CN105711826A - 一种串联式油电混合动力无人飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种串联式油电混合动力无人飞行器，它包括机体、多个电动机和多个旋桨，还包括燃油发动机、交流发电机、整流器、电池组、油门伺服、控制电路，所述控制电路实时检测电池组的电量和充放电状态，并闭路控制所述燃油发动机的转速，从而控制电池组的电量。本发明续航能力强，飞行平稳，可应用于远程的管线巡线、电力巡线，高密度起降的小型包裹速递、急救、救灾工作，大面积的植保作业，长时间的无人滞空摄影，空中监视，应急现场信息反馈等。

Description

一种串联式油电混合动力无人飞行器
技术领域
本发明涉及一种飞行器，特别是一种串联式油电混合动力的无人飞行器。
背景技术
近年，无刷电动无人机因其良好的机动性、灵活性和便捷性得到了广泛的使用。大多数多旋翼飞行器由电池、电动机、电子调速器、飞行控制器四个主要部件组成。
目前绝大部分无刷电动无人机利用高分子锂电池提供能源。被电池的能量密度所限，无人机的续航时间大多被限制在30分钟以内。增加电池的挂载量并本能有效提高续航时间，因为更多的电池增加了起飞重量，从而要求电动机以更高的输出来滞空，所以难以实现更长续航时间。
目前有两种已知方案可以有效延长无人的续航时间，四种方法都可将无人机的续航时间提升到30分钟以上，但是也各有缺点：第一种是以专利CN102514711A和CN204473131U为代表的并联式油电混合动力方案；此方案利用燃油机和电动机分别带动不同的旋桨，以燃油机为动力输出主体，电动机为动力输出辅助来实现延长续航时间；因为利用了燃油机对旋翼的直接输出，此方案对旋桨布局和机体结构有特殊要求，所以在设计时难免要在气动布局和结构布局的优化上做必要的取舍；第二种是以一家德国公司Yeair的设计为代表的并联式油电混合动力方案，与第一种方案不同之处在于其利用燃油发动机和电动机带动同一个旋桨，即每一个旋桨配备两个动力来源；这种方案虽然对续航有一定的提升，但是多个微型化的燃油发动机势必会降低发动机的综合热效率和提高故障机率。第三种是一家美国公司GeneratorSmart设计的适用于Walkera无人机的增程器；GeneratorSmart利用微型硝基发动机以极高的固定转速带动发电机。硝基发动机虽然有较高的功率重量比，但是燃烧效率较低；而且因为使用硝基甲烷作为燃料，使用成本远远高于汽油机。固定速度的运转模式虽然可以达到增程目的，但是不能算作是真正意义上的混个动力，混合动力要求发动机可以对输出和电量的变化做出油门调节。第四种方法是应用燃料电池来取代锂电池为飞行器供能。燃料电池虽然有着很大的能量密度，但是现有技术的功率重量比远低于微型内燃机而且其成本高昂，所以现有技术在无飞行器上的应用存在重重困难。
因此设计一款能够突破电池能量密度低的瓶颈，大幅延长无人机的续航时间，同时克服上述现有技术方案的制约条件是本领域亟需解决的一个技术问题。
发明内容
为克服上述同类技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种油电混合无人飞行器，可以大幅延长由于电池能量密度所限制的飞行时间。
实施本发明所采用的技术方案是：
一种串联式油电混合动力无人飞行器，包括机体、多个电动机和多个旋桨，还包括：
燃油发动机，用于提供动能；
交流发电机，用于将燃油发动机的动能转化为交流电；
整流器，用于将交流发电机的交流电能转化为直流电；
电池组，用于储存交流发电机或外部的电能且为多个电动机提供电能；
油门伺服，用于调节燃油发动机进气阀门角度，控制燃油发动机转速；
包括控制电路，所述控制电路包括：
a、油门控制器，用于为油门控制伺服提供脉冲信号；
b、转速误差模块，用于为油门控制器提供脉冲信号；
c、转速PID控制器，用于设定转速并为转速误差模块提供脉冲信号；
d、电压误差模块，用于为转速PID控制器提供脉冲信号；
e、电压换算模块，用于设置飞行器运行电压并为电压误差模块提供输入信号；
所述电压误差模块的输入信号还包括电池组的电压信号；
所述转速误差模块的输入信号还包括交流发电机的反馈信号和发动机的转速信号；
所述控制电路实时检测电池组的电量和充放电状态，并闭路控制所述燃油发动机的转速，从而控制电池组的电量。
优选地，所述整流器为包括多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET的同步整流器。
优选地，所述燃油发动机为两冲程汽油发动机，驱动或通过变速器驱动所述交流发电机。
优选地，所述燃油发动机为转子发动机；所述转子发动机直接带动或通过变速器间接带动所述交流发电机。
优选地，本发明还包括启动器，用于多个电动机平稳启动以及软停车、制动、过载保护。
本发明的有益效果是，所需能源来源于燃油转化成的电能，续航能力强，和全电力驱动相比，对机体的结构的无特别要求。电池组能起到缓冲作用，弥补交流发电机的输出相对于无人机实时载荷相对误差，控制电路实时调节发动机转速，使飞行器运行平稳，同时保持电池组的电量相对稳定。应用于远程的管线巡线、电力巡线，高密度起降的小型包裹速递、急救、救灾工作，大面积的植保作业，长时间的无人滞空摄影，空中监视，应急现场信息反馈等等。
附图说明
图1是本发明多旋翼机身实施例结构示意图。
图2是本发明固定翼机身实施例结构示意图。
图3是本发明的实施例中同步整流器示意图。
图4是本发明的实施例中控制电路的原理图。
图5是本发明的实施例中供能单元的组装示意图。
图6是本发明的实施例的总装示意图之一。
图7是本发明的实施例的总装示意图之二。
具体实施方式
根据图1至图7，对本发明具体实施方式进行详细的叙述。
参见图1、图3，本发明包括八轴机体10、供能系统9、飞行控制系统13、电子调速器8、八个电动机11和八个旋桨12。供能系统9包括二冲程燃油发动机1、三相交流发电机2、整流器3（三相桥式同步整流器）、电池组4、控制电路5和启动器6、油门伺服7。油门伺服7根据油门控制器103的脉冲信号来调节燃油发动机1进气阀门角度，从而控制燃油发动机1转速。
参见图4，控制电路5主要包括油门控制器103、转速误差模块104、转速PID控制器112、电压误差模块111、电压换算模块110。油门控制器103的脉冲信号宽度由转速误差模块104依据转速误差计算产生；转速误差模块104的输出由转速PID控制器112计算生成，其输入是燃油发动机1的实时转速和由转速PID控制器112产生的设定转速；转速PID控制器112的设置转速由控制程序111计算生成；电压误差模块111的输出由转速PID控制器112生成，其输入是电池组4的电压和电压换算模块110设置的系统运行电压；系统运行电压为在运行过程中，燃油发动机和交流发电机的为保证稳定输出而设置的控制参照电压。运行电压一般为低于电池组最高电压0到2.5伏；电池组4的电压受到电流输出113和整流器3输出的影响。当输出电流大于整流器输出时，电池处于放电状态，当输出电流小于整流器输出时，电池组4处于充电状态。整流器3的输入为交流发电机2的电流和电压输出；整流器3实时根据三相电压的变化来改变N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)的导电状态；由于金氧半场效晶体管可有极低的导流电阻，所以在整流效率上会高于传统二极管整流器；发电机的电流输出受电池组的电压和发动机的输出功率影响。
参见图4，电压换算模块110由运转电量109提供信号，电池组4输入信号还包括初始电量108的信号和输出电流113的信号。
以下列举本实施主要部件所采用的电路原理或结构或具体型号和参数：
机体10，大疆筋斗云S1000机体；对称电机轴距：1045mm；转轴数量：8；中心架直径：37.5mm；中心架总重量：1330g；机体结构材料：碳纤维；电动机KV值：400rpm/V；电动机最大功率：500W；电子调速器工作电流：40A；电子调速器工作电压：6S锂电池（22.2V）；旋翼材料：高强度工程所料；旋翼尺寸：15X5.2英寸；旋翼重量：13g；整机重量：4.2kg；悬停功耗：1500W（9.5kg起飞重量）。
燃油发动机1，DLE30两冲程汽油发动机；3.7HP/8500rpm/2.76kW；怠速：1600rpm；排量：30.5cc；润滑比：30:1；重量：主机重910g，总重1090g。
交流发电机2，ScorpionHKIII-5020-450KV；KV值：450rpm/V；总量：501g；极限功率：5320W；（5s）；极限电流：120A（5s）；最大持续功率：3770W；最大持续电流：85A；
电池组4，DLG20C6S3000mAhLiPoBattery；最大持续放电电流：60A；持续充电电流：3A；峰值放点电流：120A；最高电压：25.2V；最低电压：18V；重量：416g。
整流器3，电路原理参见附图3。
控制电路5，原理图参见附图4，混合动力系统电路中，工作电压：20-25V；控制芯片：ATmega328。
启动器6，EME30-35cc电动启动器；最大电流：60A；输入电压：7.4-15V；重量：560g。
油门伺服7，HitecHS5645MG；重量:60g；输入电压：4.8-6V；控制脉冲：1100-1900us；准确度：1usec。
组装结构件及油箱，3D打印。

Claims (5)

1.一种串联式油电混合动力无人飞行器，包括机体、多个电动机和多个旋桨，其特征在于，还包括：
燃油发动机，用于提供动能；
交流发电机，用于将燃油发动机的动能转化为交流电；
整流器，用于将交流发电机的交流电能转化为直流电；
电池组，用于储存或提供电能；
油门伺服，用于调节燃油发动机进气阀门角度，控制燃油发动机转速；
控制电路，所述控制电路包括：
a、油门控制器，用于为油门控制伺服提供脉冲信号；
b、转速误差模块，用于为油门控制器提供脉冲信号；
c、转速PID控制器，用于设定转速并为转速误差模块提供脉冲信号；
d、电压误差模块，用于为转速PID控制器提供脉冲信号；
e、电压换算模块，用于设置飞行器运行电压并为电压误差模块提供输入信号；
所述电压误差模块的输入信号还包括电池组的电压信号；
所述转速误差模块的输入信号还包括交流发电机的反馈信号和发动机的转速信号；
所述控制电路实时检测电池组的电量和充放电状态，并闭路控制所述燃油发动机的转速，从而控制电池组的电量。
2.根据权利要求1所述的串联式油电混合动力无人飞行器，其特征在于，所述整流器为包括多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET的同步整流器。
3.根据权利要求1所述的串联式油电混合动力无人飞行器，其特征在于，所述燃油发动机为两冲程汽油发动机，驱动或通过变速器驱动所述交流发电机。
4.根据权利要求1或3所述的串联式油电混合动力无人飞行器，其特征在于，所述燃油发动机为转子发动机；所述转子发动机直接带动或通过变速器间接带动所述交流发电机。
5.根据权利要求1所述的串联式油电混合动力无人飞行器，其特征在于，还包括启动器，用于多个电动机平稳启动以及软停车、制动、过载保护。
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