CN106742035A - 一种高原储能式无人机起动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高原储能式无人机起动装置，包括功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路，还包括分别与功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路的主回路连接的主控制电路；其中功率模块一与储能电路一并联后，再与逻辑控制电路连接；功率模块二与储能电路二并联后，再与逻辑控制电路连接。本发明的无人机起动装置及方法，减小了对发动机扭矩的冲击，同时降低了起动过程中对发动机主轴的损伤，确保了无人机起动时的安全性与可靠性。

Description

一种高原储能式无人机起动装置及方法

技术领域

本发明涉及无人机起动控制领域，特别涉及一种高原储能式无人机起动装置及方法。

背景技术

无人机地面起动装置为无人机起动提供动力保障，关系到无人机安全、可靠地起动，是重要的地面保障设备。无人机起动装置均采用功率模块恒压直接供电输出的工作模式，即起动装置输出电压恒定的直流电，驱动起动电机转动，再由起动电机带动无人机发动机起动。

无人机起动飞行试验一般都在外场进行，需要外接柴油发电机做为动力源，目前无人机外场试验发动机起动过程中，起动动力输出主要存在如下两个问题：其一，由于外场场地的特殊性，柴油发电机的体积和重量受到了很多因素的限制，故油机对外输出功率有限；在高原环境下，由于空气稀薄，油机燃油效率低，在其它同等情况下，输出功率更小，起动装置输入功率不足，采用功率模块恒压直接输出的工作模式难以支撑无人机起动时的大功率输出需求。其二，在发动机起动的起始阶段，由于发动机转速为零，起动电机处于或接近“堵转”状态，故其产生的反向电动势为零；而恒压供电输出模式输出电压为恒定值，导致起动起始瞬间无人机发动机均处于最大扭矩状态，过大的扭矩冲击将带来损伤发动机轴甚至断轴的严重后果。其三，无人机自带发动机在高原上起动时，由于空气、温度、湿度等因素的影响，发动机输出特性不稳定，易发生改变，在功率模块恒压直接输出的工作模式下，即使输入功率充足，也会出现发动机起动过程中超时停车现象。

目前无人机项目正处于如火如荼的发展过程中，地面无人机起动装置作为无人机起动配套设备也随之快速发展，但现有的无人机起动配套设备并不能很好地满足高原等特殊环境的需求。

因此有必要提供一种采用新的输出模式的起动装置来解决该问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高原储能式无人机起动装置。

本发明的另一目的在于提供一种高原储能式无人机起动方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种高原储能式无人机起动装置，包括功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路，还包括分别与功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路的主回路连接的主控制电路；其中功率模块一与储能电路一并联后，再与逻辑控制电路连接；功率模块二与储能电路二并联后，再与逻辑控制电路连接；

所述逻辑控制电路包括继电器K3、继电器K4、继电器K5、继电器K6、继电器K7，以及限流电阻R1、限流电阻R2；其中继电器K3与限流电阻R1并联连接，继电器K4与限流电阻R2并联连接，继电器K3的一端与功率模块一的正极输出端连接，继电器K3的另一端与继电器K4、继电器K7依次连接，继电器K7的输出端为起动装置的正极输出端；继电器K5的1脚分别与功率模块一的负级输出端、功率模块二的正级输出端连接，继电器K5的2脚与功率模块二的负极输出端连接，以方便升压切换；继电器K5的输出端为起动装置的负极输出端；继电器K6一端与起动装置的负极输出端连接，另一端与继电器K7和继电器K4的连接点连接，继电器K6的作用为供起动装置内部能量释放。

所述储能电路一包括继电器K1、超级电容C1，继电器K1的一端与功率模块一的正极输出端连接，继电器K1的另一端与超级电容C1的正极连接，超级电容C1的负极与功率模块一的负极输出端连接；所述功率模块一输出28V直流电压。

需要说明的是，超级电容为本领域技术人员所知的专有名词，超级电容有固定的极性。如百度百科中建立的词条“超级电容”，对应的链接为http://baike.baidu.com/link？url＝kPXmoIOAfzBYBg-NTuqSg4VZlNlXKZg_1-jqbk6OsqvNktWHAz4wMZ0g0M1ppWr2sZ3vmc2HkpoxCPExJmtlBgt7C2CQqqq54fT-tLlRK18neC20-coZz8z4VF-9wKVS。

所述超级电容C1为双电层电容或法拉第准电容。

所述储能电路二包括继电器K2、超级电容C2，继电器K2的一端与功率模块二的正极输出端连接，继电器K2的另一端与超级电容C2的正极连接，超级电容C2的负极与功率模块二的负极输出端连接；所述功率模块二输出12V直流电压。

所述超级电容C2为双电层电容或法拉第准电容。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种高原储能式无人机起动方法，包含两种模式：

一、非升压工作模式

S1.上电后功率模块一处于工作状态，功率模块一对储能电路一中的超级电容C1进行充电，待超级电容C1充电完成，功率模块一输出电压为0V；功率模块一、储能电路一进入待机状态，等待无人机飞控指令；

S2.收到无人机飞控指令，主控制电路控制继电器K5闭合到1脚，然后控制继电器K7闭合，当检测到输出电流大于设定值K时，在设定时间T1内将功率模块一的输出电压缓慢地上升到设定电压值；在T1时刻，主控制电路控制继电器K1吸合，延迟t1；主控制电路控制继电器K3吸合，延迟t2；主控制电路控制继电器K4吸合，延迟t3；

S3.收到无人机停机指令，主控制电路控制继电器K7、继电器K3、继电器K4依次断开，此时储能电路一中的超级电容C1重新充电，充满后断开继电器K1，为下一次起动做准备；

S4.当工作结束后，先对超级电容C1进行放电操作；

二、升压工作模式

S1.上电后功率模块一、功率模块二处于工作状态，主控制电路控制继电器K1、继电器K2合上，功率模块一对储能电路一中的超级电容C1进行充电，同时功率模块二对储能电路二中的超级电容C2进行充电，待超级电容C1、C2充满电(具体充电时间视容量及充电电流等情况)，功率模块一、功率模块二的输出电压为0V，功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二进入待机状态，等待无人机飞控指令；

S2.收到无人机飞控指令，主控制电路控制继电器K5闭合到1脚，且继电器K7闭合，当检测到输出电流大于设定值K时，在设定时间T1内将功率模块一的输出电压缓慢地上升到设定电压值；在T1时刻，主控制电路控制继电器K1吸合，延迟t1；主控制电路控制继电器K3吸合，延迟t2；主控制电路控制继电器K4吸合，延迟t3；经历设定时间T2后，转入升压起动,主控制电路控制继电器K2吸合，同时主控制电路控制继电器K5吸合至2脚，起动装置进入升压供电阶段，直至起动完毕；

S3.收到无人机停机指令，主控制电路控制继电器K7、继电器K3、继电器K4依次断开，此时储能电路一中的超级电容C1、储能电路一中的超级电容C2重新充电，充满后断开继电器K1、继电器K2，为下一次起动做准备；

S4.当工作结束后，先对超级电容进行放电操作。

所述设定值K为50A，设定时间T1为400ms，t1、t2、t3为100ms。

非升压工作模式中，所述步骤S4具体为：断开继电器K7，吸合继电器K1、继电器K2，吸合继电器K5至1脚，用电阻回路放电，大约5～10S放电完毕后，各继电器恢复放电前状态。

升压工作模式中，所述步骤S4具体为：断开继电器K7，吸合继电器K1、继电器K2，吸合继电器K5至2脚，用电阻回路放电，大约5～10S放电完毕后，各继电器恢复放电前状态。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明电源起动初始输出电压从接近0V开始输出，通过巧妙的软硬件配合，在无人机发动机转速逐渐加快并进入高速运转的过程中，逐步提高起动电源的电压输出值。这种定制化缓升设计，使发动机起动扭矩给定变化更加平滑，减小了对发动机扭矩的冲击，同时降低了起动过程中对发动机主轴的损伤，确保了无人机起动时的安全性与可靠性。

2.在高原等野外环境输入功率不足情况下，能实现数倍于输入功率的输出,可大大减轻油机发电负荷，保证野外其它飞控设备的用电安全；3.既能满足常用的非升压大电流起动，又能在高原等特定环境下实现无人机发动机的升压起动，彻底解决发动机起动过程中超时停车现象。

附图说明

图1为本发明所述一种高原储能式无人机起动装置的结构示意图。

图2为图1所述高原储能式无人机起动装置的功率模块一的结构示意图。

图3为图1所述高原储能式无人机起动装置的功率模块二的结构示意图。

图4为一种高原储能式无人机起动装置起动原理图。

图5为带阻性负载非升压起动曲线图。

图6为带阻性负载升压起动曲线图。

图7为带发动机负载非升压起动曲线图。

图8为带发动机负载升压起动曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，一种高原储能式无人机起动装置，包括功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路，还包括分别与功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路的主回路连接的主控制电路；其中功率模块一与储能电路一并联后，再与逻辑控制电路连接；功率模块二与储能电路二并联后，再与逻辑控制电路连接；

所述逻辑控制电路包括继电器K3、继电器K4、继电器K5、继电器K6、继电器K7，以及限流电阻R1、限流电阻R2；其中继电器K3与限流电阻R1并联连接，继电器K4与限流电阻R2并联连接，继电器K3的一端与功率模块一的正极输出端连接，继电器K3的另一端与继电器K4、继电器K7依次连接，继电器K7的输出端为起动装置的正极输出端；继电器K5的1脚分别与功率模块一的负级输出端、功率模块二的正级输出端连接，继电器K5的2脚与功率模块二的负极输出端连接，以方便升压切换；继电器K5的输出端为起动装置的负极输出端；继电器K6一端与起动装置的负极输出端连接，另一端与继电器K7和继电器K4的连接点连接，继电器K6的作用为供起动装置内部能量释放。

功率模块一、功率模块二内部均由多个单模块并联构成，功率模块一、功率模块二的结构示意图分别如图2、3；

高原储能式无人机起动装置本质上为一大功率电源，其输出的电压供给无人机的发动机内部的起动电机，起动电机输出扭距到发动机轴，带动无人机起动。

所述储能电路一包括继电器K1、超级电容C1，继电器K1的一端与功率模块一的正极输出端连接，继电器K1的另一端与超级电容C1的正极连接，超级电容C1的负极与功率模块一的负极输出端连接；所述功率模块一输出28V直流电压。

需要说明的是，超级电容为本领域技术人员所知的专有名词，超级电容有固定的极性。如百度百科中建立的词条“超级电容”，对应的链接为http://baike.baidu.com/link？url＝kPXmoIOAfzBYBg-NTuqSg4VZlNlXKZg_1-jqbk6OsqvNktWHAz4wMZ0g0M1ppWr2sZ3vmc2HkpoxCPExJmtlBgt7C2CQqqq54fT-tLlRK18neC20-coZz8z4VF-9wKVS。

所述超级电容C1为双电层电容或法拉第准电容。

所述储能电路二包括继电器K2、超级电容C2，继电器K2的一端与功率模块二的正极输出端连接，继电器K2的另一端与超级电容C2的正极连接，超级电容C2的负极与功率模块二的负极输出端连接；所述功率模块二输出12V直流电压。

所述超级电容C2为双电层电容或法拉第准电容。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种高原储能式无人机起动方法，包含两种模式：

一、非升压工作模式

S1.上电后功率模块一处于工作状态，功率模块一对储能电路一中的超级电容C1进行充电，待超级电容C1充电完成，功率模块一输出电压为0V；功率模块一、储能电路一进入待机状态，等待无人机飞控指令；

S2.收到无人机飞控指令，主控制电路控制继电器K5闭合到1脚，然后控制继电器K7闭合，当检测到输出电流大于设定值K时，在设定时间T1内将功率模块一的输出电压缓慢地上升到设定电压值；在T1时刻，主控制电路控制继电器K1吸合，延迟t1；主控制电路控制继电器K3吸合，延迟t2；主控制电路控制继电器K4吸合，延迟t3；

S3.收到无人机停机指令，主控制电路控制继电器K7、继电器K3、继电器K4依次断开，此时储能电路一中的超级电容C1重新充电，充满后断开继电器K1，为下一次起动做准备；

S4.当工作结束后，先对超级电容C1进行放电操作；

二、升压工作模式

S1.上电后功率模块一、功率模块二处于工作状态，主控制电路控制继电器K1、继电器K2合上，功率模块一对储能电路一中的超级电容C1进行充电，同时功率模块二对储能电路二中的超级电容C2进行充电，待超级电容C1、C2充满电(具体充电时间视容量及充电电流等情况)，功率模块一、功率模块二的输出电压为0V，功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二进入待机状态，等待无人机飞控指令；

S2.收到无人机飞控指令，主控制电路控制继电器K5闭合到1脚，且继电器K7闭合，当检测到输出电流大于设定值K时，在设定时间T1内将功率模块一的输出电压缓慢地上升到设定电压值；在T1时刻，主控制电路控制继电器K1吸合，延迟t1；主控制电路控制继电器K3吸合，延迟t2；主控制电路控制继电器K4吸合，延迟t3；经历设定时间T2后，转入升压起动,主控制电路控制继电器K2吸合，同时主控制电路控制继电器K5吸合至2脚，起动装置进入升压供电阶段，直至起动完毕；

S3.收到无人机停机指令，主控制电路控制继电器K7、继电器K3、继电器K4依次断开，此时储能电路一中的超级电容C1、储能电路一中的超级电容C2重新充电，充满后断开继电器K1、继电器K2，为下一次起动做准备；

S4.当工作结束后，先对超级电容进行放电操作。

所述设定值K为50A，设定时间T1为400ms，t1、t2、t3为100ms。

非升压工作模式中，所述步骤S4具体为：断开继电器K7，吸合继电器K1、继电器K2，吸合继电器K5至1脚，用电阻回路放电，大约5～10S放电完毕后，各继电器恢复放电前状态。

升压工作模式中，所述步骤S4具体为：断开继电器K7，吸合继电器K1、继电器K2，吸合继电器K5至2脚，用电阻回路放电，大约5～10S放电完毕后，各继电器恢复放电前状态。

如图4，无人机任何模式起动(升压起动和非升压起动)，起动全过程2如下：在0-T1的起始阶段，电压从接近0V开始缓慢上升，对应电流缓慢爬升，大约在T1时刻(根据系统调试确定)电流爬升至I1；在T1-T2期间，通过逻辑控制电路的作用，电流继续爬升至I2，在0-I2整个过程，定制化的电压电流缓升设计，限制了起动电流的过冲，减小了对发动机扭矩的冲击，确保了无人机起动时的安全性与可靠性。在T2时刻(根据系统调试确定)，缓升阶段完成，起动装置的储能电路与功率模块并联直接对发动机供电，直至T3时刻发动机起动成功。

如图5，根据发动机起动功率大小，采用定制电阻模拟无人机发动机起动初始状态，因电阻负载不具感性，起动装置采用非升压起动时，电压上升及逻辑控制电路工作各阶段可在图5中清晰得到验证。

如图6，根据发动机起动功率大小，采用定制电阻模拟无人机发动机起动初始状态，因电阻负载不具感性，起动装置采用升压起动时，图6中，起动后半阶段功率模块二及储能电路二切入工作，电压明显抬升。

如图7，起动装置带无人机发动机外场进行试飞实测：起始阶段，发动机处于堵转状态，起动电流迅速增大且得到有效限制，电流具备缓升效果，由于发动机转子的感性作用，整个发动机起动过程电流比采用阻性负载时更平滑，起动后半阶段，发动机逐渐进入高速运转阶段，起动电流逐渐减小。

如图8，起动装置带无人机发动机外场进行试飞实测：起始阶段，发动机处于堵转状态，起动电流迅速增大且得到有效限制，电流具备缓升效果，起动后半阶段功率模块二及储能电路二切入工作，电压明显抬升，保证了特殊外场环境下的无人机的成功起飞。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高原储能式无人机起动装置，其特征在于：包括功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路，还包括分别与功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二、逻辑控制电路的主回路连接的主控制电路；其中功率模块一与储能电路一并联后，再与逻辑控制电路连接；功率模块二与储能电路二并联后，再与逻辑控制电路连接；

所述逻辑控制电路包括继电器K3、继电器K4、继电器K5、继电器K6、继电器K7，以及限流电阻R1、限流电阻R2；其中继电器K3与限流电阻R1并联连接，继电器K4与限流电阻R2并联连接，继电器K3的一端与功率模块一的正极输出端连接，继电器K3的另一端与继电器K4、继电器K7依次连接，继电器K7的输出端为起动装置的正极输出端；继电器K5的1脚分别与功率模块一的负级输出端、功率模块二的正级输出端连接，继电器K5的2脚与功率模块二的负极输出端连接；继电器K5的输出端为起动装置的负极输出端；继电器K6一端与起动装置的负极输出端连接，另一端与继电器K7和继电器K4的连接点连接。

2.根据权利要求1所述高原储能式无人机起动装置，其特征在于：所述储能电路一包括继电器K1、超级电容C1，继电器K1的一端与功率模块一的正极输出端连接，继电器K1的另一端与超级电容C1的正极连接，超级电容C1的负极与功率模块一的负极输出端连接；所述功率模块一输出28V直流电压。

3.根据权利要求2所述高原储能式无人机起动装置，其特征在于：所述超级电容C1为双电层电容或法拉第准电容。

4.根据权利要求1所述高原储能式无人机起动装置，其特征在于：所述储能电路二包括继电器K2、超级电容C2，继电器K2的一端与功率模块二的正极输出端连接，继电器K2的另一端与超级电容C2的正极连接，超级电容C2的负极与功率模块二的负极输出端连接；所述功率模块二输出12V直流电压。

5.根据权利要求4所述高原储能式无人机起动装置，其特征在于：所述超级电容C2为双电层电容或法拉第准电容。

6.基于权利要求1至5任一权利要求所述高原储能式无人机起动装置的一种高原储能式无人机起动方法，其特征在于，包含两种模式：

一、非升压工作模式

S1.上电后功率模块一处于工作状态，功率模块一对储能电路一中的超级电容C1进行充电，待超级电容C1充电完成，功率模块一输出电压为0V；功率模块一、储能电路一进入待机状态，等待无人机飞控指令；

S2.收到无人机飞控指令，主控制电路控制继电器K5闭合到1脚，然后控制继电器K7闭合，当检测到输出电流大于设定值K时，在设定时间T1内将功率模块一的输出电压缓慢地上升到设定电压值；在T1时刻，主控制电路控制继电器K1吸合，延迟t1；主控制电路控制继电器K3吸合，延迟t2；主控制电路控制继电器K4吸合，延迟t3；

S3.收到无人机停机指令，主控制电路控制继电器K7、继电器K3、继电器K4依次断开，此时储能电路一中的超级电容C1重新充电，充满后断开继电器K1，为下一次起动做准备；

S4.当工作结束后，先对超级电容C1进行放电操作；

二、升压工作模式

S1.上电后功率模块一、功率模块二处于工作状态，主控制电路控制继电器K1、继电器K2合上，功率模块一对储能电路一中的超级电容C1进行充电，同时功率模块二对储能电路二中的超级电容C2进行充电，待超级电容C1、C2充满电，功率模块一、功率模块二的输出电压为0V，功率模块一、储能电路一、功率模块二、储能电路二进入待机状态，等待无人机飞控指令；

S2.收到无人机飞控指令，主控制电路控制继电器K5闭合到1脚，且继电器K7闭合，当检测到输出电流大于设定值K时，在设定时间T1内将功率模块一的输出电压缓慢地上升到设定电压值；在T1时刻，主控制电路控制继电器K1吸合，延迟t1；主控制电路控制继电器K3吸合，延迟t2；主控制电路控制继电器K4吸合，延迟t3；经历设定时间T2后，转入升压起动,主控制电路控制继电器K2吸合，同时主控制电路控制继电器K5吸合至2脚，起动装置进入升压供电阶段，直至起动完毕；

S3.收到无人机停机指令，主控制电路控制继电器K7、继电器K3、继电器K4依次断开，此时储能电路一中的超级电容C1、储能电路一中的超级电容C2重新充电，充满后断开继电器K1、继电器K2，为下一次起动做准备；

S4.当工作结束后，先对超级电容进行放电操作。

7.根据权利要求6所述高原储能式无人机起动方法，其特征在于，所述设定值K为50A，设定时间T1为400ms，t1、t2、t3为100ms。

8.根据权利要求6所述高原储能式无人机起动方法，其特征在于，非升压工作模式中，所述步骤S4具体为：断开继电器K7，吸合继电器K1、继电器K2，吸合继电器K5至1脚，用电阻回路放电，大约5～10S放电完毕后，各继电器恢复放电前状态。

9.根据权利要求6所述高原储能式无人机起动方法，其特征在于，升压工作模式中，所述步骤S4具体为：断开继电器K7，吸合继电器K1、继电器K2，吸合继电器K5至2脚，用电阻回路放电，大约5～10S放电完毕后，各继电器恢复放电前状态。