4将光伏电池单元1输出第三直流电压转换为第四直流电压，第二DC/DC转换器4的电源输出端连接于二极管D2的正极端；二极管D2的负极端连接于二极管D1的正极端，同时连接第三接线端子；二极管D1的负极端连接第四接线端子同时连接第二DC/DC转换器4的输出公共端，第二控制器3根据第三直流电压控制第二DC/DC转换器4的工作状态。第二控制器3优选为第二比较器。每个太阳能子电源还包括第二电压传感器2，其用于采样第三直流电压，第二比较器3根据第二电压传感器2所采样的电压控制控制第二DC/DC转换器4的工作状态。当所采样的电压小于参考电压Vrf1时，使第二DC/DC转换器停止工作。本发明中设置D1的目的是，在该支路的光伏电池性能劣化时，使该支路的孙电源自动断开，设置D2的目的是防止其它路工作正常的孙电源给其倒提供能源。
本发明中，使每一支路的太阳能子单元中的太阳能孙单元彼此相邻孙单元首尾相连，如此形成电串联性能的单元，如第一支路的太阳能子单元A1中太阳能孙单元A11的第三接线端子连接于DC/DC转换器5的电源接入端，A11的第四接线端子连接于A21的第三接线端子，A21的第四接线端子连接于，…，Am1的第三接线端子，Am1的第四接线端子接公共端。其它支路的太阳能孙单元A2、…、An与第一支路的太阳能子单元相同。这里不再重述。
本发明采用了太阳能给可充电电池充电，在飞行器飞行的过程中，在有阳光时，利用太阳能给可充电电池充电，使光伏能源补充了充电电池部分消耗的能源，从而使飞行器的飞行时间延长。
以上所述仅是对本发明的实施方式做了详细的说明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种光伏六旋翼飞行器，其包括动力系统、能源系统和控制系统，其中，能源系统为动力系统和控制系统提供能源，动力系统驱动飞行器进行飞行，动力系统包括六个旋翼和分别驱动六个旋翼旋转的六个电机，能源系统包括：充电电池，充电电池能够利用太阳能电源进行充电，其特征在于，所述太阳能电源包括：多个电并联响应性的太阳能子电源，每个太阳能子电源包括电串联的来自飞行器顶面的太阳能孙电源、来自飞行器前面的太阳能孙电源、来自飞行器左面的太阳能孙电源、来自飞行器右面的太阳能孙电源和来自飞行器后面的太阳能孙电源，每个太阳能孙电源包括光伏电池单元，每个太阳能子电源还包括第一DC/DC转换器、第一控制器、第一二极管（D4）和第二二极管（D3），其中，太阳能孙电源的正输出端连接于第一DC/DC转换器的电源输入端，太阳能孙电源的公共端连接于第一DC/DC转换器的输入公共端；第一DC/DC转换器将一串电串联响应性的太阳能孙电源输出的第一直流电压转换为第二直流电压，第一DC/DC转换器的电源输出端连接于第一二极管（D4）的正极端；第一二极管的负极端连接于第二二极管（D3）的负极端，同时连接第一接线端子；第二二极管的正极端连接第二接线端子，同时第二二极管（D3）的正极端连接第一DC/DC转换器的输出公共端，第一控制器根据第一直流电压控制第一DC/DC转换器的工作状态。
2.根据权利要求1所述的光伏六旋翼飞行器，其特征在于，第一控制器为第一比较器。
3.根据权利要求2所述的光伏六旋翼飞行器，其特征在于，每个太阳能子电源还包括第一电压传感器，其用于采样第一直流电压，第一比较器根据第一电压传感器所采样的电压控制第一DC/DC转换器的工作状态。
4.根据权利要求3所述的光伏六旋翼飞行器，其特征在于，太阳能孙电源还包括第二DC/DC转换器、第二控制器、第三二极管（D2）和第四二极管（D1），其中，光伏电池单元的正输出端连接于第二DC/DC转换器的电源输入端，光伏电池单元的公共端连接于第二DC/DC转换器的输入公共端；第二DC/DC转换器将光伏电池单元输出的第三直流电压转换为第四直流电压，第二DC/DC转换器的电源输出端连接于第三二极管（D2）的正极端；第三二极管的负极端连接于第四二极管（D1）的负极端，同时连接第三接线端子；第四二极管的正极端连接第四接线端子，同时第四二极管的正极端连接第二DC/DC转换器的输出公共端，第二控制器根据第三直流电压控制第二DC/DC转换器的工作状态。
5.根据权利要求4所述的光伏六旋翼飞行器，其特征在于，第二控制器为第二比较器。
6.根据权利要求5所述的光伏六旋翼飞行器，其特征在于，每个太阳能孙电源还包括第二电压传感器，其用于采样光伏电池单元的输出电压，第二比较器根据第二电压传感器所采样的电压控制第二DC/DC转换器的工状态。
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