CN106494613A - 共轴反转双旋翼驱动系统 - Google Patents
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Abstract
共轴反转双旋翼驱动系统，涉及飞行器领域，解决了目前无人飞行器续航时间短的问题。本发明包括固定在飞行器机体上的基座；固定在基座上的动力模块；固定在基座上且与动力模块相连的能量产生与调整模块；固定在飞行器机体中且与能量产生与调整模块相连的能量储存与释放模块，能量产生与调整模块为能量储存与释放模块补充电能；固定在飞行器机体中且与能量储存与释放模块相连的能量判断模块，能量判断模块与动力模块相连，能量储存与释放模块通过能量判断模块为动力模块提供电能。本发明实现了机械能向电能的转化，可延长能量储存与释放模块放电时间，提高飞行器续航能力。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种共轴反转双旋翼驱动系统。
背景技术
微小型无人飞行器(UAV)有固定翼飞行器和旋翼飞行器两大类，多以高性能锂聚合物电池作为能源、以电动机驱动螺旋桨作为动力系统为主，如美国AeroVironmen公司的Black Widow、桑德斯公司的Micro Star、MLB公司的Trochoid、德国Microdrone公司的MD系列、美国Draganflyer公司产品等。
由于电池的能量密度远小于汽油等化石燃料，常规的无人飞行器的巡航时间十分有限，在正常负载情况下，巡航时间多数局限在20分钟以内，较短的巡航时间限制了无人飞行器的推广应用。目前采用发动机的动力装置能够提高无人飞行器的巡航时间，但是其存在噪声大、不环保等问题，虽然采用电动机与发动机结合的混合动力系统能够改善无人飞行器续航时间短的问题，但没有从根本上解决问题。
发明内容
为了解决目前无人飞行器续航时间短的问题，本发明提供一种共轴反转双旋翼驱动系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的共轴反转双旋翼驱动系统，包括：
固定在飞行器机体上的基座；
固定在基座上的动力模块；
固定在基座上且与动力模块相连的能量产生与调整模块；
固定在飞行器机体中且与能量产生与调整模块相连的能量储存与释放模块，所述能量产生与调整模块为能量储存与释放模块补充电能；
固定在飞行器机体中且与能量储存与释放模块相连的能量判断模块，所述能量判断模块与动力模块相连，所述能量储存与释放模块通过能量判断模块为动力模块提供电能。
进一步的，所述动力模块包括：
控制器；
与控制器相连的驱动器；
固定在基座上且与驱动器相连的电动机一；
固定在基座上且与驱动器相连的电动机二；
与电动机一的输出轴固连的第一旋翼，与电动机二的输出轴固连的第二旋翼；所述第一旋翼与第二旋翼的旋转方向相反，所述第一旋翼与第二旋翼的旋转轴线在同一条直线上，所述第一旋翼与第二旋翼的旋转平面相隔一定距离；
所述电动机一、电动机二和控制器均与能量判断模块相连，所述能量储存与释放模块通过能量判断模块为电动机一、电动机二和控制器提供电能。
更进一步的，所述控制器包括：
惯性测量单元，用于测量飞行器的姿态信息；
分别与惯性测量单元和驱动器相连的微处理器，将飞行器姿态信息转换成控制信号通过PWM总线、I2C总线或CAN总线发送给驱动器，驱动电动机一和电动机二旋转，所述电动机一带动第一旋翼旋转，所述电动机二带动第二旋翼旋转，产生飞行器所需的操纵力和力矩；
分别与惯性测量单元和微处理器相连的数据收发模块，用于收发数据信息。
更进一步的，所述惯性测量单元包括用于测量飞行器的位置信息GPS、用于测量飞行器的角速度信息陀螺仪、用于测量飞行器的加速度信息加速度计和用于测量飞行器的磁场矢量信息磁力计。
进一步的，所述能量产生与调整模块包括：与能量储存与释放模块相连的逆变整流单元、分别与逆变整流单元和电动机一相连的线圈单元、与电动机二相连且同轴线安装在线圈单元内腔中的永磁单元；
所述线圈单元内侧表面与永磁单元外侧表面之间存在大小为0.5mm～1.5mm的间隙；
所述线圈单元工作时的反电势系数大于或等于电动机一的反电势系数，所述永磁单元工作时的反电势系数大于或等于电动机二的反电势系数；
所述线圈单元与永磁单元的转动方向相反，线圈单元与永磁单元的转速绝对值之和等于第一旋翼与第二旋翼的转速绝对值之和；
飞行器工作时，所述线圈单元与永磁单元产生转速差值，使线圈单元产生持续电压经逆变整流单元调整后储存于能量储存与释放模块中，为能量储存与释放模块补充电能。
更进一步的，所述线圈单元包括固定在基座上的支撑结构、固定在支撑结构上且与逆变整流单元相连的碳刷、通过连接结构与电动机一同轴线安装固定的铁芯、缠绕在铁芯上形成三相对称绕组的线圈，所述碳刷与三相对称绕组相连；
所述电动机一带动线圈单元旋转，同时所述电动机二带动永磁单元旋转，保证线圈单元与永磁单元同步旋转，使线圈单元与永磁单元产生转速差值，经线圈单元的碳刷输出三相电压信号。
更进一步的，所述永磁单元包括通过连接件与电动机二同轴线安装固定的磁钢轭部、安装在磁钢轭部的外表面的磁钢；所述磁钢轭部由导磁材料制成，所述磁钢由永磁材料充磁制成，所述磁钢的N、S极交替布置。
更进一步的，所述逆变整流单元包括与碳刷相连的三相二极管整流桥、与三相二极管整流桥相连的低通滤波器、与低通滤波器相连的直流变压器、分别与直流变压器和能量储存与释放模块相连的限流器，
所述线圈单元的碳刷输出的三相电压信号经三相二极管整流桥转换成持续的直流电压，所述低通滤波器滤掉其中的高频纹波后输出给直流变压器，所述直流变压器改变输出电压经限流器为能量储存与释放模块充电；所述直流变压器中具有开关管，当能量储存与释放模块充满电时，关闭直流变压器的开关管，停止为能量储存与释放模块继续充电。
进一步的，所述能量判断模块包括比较器和开关继电器，比较器检测能量储存与释放模块的电压并对其进行判断，当达到电压设定值时，开关继电器自动开启，分别为电动机一、电动机二和控制器供电。
进一步的，所述能量储存与释放模块采用聚合物锂电池或镍氢电池。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用两个旋翼在飞行器工作中的反向旋转特点，将能量产生与调整模块的线圈单元和永磁单元分别与两个电动机连接，使得线圈单元和永磁单元的转速差值为两个旋翼转速大小之和，具有共轴反转双旋翼的多旋翼飞行器的工作电压通常为50％电池电压，能够增加能量产生与调整模块的能量密度，并且只需要一套线圈单元和永磁单元将机械能转化为电能，减小了能量产生和调整模块的质量和体积，提高了飞行器的续航能力。
2、本发明通过调节两个旋翼的转速实现飞行器姿态的控制与机动飞行，将能量产生与调整模块与两个电动机连接，可产生持续稳定的电流和电压，为能量储存与释放模块补充电能，实现了机械能向电能的转化，可延长能量储存与释放模块放电时间，提高飞行器续航时间。
3、本发明中的能量产生与调整模块是一种无机械轴承的支撑结构，可以消除机械损耗。
附图说明
图1为本发明的共轴反转双旋翼驱动系统的结构示意图。
图2为控制器的结构示意图。
图中：1、动力模块，101、第一旋翼，102、第二旋翼，103、电动机一，104、电动机二，2、能量产生与调整模块，3、能量储存与释放模块，4、线圈单元，5、永磁单元，6、逆变整流单元，7、能量判断模块，8、基座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的共轴反转双旋翼驱动系统，主要包括动力模块1、能量产生与调整模块2、能量储存与释放模块3、能量判断模块7、基座8。动力模块1以及能量产生与调整模块2均安装在基座8上，基座8固定在飞行器机体上，能量储存与释放模块3以及能量判断模块7均安装在飞行器机体中。动力模块1与能量产生与调整模块2相连，能量产生与调整模块2与能量储存与释放模块3相连，能量储存与释放模块3与能量判断模块7相连，能量判断模块7与动力模块1相连。能量储存与释放模块3通过能量判断模块7为动力模块1提供电能，保证动力模块1正常工作，产生飞行器所需的操纵力和力矩。能量产生与调整模块2产生持续稳定的电流和电压，为能量储存与释放模块3补充电能。
动力模块1包括第一旋翼101、第二旋翼102、电动机一103、电动机二104、驱动器和控制器。电动机一103和电动机二104均固定在基座8上。电动机一103和电动机二104相对设置，并且电动机一103和电动机二104均置于第一旋翼101和第二旋翼102之间，即第一旋翼101向上，第二旋翼102向下。第一旋翼101与电动机一103的输出轴固定相连，第二旋翼102与电动机二104的输出轴固定相连，电动机一103和电动机二104均与驱动器相连，驱动器与控制器相连。第一旋翼101的旋转方向与第二旋翼102的旋转方向相反，第一旋翼101的旋转轴线与第二旋翼102的旋转轴线在同一条直线上，第一旋翼101的旋转平面与第二旋翼102的旋转平面相隔一定距离。由控制器发出控制指令给驱动器，分别驱动电动机一103和电动机二104旋转，电动机一103带动第一旋翼101旋转，电动机二104带动第二旋翼102旋转，产生飞行器所需的操纵力和力矩。
能量判断模块7与电动机一103、电动机二104和控制器相连，能量储存与释放模块3通过能量判断模块7为电动机一103、电动机二104和控制器提供电能。能量判断模块7包括比较器和开关继电器，比较器检测能量储存与释放模块3的电压并对其进行判断，当达到电压设定值时，开关继电器自动开启，分别为电动机一103、电动机二104和控制器供电。
如图2所示，控制器包括微处理器、数据收发模块和惯性测量单元。惯性测量单元分别与数据收发模块和微处理器相连，数据收发模块与微处理器微相连，微处理器与驱动器相连。数据收发模块负责数据和信息的收发，可以与飞行器内部的数据收发单元进行数据通讯。惯性测量单元包括GPS、陀螺仪、加速度计和磁力计，GPS、陀螺仪、加速度计和磁力计均与微处理器相连，惯性测量单元测量飞行器的姿态信息(GPS测量飞行器的位置信息、陀螺仪测量飞行器的角速度信息、加速度计测量飞行器的加速度信息、磁力计测量飞行器的磁场矢量信息)，惯性测量单元将飞行器的姿态信息传输给微处理器，微处理器对飞行器的姿态信息进行处理，并通过PWM总线、I2C总线或CAN总线向驱动器发送控制指令，分别驱动电动机一103和电动机二104旋转，电动机一103带动第一旋翼101旋转，电动机二104带动第二旋翼102旋转，产生飞行器所需的操纵力和力矩。
能量产生与调整模块2包括线圈单元4、永磁单元5和逆变整流单元6。线圈单元4与逆变整流单元6相连。永磁单元5同轴线安装在线圈单元4的内腔中，线圈单元4的内侧表面与永磁单元5的外侧表面之间存在间隙，间隙大小在0.5mm～1.5mm之间。线圈单元4工作时的反电势系数大于或等于电动机一103的反电势系数，永磁单元5工作时的反电势系数大于或等于电动机二104的反电势系数。线圈单元4与电动机一103的转动部分通过连接件相连，永磁单元5与电动机二104的转动部分通过连接件相连。飞行器工作时，线圈单元4与永磁单元5产生转速差值，使线圈单元4产生持续电压，经过逆变整流单元6调整后储存于能量储存与释放模块3中，线圈单元4与永磁单元5的转动方向相反，线圈单元4与永磁单元5的转速绝对值之和等于第一旋翼101与第二旋翼102的转速绝对值之和。
线圈单元4包括铁芯、线圈、碳刷、支撑结构和连接结构。铁芯上开有多个齿槽，铁芯由硅钢片叠压而成。碳刷固定在支撑结构上，支撑结构固定在基座8上，线圈缠绕在铁芯的齿槽上形成三相对称绕组，三相对称绕组与碳刷相连，碳刷与逆变整流单元6相连。连接结构上设置有安装接口，先将铁芯安装在连接结构的安装接口处，再将两者的整体通过螺丝与电动机一103的转动部分固定连接，保证铁芯与电动机一103的转动部分同轴线安装固定。
永磁单元5包括磁钢轭部、磁钢和连接件。磁钢轭部的外表面为圆柱形，磁钢安装在磁钢轭部的外表面。连接件上设置有安装接口，先将磁钢轭部安装在连接件的安装接口处，再将两者的整体通过螺丝与电动机二104的转动部分固定连接，保证磁钢轭部与电动机二104的转动部分同轴线安装固定。其中，磁钢轭部由导磁材料制成，磁钢由永磁材料充磁制成，并且磁钢的N、S极交替布置。
逆变整流单元6包括三相二极管整流桥、低通滤波器、直流变压器和限流器。线圈单元4的碳刷与三相二极管整流桥相连，三相二极管整流桥与低通滤波器相连，低通滤波器与直流变压器相连，直流变压器与限流器相连，限流器与能量储存与释放模块3相连。电动机一103旋转带动线圈单元4旋转，同时电动机二104旋转带动永磁单元5旋转，保证线圈单元4与永磁单元5同步旋转，经过线圈单元4的碳刷输出三相电压信号，三相电压信号经过三相二极管整流桥转换成持续的直流电压，低通滤波器滤掉其中的高频纹波后输出给直流变压器，直流变压器改变输出电压为适合能量储存与释放模块3充电的电压，然后经过限流器为能量储存与释放模块3充电。直流变压器中具有开关管，当能量储存与释放模块3充满电时，关闭直流变压器的开关管，停止为能量储存与释放模块3继续充电。
本实施方式中，能量储存与释放模块3为蓄电池，蓄电池采用聚合物锂电池或镍氢电池。
本实施方式中，电动机一103和电动机二104均采用两相导通三相星型六状态的永磁无刷直流电动机。
本实施方式中，驱动器采用无位置传感器的驱动方式，通过检测三相绕组反电势过零点判断转子位置。
本实施方式中，微处理器主要采用单片机、ARM或DSP等，但不限于上述三种。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，包括：
固定在飞行器机体上的基座(8)；
固定在基座(8)上的动力模块(1)；
固定在基座(8)上且与动力模块(1)相连的能量产生与调整模块(2)；
固定在飞行器机体中且与能量产生与调整模块(2)相连的能量储存与释放模块(3)，所述能量产生与调整模块(2)为能量储存与释放模块(3)补充电能；
固定在飞行器机体中且与能量储存与释放模块(3)相连的能量判断模块(7)，所述能量判断模块(7)与动力模块(1)相连，所述能量储存与释放模块(3)通过能量判断模块(7)为动力模块(1)提供电能。
2.根据权利要求1所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述动力模块(1)包括：
控制器；
与控制器相连的驱动器；
固定在基座(8)上且与驱动器相连的电动机一(103)；
固定在基座(8)上且与驱动器相连的电动机二(104)；
与电动机一(103)的输出轴固连的第一旋翼(101)，与电动机二(104)的输出轴固连的第二旋翼(102)；所述第一旋翼(101)与第二旋翼(102)的旋转方向相反，所述第一旋翼(101)与第二旋翼(102)的旋转轴线在同一条直线上，所述第一旋翼(101)与第二旋翼(102)的旋转平面相隔一定距离；
所述电动机一(103)、电动机二(104)和控制器均与能量判断模块(7)相连，所述能量储存与释放模块(3)通过能量判断模块(7)为电动机一(103)、电动机二(104)和控制器提供电能。
3.根据权利要求2所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述控制器包括：
惯性测量单元，用于测量飞行器的姿态信息；
分别与惯性测量单元和驱动器相连的微处理器，将飞行器姿态信息转换成控制信号通过PWM总线、I2C总线或CAN总线发送给驱动器，驱动电动机一(103)和电动机二(104)旋转，所述电动机一(103)带动第一旋翼(101)旋转，所述电动机二(104)带动第二旋翼(102)旋转，产生飞行器所需的操纵力和力矩；
分别与惯性测量单元和微处理器相连的数据收发模块，用于收发数据信息。
4.根据权利要求3所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括用于测量飞行器的位置信息GPS、用于测量飞行器的角速度信息陀螺仪、用于测量飞行器的加速度信息加速度计和用于测量飞行器的磁场矢量信息磁力计。
5.根据权利要求1或2所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述能量产生与调整模块(2)包括：与能量储存与释放模块(3)相连的逆变整流单元(6)、分别与逆变整流单元(6)和电动机一(103)相连的线圈单元(4)、与电动机二(104)相连且同轴线安装在线圈单元(4)内腔中的永磁单元(5)；
所述线圈单元(4)内侧表面与永磁单元(5)外侧表面之间存在大小为0.5mm～1.5mm的间隙；
所述线圈单元(4)工作时的反电势系数大于或等于电动机一(103)的反电势系数，所述永磁单元(5)工作时的反电势系数大于或等于电动机二(104)的反电势系数；
所述线圈单元(4)与永磁单元(5)的转动方向相反，线圈单元(4)与永磁单元(5)的转速绝对值之和等于第一旋翼(101)与第二旋翼(102)的转速绝对值之和；
飞行器工作时，所述线圈单元(4)与永磁单元(5)产生转速差值，使线圈单元(4)产生持续电压经逆变整流单元(6)调整后储存于能量储存与释放模块(3)中，为能量储存与释放模块(3)补充电能。
6.根据权利要求5所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述线圈单元(4)包括固定在基座(8)上的支撑结构、固定在支撑结构上且与逆变整流单元(6)相连的碳刷、通过连接结构与电动机一(103)同轴线安装固定的铁芯、缠绕在铁芯上形成三相对称绕组的线圈，所述碳刷与三相对称绕组相连；
所述电动机一(103)带动线圈单元(4)旋转，同时所述电动机二(104)带动永磁单元(5)旋转，保证线圈单元(4)与永磁单元(5)同步旋转，使线圈单元(4)与永磁单元(5)产生转速差值，经线圈单元(4)的碳刷输出三相电压信号。
7.根据权利要求5所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述永磁单元(5)包括通过连接件与电动机二(104)同轴线安装固定的磁钢轭部、安装在磁钢轭部的外表面的磁钢；所述磁钢轭部由导磁材料制成，所述磁钢由永磁材料充磁制成，所述磁钢的N、S极交替布置。
8.根据权利要求7所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述逆变整流单元(6)包括与碳刷相连的三相二极管整流桥、与三相二极管整流桥相连的低通滤波器、与低通滤波器相连的直流变压器、分别与直流变压器和能量储存与释放模块(3)相连的限流器，
所述线圈单元(4)的碳刷输出的三相电压信号经三相二极管整流桥转换成持续的直流电压，所述低通滤波器滤掉其中的高频纹波后输出给直流变压器，所述直流变压器改变输出电压经限流器为能量储存与释放模块(3)充电；所述直流变压器中具有开关管，当能量储存与释放模块(3)充满电时，关闭直流变压器的开关管，停止为能量储存与释放模块(3)继续充电。
9.根据权利要求1所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述能量判断模块(7)包括比较器和开关继电器，比较器检测能量储存与释放模块(3)的电压并对其进行判断，当达到电压设定值时，开关继电器自动开启，分别为电动机一(103)、电动机二(104)和控制器供电。
10.根据权利要求1所述的共轴反转双旋翼驱动系统，其特征在于，所述能量储存与释放模块(3)采用聚合物锂电池或镍氢电池。
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|---|---|---|---|---|
| CN107193285A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-09-22 | 湖北工业大学 | 多旋翼燃料电池植保无人机控制系统及其工作方法 |
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