CN107585297A - 一种多旋翼并联式混合动力无人机 - Google Patents
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Abstract
一种多旋翼并联式混合动力无人机，它包括汽油发动机、起动电机、启动减速系、发电机、传动机构、整流器、稳压电路、锂电池、共轴主旋翼，辅助旋翼、控制模块、可折叠支架以及各种机械连接结构件。整体结构上由汽油发动机通过一个斜齿轮系带动一付共轴双桨转动提供系统主动力，主要用以保证无人机的升降运动和悬停。四周对称布置四个小电机带动四个小旋翼，该四个小旋翼动力用以实现无人机的横滚运动、俯仰运动以及偏航运动。在工作过程中，检测锂电池的端电压，当端电压低于某一阈值时，发电机电路闭合，汽油发动机将带动发电机发电，配合锂电池为辅助电机供电。本发明机构充分结合了汽油发动机载重量大续航长，四旋翼操控简易和稳定性强的优势。极大提高了当前无人机的载重量和续航时间。
Description
本发明涉及一种由汽油和电池提供动力的并联式无人机。
背景技术
由于电动多旋翼无人机的稳定性强，操作简单的特点，目前市面上几乎所有的多旋翼无人机都靠电池飞行，然而随着人们对无人机的要求越来越高，电动多旋翼无人机在载重和续航时间上的缺点变得越来突出。而汽油在能量密度上的优势使得利用汽油发动机的无人机在载重和续航时间上具有电动多旋翼无法比拟的优势，然而其复杂的机构和操作的安全性限制了发展。为了充分发挥电动多旋翼无人机和油动无人机的优势，Draper实验室和MIT的研究人员成立的Top Flight公司研制出了一种六旋翼的混合动力无人机。该种混合动力无人机是一种串联式无人机，发动机直接带动发电机给电池充电。目前该种六旋翼的混合动力无人机只需要1加仑汽油在负重9公斤下便可以飞行两个半小时、约160公里。然而该种串联式油电混合动力无人机其缺点是：
1汽油发动机产生的能量经历了一次能量转换产生电力，降低了能量使用效率；
2该种无人机在载重量大的情况下需要配置大功率的发电机，而目前大功率发电机的重量较重，同时整流稳压模块相对也较重。进而限制了其负载质量的提高。
发明内容
本发明的目的是：设计一种多旋翼并联式混合动力无人机，它可以在大负载的情况下长时飞行，有效的克服现有无人机技术存在的问题。
本发明的技术方案是：一种多旋翼并联式混合动力无人机包括共轴双桨机构(1)、汽油发动机(2)、支撑平台(3)、可转动支架(4)、(5)、(10)和(11)、小旋翼(16)、(18)、(20)和(22)、电动机(15)、(17)、(19)和(21)、蓄能电池(12)、油箱(6)、起动电机(8)、两级齿轮减速系(9)、控制模块(7)、传动连接件(13)、发电机(14)、起落架(23)。为了保证整个无人机的质心位于几何中心，汽油发动机位于支撑平台中心位置。四个小的电机分布于支架四周，其余部件均布在支撑平台。其控制逻辑框图如附图1所示。
本发明的积极效果是：具有载重量大、续航时间长、飞行稳定等优点；同时为了保证该多旋翼并联式混合动力无人机在飞行过程中具有高的能量利用效率以及始终使电池工作在最优状态下，不断的切换其工作模式，大大提高了电池的使用寿命。
附图说明
图1多旋翼并联式混合动力无人机的控制逻辑框图
图2多旋翼并联式混合动力无人机汽油发动机工作模式；
图3多旋翼并联式混合动力无人机并联式混合动力工作模式。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明。
如附图2、3所示，它包括共轴双桨(1)、汽油发动机(2)、支撑 平台(3)、可转动支架(4)、(5)、(10)和(11)、油箱(6)、控制模块(7)、起动电机(8)、两级齿轮减速系(9)、锂电池(12)、传动连接件(13)、发电机(14)、旋翼电机(15)、(17)、(19)和(21)、小旋翼(16)、(18)、(20)和(22)、起落架(23)。
控制模块在无人机工作之前检测可转支架(4)、(5)、(10)和(11)的角度是否垂直于支撑平台(3)，如果垂直于支撑平台(3)控制起动电机(8)工作并启动汽油发动机(2)带动共轴双桨(1)运转产生向上的拉力使无人机升起，如果可转支架(4)、(5)、(10)和(11)不垂直于支撑平台(3)，转动电机使可转支架(4)、(5)、(10)和(11)垂直于支撑平台(3)。当汽油发动机(2)起动之后，由于单向轴承的存在，启动电机将不随其转动。同时检测悬停高度，如果悬停高度大于某一给定阈值，检测无人机是否需要横滚、俯仰以及偏航运动。如果悬停高度小于给定阈值，控制汽油发动机(2)的油门开度提高向上的升力，然后继续检测悬停高度。当无人机给出需要横滚、俯仰以及偏航运动时，可转支架的(4)、(5)、(10)和(11)会在电机的作用下调整至平行于支撑平台(3)的位置，如附图3所示。此时无人机进入油电并联混动工作模式。在此工作模式下，控制模块需要不断的检测电池电压是否大于阈值，如果电池(12)电压大于阈值，则汽油发动机(2)不带动发电机(14)发电。旋翼电机(15)、(17)、(19)和(21)直接由电池提供电力。如果电池(12)电压小于阈值，则控制发电机线路闭合，发电机中产生感应电流，汽油发动机(2)带动发电机(14)发电，经过整流稳压模块不断给电池(12)供电以保证其始终处于最优的工作电压范 围。此时汽油发动机(2)一方面需要提供向上的主升力，一方面需要给电池充电，因此当检测到高度低于某一阈值是需要加大汽油发动机(22)的油门开度。
通过上述过程实现多旋翼并联式混合动力无人机悬停升起模式和油电混合动力模式的切换，从而保证最佳的工作效率和电池最优的工作状态。同时相对于串联式混合动力无人机，发电机部分功率变小，整体结构更加科学紧凑。
Claims (3)
1.一种多旋翼并联式混合动力无人机机构，其特征是：汽油发动机(2)通过传动机构(13)连接一个共轴双桨机构(1)和发电机(14)转子。共轴双桨机构(1)提供主升力，该主升力主要提供无人机悬停和升降运动，发电机(14)线路在不发电时为断开状态，没有感应电流，对发动机负载不会产生很大影响。为了提高能量利用效率无人机升降过程中四旋翼可转支撑架(4)、(5)、(10)、(11)被收起，当到达一定高度时，四旋翼支撑架展开，电机工作，旋翼旋转。
2.根据权利要求1所述多旋翼并联混合动力无人机构，其特征在于无人机升起时，启动电机(8)经过两级齿轮减速系(9)减速后，带动汽油发动机(2)完成起动，发动机与两级齿轮减速系之间采用单向轴承，汽油发动机(2)完成起动后，启动电机(8)不继续工作。
3.根据权利要求1所述多旋翼并联混合动力无人机构，其能量来源有电池(12)和油桶(6)。电池(12)给旋翼电机(15)、(17)、(19)及(21)提供电力带动四个小旋翼(16)、(18)、(20)及(22)运转。当无人机需要发生横滚运动、俯仰运动以及偏航运动时，控制器(7)通过控制改变电调PWM信号密度来控制电机转速，进而实现无人机横滚、俯仰和偏航等运动，同时控制器(7)控制汽油发动机(2)油门变化，以改变共轴双桨(1)转速以维持无人机相对高度位置，同时控制器(7)不断检测电池(12)电压，当电压低于某设定阈值时，发电机电路闭合，汽油发动机(2)经过传动减速机构(13)带动发电机(14)发电，经过电力转换模块整流稳压后给电池充电。
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