CN106477053A - 一种油电混合多旋翼无人飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种油电混合多旋翼无人飞行器，包括飞行器燃油动力单元(1)，电机控制单元(2)以及飞行器机体(3)。所述燃油动力单元(1)包括燃油发动机(11)、传动装置(12)、螺旋桨(13)和供油系统(14)；所述电机控制单元(2)包括电机(21)，蓄电池(22)和控制器(23)；所述飞行器机体(3)包括动力支架(31)，悬臂(32)、载荷支架(33)和油箱支架(34)。本发明可解决电动多旋翼飞行器载荷小与变距油动多旋翼飞行器控制复杂这一矛盾，兼顾了燃油发动机能量密度高和电动多旋翼控制简单的优点，同时所述油电混合多旋翼无人飞行器也可避免燃油发动机空中熄火所带来的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种油电混合多旋翼无人飞行器，属于航空产品技术领域。
背景技术
多轴多旋翼飞行器通过无线电遥控系统及自主飞行控制系统对其进行操作控制，以实现飞行器的起降、前后左右飞行、加减速以及方向控制等。可操纵性、稳定性、有效任务载荷和续航时间是考察多轴多旋翼飞行器的重要指标，在相同的可操纵性及稳定性条件下，使用者追求更大的有效任务载荷与长时间续航飞行能力。
传统的多旋翼飞行器分别在螺旋桨所在旋转轴上安装电动机以驱动螺旋桨从而达到飞行的目的，通过改变电机转速来改变各旋翼的升力大小，以控制飞行姿态。这种布局方案的控制策略发展较为成熟，但其电机耗能高，且对蓄电池的蓄电能力有较高要求，因此难以满足大载重长时有效续航的任务需求。油动多旋翼是另一种布局方案，虽然燃油发动机能量密度较高，但由于燃油发动机控制响应不稳定等原因，该布局方案需要通过旋翼变距进行姿态控制，这又大大提高了其技术难度，目前油动多旋翼还没有较为成熟的产品。
发明内容
本发明的目的是为了有效解决电动多旋翼飞行器载荷小与变距油动多旋翼飞行器控制复杂这一矛盾，提供了一种油电混合多旋翼无人飞行器。
本发明提供了一种油电混合无人飞行器，包括燃油动力单元(1)，电机控制单元(2)和飞行器机体(3)三个主要部件。所述飞行器旋翼的驱动力主要来源于燃油动力单元(11)，而姿态控制力来源于电机控制单元(2)。所述飞行器兼顾了燃油动力发动机能力密度高和电动多旋翼控制简单的优点，且可避免燃油发动机空中熄火所带来的风险。
所述的飞行器燃油动力单元(1)，包括燃油发动机(11)，传动装置(12)，螺旋桨(13)和供油系统(14)。其中，燃油发动机(11)是螺旋桨(13)驱动力的主要来源，驱动力由连接在发动机输出轴上的传动装置(12)传递到螺旋桨(13)，从而为飞行器提供升力；传动装置(12)具有提高扭矩和转向功能，保证同一旋向发动机输出轴能驱动正桨或反桨；螺旋桨(13)没有变距机构，为固定桨距螺旋桨。
所述的飞行器电机控制单元(2)，包括电机(21)，蓄电池(22)和控制器(23)。其中，电机(21)与燃油发动机(11)采用并联式的油电混合方式，电机(21)可实现对燃油发动机(11)动力输出轴加速或刹车的功能，以实现飞行器的姿态控制；蓄电池(22)为整机电子设备、控制器(23)及电机(21)提供电能，同时，在发动机低速刹车状态，蓄电池可利用电机反电动势充电；控制器(23)具有燃油发动机定速控制、电机加减速控制、飞机姿态控制和能源管理功能。
燃油动力单元(2)和电机控制单元(3)组成动力总成，针对不同多旋翼无人飞行器的布局形式，所述的动力总成的组成部件及位置不改变，仅改变模块数量和与机体的相对位置，即可实现多种布局形式。
所述的飞行器机体(3)，包括动力支架(31)，悬臂(32)、载荷支架(33)和油箱支架(34)。所述动力总成安装在动力支架(31)上，动力支架(31)与悬臂(32)外端连接；所述悬臂(32)内侧与载荷支架(33)连接，载荷支架(33)承载悬臂(32)根部弯矩，并设计有机载电子设备和油箱支架的安装接口。
本发明兼顾了燃油发动机能量密度高和电动多旋翼控制简单的优点，延长了飞行器续航时间，继承了传统电动多旋翼以电机控制为主的姿态控制策略，扩大多旋翼无人机的应用范围，提升了多旋翼无人机的应用价值。
附图说明
图1是本发明油电混合无人飞行器布局方案示意图；
图2是本发明动力总成一优选实施例；
图中：
1-燃油动力单元 2-电机控制单元 3-飞行器机体
11-燃油发动机 21-电机 31-动力支架
12-传动装置 22-蓄电池 32-悬臂
13-螺旋桨 23-控制器 33-载荷支架
14-供油系统34-油箱支架
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1示出了本发明的优选实施例，四旋翼油电混合无人飞行器，包括燃油动力单元(1)，电机控制单元(2)和飞行器机体(3)，参见图1。所述飞行器旋翼的驱动力主要来源于燃油动力单元(11)，而飞行器姿态控制通过电机控制单元(2)对螺旋桨轴的加速或刹车来实现。
优选的，飞行器机体(3)，包括动力支架(31)，悬臂(32)、载荷支架(33)和油箱支架(34)。动力总成的所有部件都安装在动力支架(31)上，升力由悬臂(32)传递到飞行器机体；动力支架(31)与悬臂(32)外端连接，悬臂(32)内端与载荷支架(33)连接，载荷支架(33)中心设计中央套筒，以承受悬臂根部弯矩；
优选的，悬臂(32)为三维编织复合材料管件，动力总成的油路和电路布置在管件内部，机载电子设备、蓄电池和油箱均安装在载荷支架(33)上。
图2示出了本发明动力总成的优选实施例。飞行器动力总成包括燃油动力单元(1)、电机控制单元(2)和动力支架(31)。
燃油动力单元(1)，包括燃油发动机(11)，传动装置(12)，螺旋桨(13)和供油系统(14)。燃油发动机(11)是螺旋桨(13)驱动力的主要来源，驱动力由连接在发动机输出轴上的传动装置(12)传递到螺旋桨(13)，从而为飞行器提供升力。
优选的，燃油发动机(11)采用风冷式航空活塞发动机，发动机缸头利用螺旋桨下洗气流冷却，避免水冷系统产生的额外重量；航空发动机功重比高，可充分发挥其能量密度高的优点。
传动装置(12)具有提高扭矩和转向功能，图2中齿轮箱能实现提高扭矩的功能，增加换向齿轮能实现换向功能。所述传动装置不局限于图2所示的实施例，皮带与齿轮箱配合使用的方案能高效完成提高扭矩和转向的功能。
优选的，螺旋桨(13)为固定桨距螺旋桨，以降低机构的复杂程度，采用具有一定扭转角的叶素分布，提高螺旋桨气动效率。
飞行器电机控制单元(2)，包括电机(21)，蓄电池(22)和控制器(23)。电机(21)与燃油发动机(11)采用并联式的油电混合方式。优选的，采用永磁无刷直流电机，电机绕组固定，与动力支架连接，电机输出轴与燃油发动机输出轴同轴，以实现对动力输出轴的加速或刹车功能。
如图2所示实施例，动力支架(31)由隔板与两侧夹板组成，隔板设计有各部件的安装接口，夹板保证结构刚度，并设计减轻孔，充分减重。动力支架(31)不局限与图2所示实施例，针对不同的动力总成组成，进行相应的结构设计。
本发明的核心在于并联式油电混合系统在多旋翼无人机上的应用，燃油发动机提供大部分驱动动力，电机实现螺旋桨加减速，以完成姿态控制；同时，在低速刹车状态下，电机可实现发电功能，为蓄电池蓄电。本发明不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动和变形不脱离本发明范围，仍属于本发明的权利要求和同等技术范围之内。
Claims (5)
1.一种油电混合多旋翼无人飞行器，由飞行器燃油动力单元(1)，电机控制单元(2)和飞行器机体(3)三个主要部件组成，其特征在于，飞行器旋翼的驱动力主要来源于燃油动力单元(11)，而姿态控制力来源于电机控制单元(2)。所述飞行器兼顾了燃油动力发动机能力密度高和电动多旋翼控制简单的优点，且可避免燃油发动机空中熄火所带来的风险。
2.根据权利要求1所述的飞行器燃油动力单元(1)，包括燃油发动机(11)，传动装置(12)，螺旋桨(13)和供油系统(14)。其特征在于，所述燃油发动机(11)是螺旋桨(13)驱动力的主要来源，驱动力由连接在发动机输出轴上的传动装置(12)传递到螺旋桨(13)，从而为飞行器提供升力；所述传动装置(12)具有减速和转向功能，保证同一旋向发动机输出轴能驱动不同旋向的正桨和反桨；所述螺旋桨(13)没有变距机构，为固定桨距螺旋桨。
3.根据权利要求1所述的飞行器电机控制单元(2)，包括电机(21)，蓄电池(22)和控制器(23)。其特征在于，所述电机(21)与燃油发动机(11)采用并联式的油电混合方式，电机(21)可实现对燃油发动机(11)输出轴加速或刹车的功能，以实现飞行器的姿态控制；所述蓄电池(22)为整机电子设备、控制器(23)及电机(21)供电，在发动机低速刹车状态，蓄电池可利用电机反电动势充电；所述控制器(23)具有燃油发动机定速控制、电机加减速控制、飞机姿态控制和能源管理功能。
4.根据权利要求2、3所述的燃油动力单元(2)和电机控制单元(3)组成动力总成，其特征在于，针对不同多旋翼无人飞行器的布局形式，所述的动力总成的组成部件及位置不改变，仅改变总成数量和与机体的相对位置，即可实现多种布局形式。
5.根据权利要求1所述的飞行器机体(3)，包括动力支架(31)，悬臂(32)、载荷支架(33)和油箱支架(34)。所述动力支架，其特征在于，权利要求4所述的动力总成的主要设备均安装在动力支架上，动力支架(31)与悬臂(32)外端连接；所述悬臂(32)内侧与载荷支架(33)连接，载荷支架(33)承受悬臂(32)传递的升力，并设计有机载电子设备和油箱支架接口。
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