CN105109704B - 一种基于多旋翼飞行平台的系留系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多旋翼飞行平台的系留系统，包括：地面设备、系留线缆、多旋翼飞行器和任务设备；所述任务设备安装于所述多旋翼飞行器的设备安装架上，所述系留线缆两端分别连接所述设备安装架和所述地面设备；所述多旋翼飞行器的旋翼对称分布在机体的左、右两边。本发明提供的多旋翼系统既即为升力系统也是姿态控制系统，可相互备份，在单个旋翼失效的情况下，系统的升力不会发生陡然变化，控制也可以切换到低阶旋翼模式；有效提高系统可靠性。

Description

一种基于多旋翼飞行平台的系留系统

技术领域

本发明涉及一种无人飞行器领域的系统，具体讲涉及一种基于多旋翼飞行平台的系留系统。

背景技术

系留系统主要是通过缆线将搭载有专用通讯设备和光电设备的飞行平台栓系在地面锚点上，实现长时间的通讯网组建和对既定目标的监控。气球、飞艇和涵道式飞行器等无人飞行器具有垂直起降和稳定悬停的特点，在侦查、通信及航拍等领域作为系留平台被广泛应用。

系留气球或系留飞艇虽然可以在空中长时间滞留，但其体积很大，不便于机动，抗风能力差，且所充氦气价格昂贵，维护成本高。而涵道飞行器必须使用多条系缆，成本高、架设开通复杂，且需要较大的架设场地；多条系缆系留飞行时，机身水平朝向是固定的，无法根据任务的实际需求灵活旋转水平朝向，除非将飞行器降下后，将各个方向的系缆同时移动到另一水平角度后重新升起，操作十分麻烦；并且必须考虑整个飞行器的平衡配重，否则会影响飞行器的稳定性，对系统的实际应用提出了许多限制；由于涵道飞行器的自稳定能力有限，因此对伺服系统的自动控制能力要求很高。

现有技术中有共轴双旋翼与四旋翼相结合的办法研发出具有一定载荷能力的系留平台。目前公开研究成果的只有以色列的Sapience公司出品的HoverMast-100系留平台，该平台仍处于实验室阶段，其主要性能指标为：悬停高度：50m、有效载荷：6kg、抗风性能：＜12m/s、升空回收时间：10～15s、航时：由地面站动力源确定。

该平台旋转部件(仅指旋翼系统)有六个，其中，中心共轴双旋翼为升力提供部件，周边四旋翼系统为姿态控制部件，若该中心多旋翼系统出现问题，不但会导致升力不足，还会引起中心力矩的不平衡；若四旋翼中的某个旋翼出现故障，系统会进入不可控制状态。每个旋转部件出现故障对系统本身都是致命的，系统可靠性较低。

而，将中心共轴双旋翼与多旋翼系统相结合后，控制系统需同时考虑中心共轴双旋翼的控制和多旋翼的控制，考虑的控制变量较多，控制逻辑比较复杂，太复杂的系统控制同样也将降低系统的可靠性。

另外，该系统的载荷能力为6kg，对于系留平台希望搭载的专用监测和通讯设备而言载荷能力较不足，属于小型系留平台。

为解决上述现有技术的问题，本发明提供一种基于多旋翼飞行平台的系留系统。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多旋翼飞行平台的系留系统。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种基于多旋翼飞行平台的系留系统，其改进之处在于：所述系留系统包括：地面设备、系留线缆、多旋翼飞行器和任务设备；

所述任务设备安装于所述多旋翼飞行器的设备安装架上，所述系留线缆两端分别连接所述设备安装架和所述地面设备；

所述多旋翼飞行器的旋翼圆周均布在所述多旋翼飞行器的机体周边。

优选地，所述地面设备包括：地面供电设备、地面回收设备、减震支撑设备和地面定位与通讯设备；

所述地面回收设备位于最底层，上层放有所述减震支撑设备，所述减震支撑设备为凹字形设备，其下凹部位贯通，使所述系留线缆连接所述地面回收设备；

所述地面供电设备上方设有所述地面定位与通信设备，两者的整体放置于所述减震支撑设备和地面回收设备的一侧，所述地面供电设备为地面回收设备和地面定位与通讯设备供电；

所述减震支撑设备为发泡材料组成的型腔，在运输的过程中，所述发泡材料减小运输震动，在飞行器回收的过程中，所述减震支撑设备能吸收掉飞行器下降时的冲击力，保护飞行器结构及其内部电子设备。

优选地，所述地面供电设备输入380V、50Hz交流电，经输入滤波器滤波后，由主动功率因数校正整流后与备用电池并接进行boost升压，升至800～2400V高压直流后，经输出滤波器滤波后输出到所述系留缆绳的供电线路。

优选地，所述地面回收设备，包括：绞线盘、压力传感器、转速控制器和系留线缆；

所述压力传感器采集所述绞线盘基座上的压力，根据拉力大小、通过所述转速控制器控制所述绞线盘的电机转向和转速，控制所述系留线缆的拉力，保持所述系留线缆的拉力在其所能承受的安全范围内。

优选地，所述地面定位与通讯设备，包括差分GPS定位器和光通讯设备；

所述光通讯设备中光电转换装置采用以太网光纤收发器，传输速率为0Mbps到1000Mbps，用于传输飞控信息、任务载荷产生的图像、音频信息。

优选地，所述系留线缆包括：

位于中心位置的FRP中心加强件、所述FRP中心加强件外层的两条输电导线、两条光纤 和两条填充绳，及位于外侧的芳纶加强层和PE外护套；

所述系留线缆长期抗拉强度为1100N/100mm，重量为0.060kg/m～0.180kg/m。

优选地，所述任务设备采用可见光和红外综合光学电子吊舱或专业小型雷达设备，用于对预先设定的目标进行识别和跟踪。

优选地，所述多旋翼飞行器，包括：飞行器结构本体、任务安装架、机载电源设备、动力设备、飞行控制器和机载通讯设备；

所述飞行控制器位于所述飞行器结构本体中，所述动力设备和所述机载通讯设备分别安装于所述飞行器结构本体的机翼上；所述飞行器结构本体下方装有所述机载电源设备，所述机载电源设备连接所述任务安装架，所述任务安装架上安装任务设备；

所述飞行器结构本体，采用高效的高压大功率无刷外转子电机和螺旋桨，可提升10-20kg的任务载荷；

所述多旋翼飞行器接收地面电源后，将其电压稳到较低电压后，驱动多个高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，为任务分系统提供电力支持。

优选地，所述机载电源设备接收经供电线路输送的高压电，经电源变换模块降压输出，再经滤波后分为两路与备用电池并接输出300V～600V的电流提供给动力系统，以驱动多个高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，及输出12V～36V的电流提供给机载电子设备和机载任务设备使用；

系留缆线中的通讯线路和供电线路通过所述任务安装架接入所述机载电源设备。

优选地，所述动力设备为高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，单台电机的工作电压为300V～600V，最大输出功率为2.5kw～5kw，多台电机组合后能有效提升10kg～20kg的任务载荷；

飞行控制器板载GPS/BD接收机和惯性导航组件，采集惯性导航组件的姿态信息和加速度信息及GPS/BD的经纬度、高度信息，与地面传送来的差分GPS经纬度、高度信息和航向航速信息比较，获得准确的相对地面锚点的高度、相对地面锚点的平面坐标位置和地面锚点的航向航速，经PID控制算法得到各旋翼的转速，产生控制飞行姿态的力矩，控制飞行姿态、飞行高度和飞行方向。

所述机载通讯设备采用以太网光纤收发器，传输速率为10Mbps到1000Mbps，传输飞控信息、任务载荷产生的图像和音频信息。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的多旋翼飞行器与共轴双旋翼和多旋翼相结合的飞行器相比，多旋翼的旋翼系统既是升力系统也是姿态控制系统，并且可相互备份，在单个旋翼失效的情况下，系统的升力不会发生陡然变化，控制也可以切换到低阶旋翼模式；而共轴双旋翼与多旋翼相结合的飞行器升力主要由共轴双旋翼提供，控制力和力矩主要由多旋翼提供，如果共轴双旋翼系统一组旋翼发生故障，故障的旋翼一方面会威胁到另外一组旋翼，还会使升力和反扭力陡然变化。采用多旋翼系统作为系留平台可有效提高系统可靠性。

2、本发明提供的多旋翼飞行器的控制简单，而共轴双旋翼与多旋翼相结合的飞行器要考虑共轴双旋翼的控制模式，也要考虑多旋翼控制模式，控制相对复杂，简单的控制方式可提高系统的可靠性。

3、相对非系留的多旋翼系统，系留平台不但要承载任务设备，还要承载系留线缆的重量，地面采用高效升压电路提供直流高压，可有效降系留缆绳中低输电电缆的电流，减少线缆重量。

4、由于采用了高压供电方式，地面可将较大功率输送至系留飞行器平台，为飞行器提供较富裕的功率余量，不但可以提高系统的承载能力，为承载专业任务设备提供充足的载重余量，还可以提高系统的抗风能力。

5、本发明提供的高压大功率无刷外转子电机的选择可高效将电能转化为机械能，减少了系统的电能损失，另外，采用高压电路供电电流小，减小了飞行平台本身的电磁干扰，提高了系统可靠性。

6、本发明由于采用了地面供电的方式，悬停时间仅受飞行平台自身工作寿命限制，远高于传统的多旋翼系统留空时间。

7、本发明采用了光通讯的方式，一方面可提高系统数据传输量，可以传输高清图像等大信息量数据，并给控制回路提供可靠的传输通道，另一方面光通讯抗电磁干扰能力强，可有效提高系统可靠性。

8、本发明采用的系留线缆中设计了供电电缆、光纤，并用芳纶纤维加强、抗拉能力大大超过飞行器最大功率状态的拉力，可通过一根缆绳完成系留、供电、通讯。

9、本发明采用的拉力控制技术有效保障了缆绳上的拉力小于系统所能承受的过载能力，提高了系统可靠性。

10、本发明采用的发泡材料制成的减震支撑设备设计简单，使用可靠，为飞行器安全降落和运输提供了可靠的保障。

11、除了地面供电，本发明还设计了地面备用电池，飞行平台本身还搭载了备用电池， 系统可靠性得到进一步提高。

12、本发明中采用万向节连接多旋翼飞行器和任务安装架，可减小由系留线缆和设备安装带来的附加力矩，减轻了旋翼系统的操纵难度，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的基于多旋翼飞行平台的系留系统的结构示意图；

图2为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统地面设备的结构示意图；

图3为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统地面供电设备工作示意图；

图4为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统地面回收设备工作示意图；

图5为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统通讯工作示意图；

图6为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统系留线缆结构示意图；

图7(A)为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统多旋翼飞行器的结构正向示意图；

图7(B)为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统多旋翼飞行器的结构A向示意图；

图8为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统任务安装架示意图；

图9为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统机载供电设备工作示意图；

附图标记：1-地面设备；2-系留线缆；3-任务设备；4-多旋翼飞行器；5-地面供电设备；6-地面回收设备；7-减震支撑设备；8-地面定位与通讯设备；9-FRP中心加强件；10-填充绳；11-电线；12-光纤；13-芳纶加强层；14-PE外护套；15-任务安装架；16-机载电源；17-动力设备；18-飞行控制器；19-机载通讯设备；20-悬挂绳；21-通讯供电电缆；22-万向节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的基于多旋翼飞行平台的系留系统的结构示意图；本发明提供的基于旋翼飞行平台的系留系统包括以下分系统：地面设备、系留线缆、多旋翼飞行器和任务设备。

其中，任务设备安装于所述多旋翼飞行器的设备安装架上，所述系留线缆两端分别连接所述安装架和所述地面设备，从而连接所述多旋翼飞行器和地面设备。

如图2所示，图2为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统地面设备的结构示意图；地面设备包括：地面供电设备、地面回收设备、减震支撑设备和地面定位与通讯设备。

其中，所述地面回收设备位于最底层，上层放有减震支撑设备，该减震支撑设备为凹字 形设备，其下凹部位贯通，使所述系留线缆连接所述地面回收设备。

所述地面供电设备上方设有所述地面定位与通信设备，两者的整体放置于所述减震支撑设备和地面回收设备的一侧，所述地面供电设备为地面回收设备和地面定位与通讯设备供电。

如图3所示，图3为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统地面供电设备工作示意图；地面供电设备，用于将地面交流电源或直流电源转化为直流电，通过所述系留供电电缆以传输至所述多旋翼飞行器。

地面供电设备输入380V、50Hz交流电，经滤波和主动功率因数校正(PFC)整流后与备用电池并接进行boost升压，升至800～2400V高压直流，经再次滤波后输出到系留缆绳中的供电线路中，最大输出电流9A～27A，保证输出功率21.6kw，地面供电设备电能转换效率可达到90％。

如图4所示，图4为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统地面回收设备工作示意图；地面回收设备由压力传感器采集绞线盘基座上的压力，根据拉力大小控制绞线盘电机的转向和转速，由此控制系留线缆的拉力，以保持系留线缆的拉力在其所能承受的安全范围内。

减震支撑设备主要是泡沫等发泡材料组成的型腔，在运输的过程中，这些材料减小了运输震动，在飞行器回收的过程中，减震支撑设备能吸收掉飞行器下降时的冲击力，有效保护了飞行器结构及其内部电子设备。

如图5所示，图5为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统通讯工作示意图；地面定位采用差分GPS，定位精度可达到0.5m以内，通讯采用光通讯的方式，能有效抵抗外界的电磁干扰，提高系统可靠性。光通讯中光电转换装置采用以太网光纤收发器，传输速率可以从10Mbps到1000Mbps。飞控信息及任务载荷产生的图像、音频信息均通过这一通道传输。

如图6所示，图6为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统系留线缆结构示意图；本发明中系留线缆包括了两条2平方毫米导线和两条光纤，中心有FRP加强件，导线和光纤外面套有芳纶加强层和PE外护套，长期抗拉强度达到1100N/100mm，重量仅为0.060kg/m～0.180kg/m。系缆的抗拉强度大大超过了线缆自身悬垂部分的重力及环境风力，保证了供电和通讯系统的可靠性。导线可持续传输9A～27A(峰值)的电流并且线损很少，导线本身发热量小，也保证了线绞盘的工作安全性。

任务设备采用市面上能采购得到的现有的成熟的专业可见光和红外综合光学电子吊舱或专业小型雷达设备，能对预先设定的目标进行识别和跟踪。吊舱本身带有三轴陀螺稳定平台，可根据吊舱本身的姿态调整可见光、红外摄像机和雷达的探测角度，保证图像的稳定输出，有利于图像的跟踪。

如图7所示，图7为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统多旋翼飞行器的结构示意图；多旋翼飞行器的旋翼圆周均布在机体周边；图7所示为六旋翼圆周均布在机体周边，但多旋翼飞行器的旋翼数量不仅仅限于六旋翼，还可能为四旋翼、八旋翼等。

多旋翼飞行器，采用高效的高压大功率无刷外转子电机和螺旋桨，可有效提升10-20kg的任务载荷。

多旋翼飞行器接收地面电源后，将其电压稳到较低电压后，驱动多个高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，还为任务分系统提供电力支持。

需要说明的是，除通过供电分系统提供的地面电源供电，多旋翼飞行器上设有备用电池，在地面供电系统失效时为飞行器回收提供电源；保证多旋翼飞行器的正常工作。

多旋翼飞行器除去飞行器结构本身，还包含了任务安装架、机载电源设备、动力设备、飞行控制器和机载通讯设备。

如图8所示，图8为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统任务安装架示意图；任务安装架为任务的安装平台，系留缆线中的通讯线路和供电线路通过任务安装架接入机载电源设备。由于任务设备较重，为了避免其对飞行器操纵力矩产生较大影响，任务安装架悬挂在万向节下，只让机体承受向下的拉力，而不产生附加的力矩。

如图9所示，图9为本实施例中基于多旋翼飞行平台的系留系统机载供电设备工作示意图；机载电源设备将供电线路输送过来的高压电经电源变换模块降压输出，再经滤波后分为两路与备用电池并接输出。机载电源设备输出一路为300V～600V，提供给动力系统，驱动多个高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统；另一路为12V～36V，提供给机载电子设备和机载任务设备使用。飞行器上的备用电池是在地面供电系统失效时为飞行器回收提供电源，保证多旋翼飞行器的安全回收。

动力设备为高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，单台电机的工作电压为300V～600V，最大输出功率为2.5kw～5kw，多台电机组合后能有效提升10kg～20kg的任务载荷。由于电机的工作电压较高，所以电机的KV值小，保证螺旋桨工作在有效的转速下。

飞行控制器板载GPS/BD接收机和惯性导航组件，采用相对成熟的多旋翼飞行控制算法。飞控系统一方面采集惯性导航组件的姿态信息和加速度信息，另一方面采集GPS/BD的经纬度、高度信息，与地面传送来的差分GPS经纬度、高度信息和航向航速信息比较，得到准确的相对地面锚点的高度、相对地面锚点的平面坐标位置和地面锚点的航向航速，经PID控制算法得到各旋翼的转速，由此产生控制飞行姿态的力矩，从而有效控制飞行姿态、飞行高度和飞行方向。

机载通讯设备同地面通讯设备，采用以太网光纤收发器，传输速率可以从10Mbps到1000Mbps。飞控信息及任务载荷产生的图像、音频信息均通过这一通道传输。系统通讯设备工作示意图如图5所示。

本发明的方案中，将传统的多旋翼系统改造为低空系留平台，所述系统通过对地面设备、系留线缆、任务设备和多旋翼飞行器的设计，实现的总体性能指标如下：

悬停高度50m，有效载荷10～15kg，抗风性能7级，升空/回收时间20～25s,悬停时间由地面设备动力源确定。

传统的多旋翼系统悬停时间为20～30min，该系统由于采用了地面供电的方式，用800～2400V高压供电减小了传输电流，减轻了供电线缆重量，悬停时间远高于传统的多旋翼系统。

以色列的HoverMast-100效载荷方面为6公斤，该系统动力系统功率大，所以能承载10～15kg更专业的任务载荷。国内相同类型的系留平台的承载能力仅为5～8kg。

以色列的HoverMast-100抗风等级为6级，该系统动力系统功率大，设计时留有很多富裕功率，可将抗风等级提升为7级,性能更优。

该系统采用多旋翼替代HoverMast-100的旋翼模式，加上地面电源备份、系留线缆高抗拉强度设计、空中电源备份，大大提高可靠性。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于多旋翼飞行平台的系留系统，其特征在于：所述系留系统包括：地面设备、系留线缆、多旋翼飞行器和任务设备；

所述任务设备安装于所述多旋翼飞行器的设备安装架上，所述系留线缆两端分别连接所述设备安装架和所述地面设备,所述多旋翼飞行器的设备安装架通过万向节与多旋翼飞行器连接；所述多旋翼飞行器的旋翼圆周均布在所述多旋翼飞行器的飞行器结构本体周边；

所述地面设备包括：地面供电设备、地面回收设备、减震支撑设备和地面定位与通讯设备；

所述地面回收设备位于最底层，上层放有所述减震支撑设备，所述减震支撑设备为凹字形设备，其下凹部位贯通，使所述系留线缆连接所述地面回收设备；

所述地面供电设备上方设有所述地面定位与通信设备，两者的整体放置于所述减震支撑设备和地面回收设备的一侧，所述地面供电设备为地面回收设备和地面定位与通讯设备供电；

所述减震支撑设备为发泡材料组成的型腔，在运输的过程中，所述发泡材料减小运输震动，在飞行器回收的过程中，所述减震支撑设备能吸收掉飞行器下降时的冲击力，保护飞行器结构及其内部电子设备；

所述地面供电设备输入380V、50Hz交流电，经输入滤波器滤波后，由主动功率因数校正整流后与备用电池并接进行boost升压，升至800～2400V高压直流后，经输出滤波器滤波后输出到所述系留线缆的供电线路；

所述地面回收设备，包括：绞线盘、压力传感器、转速控制器和系留线缆；

所述压力传感器采集所述绞线盘基座上的压力，根据拉力大小、通过所述转速控制器控制所述绞线盘的电机转向和转速，控制所述系留线缆的拉力，保持所述系留线缆的拉力在其所能承受的安全范围内；

所述地面定位与通讯设备，包括差分GPS定位器和光通讯设备；

所述光通讯设备中光电转换装置采用以太网光纤收发器，传输速率为0Mbps到1000Mbps，用于传输飞控信息、任务设备产生的图像、音频信息；

所述系留线缆包括：位于中心位置的FRP中心加强件、所述FRP中心加强件外层的两条导线、两条光纤和两条填充绳，及位于外侧的芳纶加强层和PE外护套；

所述系留线缆长期抗拉强度为1100N/100mm，重量为0.060kg/m～0.180kg/m；

所述任务设备采用可见光和红外综合光学电子吊舱或专业小型雷达设备，用于对预先设定的目标进行识别和跟踪；

所述多旋翼飞行器，包括：飞行器结构本体、任务安装架、机载电源设备、动力设备、飞行控制器和机载通讯设备；

所述飞行控制器位于所述飞行器结构本体中，所述动力设备和所述机载通讯设备分别安装于所述飞行器结构本体的旋翼系统上；所述飞行器结构本体下方装有所述机载电源设备，所述机载电源设备连接所述任务安装架，所述任务安装架上安装任务设备；

所述飞行器结构本体，采用高效的高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，提升10-20kg的任务设备；

所述多旋翼飞行器接收地面电源后，将其电压稳到较低电压后，驱动多个高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，为机载电子设备和机载任务设备提供电力支持；

所述机载电源设备接收经供电线路输送的高压电，经电源变换模块降压输出，再经滤波后分为两路与备用电池并接输出300V～600V的电流提供给动力系统，以驱动多个高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，及输出12V～36V的电流提供给机载电子设备和机载任务设备使用；

系留缆线中的通讯线路和供电线路通过所述任务安装架接入所述机载电源设备；

所述动力设备为高压大功率无刷外转子电机和旋翼系统，单台电机的工作电压为300V～600V，输出功率为2.5kw～5kw，多台电机组合后能有效提升10kg～20kg的任务设备；

飞行控制器板载GPS/BD接收机和惯性导航组件，采集惯性导航组件的姿态信息和加速度信息及GPS/BD的经纬度、高度信息，与地面传送来的差分GPS经纬度、高度信息和航向航速信息比较，获得准确的相对地面锚点的高度、相对地面锚点的平面坐标位置和地面锚点的航向航速，经PID控制算法得到各旋翼的转速，产生控制飞行姿态的力矩，控制飞行姿态、飞行高度和飞行方向；

所述机载通讯设备采用以太网光纤收发器，传输速率为10Mbps到1000Mbps，传输飞控信息、任务设备产生的图像和音频信息。