CN105914731A - 一种无人机供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机供电系统，所述供电系统包括主电源、二次电源、辅助电源；主电源、二次电源、辅助电源依次连接；所述主电源包括：电子控制单元ECU、发动机、发电机、控制器、油门、整流单元、编码器、滤波单元；所述二次电源包括：智能充电单元、恒压单元；所述主电源中的滤波单元分别与智能充电单元及恒压单元相连；所述辅助电源包括蓄电池；所述蓄电池与智能充电单元相连。本发明的无人机供电系统能为各类无人机供电，适用于多旋翼飞行器、直升飞行器、可倾转旋翼机等，功率可根据实际需要进行整定，方便灵活，科技性强，满足各类大负载长航时无人机的供电需求。

Description

一种无人机供电系统

技术领域

本发明涉及飞行器智能供电技术领域，尤其涉及一种无人机供电系统。

背景技术

随着控制技术、硬件技术等的发展，固定翼无人机、无人直升机和四旋翼无人机等产品技术渐趋成熟，许多产品已投入市场，但其功能单一，航时短，带负载能力差，无法满足大负载、长航时的需要。

自诞生以来，无人机主要应用于军事方面，作为智能化和信息化的武器，无人机在侦察、监视、通信、远距离攻击等方面发挥了重要的作用。近年来，无人机在民用方面的应用也越来越多，各国在无人机的民用方面逐渐开放，无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域。毫无疑问，随着技术的更新和发展，民用无人机将迎来前所未有的发展机遇，应用前景十分广阔。

而现在实际应用的无人机中以固定翼无人机、无人直升机和四旋翼无人机最为广泛，但不足之处也很明显。普通的固定翼无人机虽然速度快，但起飞需要跑道，降落时以跑道或者撞网回收为主，因此常常受制于场地影响，不能对突发事件快速响应，适应能力差。普通的旋翼无人机或无人直升机虽然可以垂直起降，但其由于受本身设计影响，无法高速飞行，航程较短，且负载很低，纯电动旋翼机还受制电池的性能，无法长时间飞行。这些种种不足，大大限制了无人机的应用范围。因此，当前市场上的无人机还是以“能看”为主，只是针对目标进行观察，而随着无人机应用的深入，人们已经不满足于仅仅“能看”，还要求“能摸”、“能操作”，如飞行平台搭载机械臂对电路巡检中损坏部位进行简单的修理，或者进行线路除冰工作，甚至进行抢险救援中搭救生命等。因此，当前社会急需一种大负载、长航时的空中作业平台来解决传统无人机无法解决的问题，也即需要一种能够持续稳定地为无人机续航的供电系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种无人机供电系统，所述供电系统包括主电源、二次电源、辅助电源；主电源、二次电源、辅助电源依次连接；所述主电源包括：电子控制单元ECU、发动机、发电机、控制器、油门、整流单元、编码器、滤波单元；所述ECU与发动机连接，发动机分别与发电机及油门连接，控制器与油门连接并对油门进行控制，发电机输出至整流单元，所述整流单元分别与发电机及滤波单元连接，滤波单元输出至二次电源的智能充电单元；所述ECU用于检测发动机的运行状态从而控制发动机的点火时刻；所述油门采用舵机拉杆结构，控制器通过控制舵机的转速和转向来来调整油门的大小，从而控制发动机的功率转速输出；所述编码器与发电机同轴连接，发电机的转速反馈信号经过编码器输入至控制器，控制器按照预先设定的转速来调整发动机的油门来以控制发动机的转速；所述二次电源包括：智能充电单元、恒压单元；所述主电源中的滤波单元分别与智能充电单元及恒压单元相连；所述辅助电源包括蓄电池；所述蓄电池与智能充电单元相连。

其中，所述发动机采用活塞式汽油发动机，所述发电机采用永磁无刷直流发电机。

其中，所述整流单元采用由二极管所组成的不可控型整流结构，或采用开关管同步整流结构。

其中，当采用开关管同步整流结构时，发电机的三相输出作为整流单元的输入，通过硬件电路检测三相电势的状态来控制各开关管的导通状态。

其中，所述的滤波单元采用多级滤波器形式，或采用多种滤波器复合形式。

本发明的无人机供电系统能为各类无人机供电，适用于多旋翼飞行器、直升飞行器、可倾转旋翼机等，功率可根据实际需要进行整定，方便灵活，科技性强，满足各类大负载长航时无人机的供电需求。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明涉及的发电技术、不可控整流技术、恒压技术已比较成熟，将其与滤波技术以及多阶段智能充电技术有机的融合，对其进行创新性的集成，理论可行且能够实现，使得无人飞行器能够进行大负载长航时飞行；

(2)本发明的智能充电技术不仅能够使电池充足电，避免蓄电池的过充电，同时在设计时充分考虑到了蓄电池电量与温度的关系，从而使蓄电池充足电并延长其使用寿命。此充电技术不仅可以对飞行器蓄电池进行充电，还可应用于日常生活中的各类蓄电池，使蓄电池能够发挥其最大效用。

(3)本发明作为一种新型的智能供电系统，具有广阔的市场应用前景，不仅可以为国内外无人飞行器提供一个设计指南，运用于各种无人飞行器，还可以用于各种小功率、大功率场合，具有广阔的军用和民用价值。

附图说明

图1为本发明的无人机供电系统示意图；

图2为本发明的一种实施例的无人机供电系统的示意图；

图3为本发明的一种整流单元示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种无人机供电系统，要求达到无人机能够进行垂直起降，能够携带10kg净负载，系统能够输出稳定的直流供电电压为各用电设备供电。

如图1所示，本发明提出一种无人机供电系统，包括主电源、二次电源、辅助电源。所述主电源、二次电源、辅助电源依次连接。

如图2所示，本发明的一种无人机供电系统，包括主电源、二次电源、辅助电源。

所述主电源包括电子控制单元ECU、发动机、发电机、控制器、油门、整流单元、滤波单元、编码器。所述ECU与发动机连接，发动机分别与发电机及油门连接，控制器与油门连接对油门进行控制，发电机输出至整流单元，所述整流单元分别与发电机及滤波单元连接，滤波单元输出至二次电源的智能充电单元。编码器与发电机同轴连接，发电机的转速反馈信号经过编码器输入至控制器，控制器按照预先设定的转速来调整发动机的油门来以控制发动机的转速。所述主电源由发动机直接传动发电机，是机上全部用电设备的电力来源。

所述ECU用于检测发动机的运行状态从而控制发动机的点火时刻。

所述油门采用舵机拉杆结构，控制器通过控制舵机的转速和转向来来调整油门的大小，从而控制发动机的功率转速输出。

所述发动机采用活塞式汽油发动机，它是将化学能转化为机械能的机器，是一种以汽油作为燃料，将内能转化成动能的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油发动机机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。由于电动的响应速度远远大于油动的响应速度，故利用发动机的动能为发电机提供源动力，由发电机所发出的电能为整个系统供电。

所述发电机采用永磁无刷直流发电机，作为永磁发电机的一种，它具备永磁发电机的所有优点。(1)体积小，重量轻：转子部分采用高磁场的永磁体取代电磁线圈，永磁体的体积要小得多，因此发电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机；(2)效率高，节能效果显著：由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁耗能；(3)电压波形质量好，适用于各种负载情况：由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载(包括感性和容性负载)情况下都可使电压波形畸变率保持在较小的范围内；(4)电机过载能力强，适合于在恶劣环境下工作：电机的损耗小，温升低，过载能力强，更适合于在各种恶劣环境下工作；(5)无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长：这种发电机无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁磁体和铁心固定成为一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性和使用寿命都远优于常规的电励磁发电机；(6)电磁干扰小，电磁兼容性好：电机的电磁噪声极小，对通讯设备和电子仪器的干扰非常微小，其影响几乎可忽略不计。

所述整流单元可以采用由二极管所组成的不可控型整流结构，其特点是可自行判断零点，实现自动换向，不需要复杂的控制系统；也可采用开关管同步整流结构，其拓扑结构如图3所示，发电机的三相输出作为整流单元的输入，通过硬件电路检测三相电势的状态来控制各开关管的导通状态。开关管可采用金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT以及其他可控型晶体管，这种整流方法带负载能力强，电压降、功率损耗较低，能够满足各类场合。

所述的滤波单元采用多级滤波器形式，或多种滤波器复合形式。多级滤波器的第一级滤除基波的三次谐波，第二级滤除由整流单元输出的直流电压信号七次谐波；多种滤波器为τ型滤波器和π型滤波器的复合，从而使输出电压为一恒定的直流电压信号；

所述二次电源包括智能充电单元、恒压单元。所述主电源中的滤波单元分别与智能充电单元及恒压单元相连。二次电源是将主电源电能变换为另一种规格的电能，以满足各部分的供电需求。由于主电源的电压与用电设备的供电电压值以及蓄电池充电电压值不匹配，所以需要将主电源电压经过恒压单元和智能充电单元变换为和用电设备以及电池充电电压所匹配的电压值。

所述智能充电单元采用四阶段充电方法，当电池的电压低于预定的阈值电压时，可采用一个小的涓流电流充电，使电压上升到和电池零容量相对应的电压，避免由于大的充电电流而引起短路；当电池电压超过了涓流充电的阈值电压，这时充电器电路转入大电流充电工作状态，在这个充电状态，电池的主要电量被恢复；接着充电器转入过充电状态，以确保存在较短时间内使电池充足电；在经历了过充阶段后，电池进入浮充工作状态，此时电池的充电电压为一个恒定值，这时充电器为维持电池电压不变所需一个充电电流，并且可以利用这个充电电流补偿由电池的漏电流而引起的电池电量减少。

所述恒压单元采用古卡变换技术与软谐振变换技术融合，古卡变换技术既可以进行升压变换也可以进行降压变换，同时经过与磁集成技术的结合，可以大大减小输出电压的纹波；而将古卡变换技术与软谐振变换技术的融合，则可大大降低功率电源的开关损耗，减小噪声污染和电磁干扰；经过精确的参数整定可将输出电压维持在目标值，具有较强的带负载能力。所述恒压单元输出至用电设备。在本实施例中，只采用了两个恒压单元进行示例，而实际中，恒压单元可以有多个，可以按照实际工作需要配置，本发明并不局限于此。

所述辅助电源包括蓄电池。所述蓄电池与智能充电单元相连。所述辅助电源作为主电源的备份电源，主要为无人机航前/后做准备、起动主发动机等。

本发明的无人机使用电动旋翼为整机提供升力、前进动力以及实现无人机的稳定控制，使发动机和发电机的特性匹配发挥各自的长处。本设计的电动旋翼采用倾转旋翼，使无人机可垂直起降，不受地形限制，可在平地或交通工具上起飞降落，并且有倾转旋翼和固定翼的搭配，可实现无人机的大负载长航时飞行。

利用发动机的动能为发电机提供源动力，并与发电机同轴连接拖动发电机发出三相交流电，三相交流电经整流单元将交流电整定为直流电，此谐波较为严重的直流电压经滤波单元成为一干扰较小的电压信号，此电压一方面经由智能充电单元为系统的备用电源(蓄电池)充电，另一方面经由恒压单元为用电设备供电；

本发明的无人机供电系统的设计首先需要考虑供电电压和供电功率，因此需要计算出整个系统的功率，根据供电功率和供电电压来进行发动机、发电机以及无人机旋翼电机的选型。由于发电机的输出电压与发电机的转速直接相关，而发电机与发动机同轴连接，故发动机的转速直接影响到发电机的输出电压，而发动机采用活塞式发动机，通过调整油门来控制其转速输出，油动的响应速度远远小于电动的响应速度，所以需要进行油电特性的匹配。由于发电机发出的交流电，与旋翼电机控制器-电调的供电电压为直流电压，所以必须要将发电机输出的交流电通过整流单元转换为直流电，但是转换完成的直流电压谐波比较严重，并且一般不与电调的供电电压相匹配，所以需要经滤波单元滤除其谐波，再经恒压单元输出与电调供电电压相匹配的直流电压。

值得注意的是，所述的供电功率和供电电压是与旋翼电机和螺旋桨直接相关的，无人机所能携带的净负载与无人机的净重量(即除净负载之外的整机重量)和旋翼电机所能提供的最大升力直接相关，而旋翼电机所提供的升力则与其所消耗功率直接相关，所以系统的功率就取决于能够使旋翼电机带动设定净负载量所消耗的功率，考虑到效率问题，在选择发电机时需要考虑一定的裕量，在选择发动机时也需要留足裕量。

本发明具体实施方式的工作过程：首先将净负载固定于无人机上，对发动机进行点火启动发动机，通过编码器的转速反馈信号按照设定转速调整发动机的油门来控制发动机的转速，当发电机达到额定转速时，起动旋翼电机并逐渐增加旋翼电机的转速，使其转速、升力逐渐增加，当旋翼电机总升力大于机身净重与净负载的总重量时，无人机开始垂直上升，当无人机达到一定高度时，倾转旋翼开始倾转，旋翼电机的输出力水平分力提供前进推力，垂直分力与固定翼共同提供升力，此时由于主要由固定翼提供升力，故可适当降低旋翼电机转速，系统消耗功率降低。当发生异常情况，系统无法检测到输出电压，将母线供电切换至蓄电池供电，以防止无人机的坠落。

虽然通过实施例描述了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (5)

1.一种无人机供电系统，其特征在于，所述供电系统包括主电源、二次电源、辅助电源；主电源、二次电源、辅助电源依次连接；

所述主电源包括：电子控制单元ECU、发动机、发电机、控制器、油门、整流单元、编码器、滤波单元；所述ECU与发动机连接，发动机分别与发电机及油门连接，控制器与油门连接并对油门进行控制，发电机输出至整流单元，所述整流单元分别与发电机及滤波单元连接，滤波单元输出至二次电源的智能充电单元；所述ECU用于检测发动机的运行状态从而控制发动机的点火时刻；所述油门采用舵机拉杆结构，控制器通过控制舵机的转速和转向来来调整油门的大小，从而控制发动机的功率转速输出；所述编码器与发电机同轴连接，发电机的转速反馈信号经过编码器输入至控制器，控制器按照预先设定的转速来调整发动机的油门来以控制发动机的转速；

所述二次电源包括：智能充电单元、恒压单元；所述主电源中的滤波单元分别与智能充电单元及恒压单元相连；

所述辅助电源包括蓄电池；所述蓄电池与智能充电单元相连。

2.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于：优选的，所述发动机采用活塞式汽油发动机，所述发电机采用永磁无刷直流发电机。

3.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于：所述整流单元采用由二极管所组成的不可控型整流结构，或采用开关管同步整流结构。

4.根据权利要求3所述的供电系统，其特征在于：当采用开关管同步整流结构时，发电机的三相输出作为整流单元的输入，通过硬件电路检测三相电势的状态来控制各开关管的导通状态。

5.根据权利要求1所述的供电系统，其特征在于：所述的滤波单元采用多级滤波器形式，或采用多种滤波器复合形式。