CN108725823A - 一种燃料电池供电的无人机起飞平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池供电的无人机起飞平台，包括无人机起飞平台以及无人机系统，所述无人机系统通过电磁驱动固定锁固定在无人机起飞平台上，所述无人机起飞平台内设有动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统、通讯系统以及控制系统，所述控制系统与控制动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统以及通讯系统连接，所述无人机系统通过空气快速接口与空气供应系统连接，通过氮气快速接口与氮气供应系统连接。该无人机起飞保障的平台，主要用于燃料电池驱动无人机系统起飞前的系统检测与活化，确保无人机系统在状态合格的情况下放飞，可以提升燃料电池驱动无人机系统的安全性及其电源系统的可靠性。

Description

一种燃料电池供电的无人机起飞平台

技术领域

本发明涉及无人机起飞平台技术领域，特别涉及一种燃料电池供电的无人机起飞平台。

背景技术

当今社会，随着科学技术的飞速发展，智能机器广泛应用于人们的生活，现在，无人驾驶飞机被广泛地用于空中摄影、资源调查、递送救灾物资、空中巡逻等项目中，随着飞机姿态控制系统和航天技术的普及化，各种大小的无人驾驶飞机逐渐进入民用市场。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机起飞保障的平台，主要用于燃料电池驱动无人机系统起飞前的系统检测与活化，确保无人机系统在状态合格的情况下放飞，可以提升燃料电池驱动无人机系统的安全性及其电源系统的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种燃料电池供电的无人机起飞平台，包括无人机起飞平台以及无人机系统，所述无人机系统通过电磁驱动固定锁固定在无人机起飞平台上，所述无人机起飞平台内设有动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统、通讯系统以及控制系统，所述控制系统与控制动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统以及通讯系统连接，所述无人机系统通过空气快速接口与空气供应系统连接，通过氮气快速接口与氮气供应系统连接。

作为其中一种技术改进，所述动力系统包括内置燃料电池系统和内置锂电池包，所述内置燃料电池系统和内置锂电池包与无人机起飞平台的内置控制系统形成混合动力供电电路，并与控制系统连接。

作为其中一种技术改进，所述空气供应系统包括空气过滤器、空气泵、气液混合器、雾化器以及储水罐，空气泵连接空气过滤器，泵出口接入气液混合器，再连接至起飞平台顶面上的空气快速接口，雾化器入口连通储水罐，雾化器出口与气液混合器侧支口连接。

作为其中一种技术改进，所述氮气供应系统包括氮气瓶、减压阀、氮气流量电调节阀、雾化器、气液混合器以及储水罐，氮气瓶连接减压阀后接入氮气流量电调节阀，随后接入气液混合器再连接至起飞平台顶面上的氮气快速接口，雾化器入口连通储水罐，雾化器出口与气液混合器侧支口连接。

作为其中一种技术改进，所述操作系统包括无人机系统状态指示灯、总电源开关、空气回路雾化器开关、氮气回路雾化器开关、空气泵调速开关、氮气流量调节开关、电子负载调节旋钮、液晶显示屏以及蜂鸣器，它们设置在无人机起飞平台外表面，无人机系统状态指示灯、液晶显示屏以及蜂鸣器与控制系统连接，空气回路雾化器开关和氮气回路雾化器开关与雾化器连接，空气泵调速开关与空气泵相连，氮气流量调节开关与氮气流量电调节阀相连，电子负载调节旋钮与电子负载相连。

作为其中一种技术改进，所述控制系统为主控制板，主控制板连接电磁分离连接器、锂电池包、电子负载、空气泵、氮气电磁流量调节阀、状态指示灯、告警蜂鸣器、电磁驱动固定锁、雾化器、显示屏以及通讯系统，用于电力传输、变换、分配、控制、信息的采集处理及与各器件通讯。

作为其中一种技术改进，所述通讯系统为无线数据发送接收模块，设置在无人机起飞平台里面，无人机起飞平台外表面设有无线数据收发端口，用于实现主控制板与无人机系统的通讯，以及实现主控制板与第三方信息处理单元的通讯。

作为其中一种技术改进，所述起飞平台顶面上设置有氮气瓶充气口，所述充气口经单向阀与氮气瓶连通。

作为其中一种技术改进，所述起飞平台顶面上还设置有储水罐加水口，所述储水罐加水口与平台内置的储水罐连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、无人机起飞平台，主要用于燃料电池驱动无人机系统起飞前的系统检测与活化，确保无人机系统在状态合格的情况下放飞，无人机起飞平台与无人机系统气体、电力、信号的连通，提升了燃料电池驱动无人机系统的安全性及其电源系统的可靠性；

2、无人机起飞平台内置一块锂电池与无人机燃料电池通过起飞平台内置控制电路板形成混合动力供电电路，即作为启动电源同时也起到保护燃料电池的作用；

3、无人机起飞平台内置可调电子负载，在燃料电池的工作温度、膜电极界面状态都未达到最佳时，阶跃式大负载容易将电池电压拉到很低，对电池造成损伤。内置可调电子负载实现对燃料电池的逐步加载过程，避免燃料电池启动过程中，电池尚未达到最佳工作状态就承受大电流放电，使得电池有一个逐渐升温及调整界面状态的过程，起到电池的自活化作用；

4、无人机起飞平台内置空气泵、空气过滤器，雾化器、储水罐。空气泵与空气过滤器连接，并通过平台快速空气接口与无人机燃料电池系统空气侧连通，可对燃料电池空气侧电极进行大气量吹扫除水、除尘；也可通过空气泵气体通道上的雾化器抽取储水罐中存储的去离子水进行超声雾化对空气增湿，增湿的空气对燃料电池膜电极进行启动前的预活化，防止膜电极失水，降低电池内阻，无人机起飞平台内置氮气瓶，通过平台快速氮气接口与无人机燃料电池系统氢气侧连通，可对燃料电池氢气侧电极进行大气量吹扫除水；也可通过氮气气体通道上的雾化器抽取储水罐中存储的去离子水进行超声雾化对氮气增湿，增湿的氮气对燃料电池膜电极进行启动前的预活化，防止膜电极失水，降低电池内阻。

5、无人机起飞平台设置有与控制板相连接的有线数据采集端口及无线数据收发端口，可通过数据线与无人机数据输出端口连接或通过无人机的无线发射端口获取数据；传输的数据中包括燃料电池的电压、电流、温度、风扇转速及无人机自身状态参数等。控制板对接收的数据进行处理分析，对燃料电池及无人状态做出判断，如果有电池电压过低、电流过大、温度过高、无人机故障等情况发生则在液晶显示屏显示故障参数，指示灯红色闪烁，并且蜂鸣器长鸣报警，无人机不进入起飞过程，等待人工处理；如果燃料电池及无人机状态良好，则在液晶显示屏显示系统准备就绪，指示灯绿色长亮，并且蜂鸣器短鸣提示，无人机进入待飞状态，电磁驱动固定锁及电磁分离连接器自动加电解锁与脱离，即可操作起飞。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明无人机起飞平台外观西南等轴测图；

图2为本发明无人机起飞平台外观东北等轴测图；

图3为本发明无人机起飞平台内部西南等轴测图；

图4为本发明无人机起飞平台内部东北等轴测图；

图5为本发明起飞保障平台空气供给流程示意图；

图6为本发明起飞保障平台氮气供给流程示意图；

图7为本发明起飞保障平台内置锂电池包与无人机用燃料电池混合供电连线图示意图；

图8为本发明起飞保障平台主控制板与各器件连接拓扑结构示意图；

其中，1、无人机系统；2、无人机起飞平台；3、状态指示灯；4、总电源开关；5、空气回路雾化器开关；6、氮气回路雾化器开关；7、空气泵调速开关；8、氮气流量调节开关；9、电子负载调节旋钮；10、液晶显示屏；11、蜂鸣器；12、电磁驱动固定锁；13、空气快速接口；14、氮气快速接口；15、无线数据收发端口；16氮气瓶充气口；17、储水罐加水口；18、主控制板；19、电子负载；20、可更换空气过滤器；21、空气泵；22、气液混合器；23、雾化器；24、锂电池包；25、气液混合器；26、氮气瓶；27、氮气流量电调节阀；28、减压阀；29、雾化器；30、储水罐；31、电磁分离连接器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

如图1至图8所示，一种燃料电池供电的无人机起飞平台，包括无人机系统1以及无人机起飞平台2，无人机系统通过电磁驱动固定锁12固定在无人机起飞平台上，无人机起飞平台内设有动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统、通讯系统以及控制系统，控制系统与控制动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统以及通讯系统连接，无人机系统通过空气快速接口13与空气供应系统连接，通过氮气快速接口14与氮气供应系统连接。

动力系统包括内置燃料电池系统和内置锂电池包24，内置燃料电池系统和内置锂电池包24与无人机起飞平台的内置控制系统形成混合动力供电电路，并与控制系统连接。

空气供应系统包括空气过滤器20、空气泵21、气液混合器22、雾化器23以及储水罐30，空气泵21连接空气过滤器20，泵出口接入气液混合器22，再连接至起飞平台顶面上的空气快速接口13，雾化器23入口连通储水罐30，雾化器23出口与气液混合器22侧支口连接。

氮气供应系统包括氮气瓶26、减压阀28、氮气流量电调节阀27、雾化器29、气液混合器25以及储水罐30，氮气瓶26连接减压阀28后接入氮气流量电调节阀27，随后接入气液混合器25再连接至起飞平台顶面上的氮气快速接口14，雾化器29入口连通储水罐30，雾化器29出口与气液混合器25侧支口连接。

操作系统包括无人机系统状态指示灯3、总电源开关4、空气回路雾化器开关5、氮气回路雾化器开关6、空气泵调速开关7、氮气流量调节开关8、电子负载调节旋钮9、液晶显示屏10以及蜂鸣器11，它们设置在无人机起飞平台外表面，无人机系统的状态指示灯3、液晶显示屏10以及蜂鸣器11与控制系统连接，空气回路雾化器开关5和氮气回路雾化器开关6与雾化器29连接，空气泵调速开关7与空气泵21相连，氮气流量调节开关8与氮气流量电调节阀27相连，电子负载调节旋钮9与电子负载19相连。

控制系统为主控制板18，主控制板18连接电磁分离连接器31、锂电池包24、电子负载19、空气泵21、氮气电磁流量调节阀27、状态指示灯3、蜂鸣器11、电磁驱动固定锁12、雾化器23、液晶显示屏10以及通讯系统，用于电力传输、变换、分配、控制、信息的采集处理及与各器件通讯。

通讯系统为无线数据发送接收模块，设置在无人机起飞平台里面，无人机起飞平台外表面设有无线数据收发端口15，用于实现主控制板与无人机系统的通讯，以及实现主控制板与第三方信息处理单元的通讯。

起飞平台顶面上设置有氮气瓶充气口16，所述氮气瓶充气口16经单向阀与氮气瓶26连通；起飞平台顶面上还设置有储水罐加水口17，所述储水罐加水口17与平台内置的储水罐30连通。

无人机起飞平台2主要用于燃料电池驱动无人机系统1起飞前的系统检测与活化，确保无人机系统在状态合格的情况下放飞，可以提升燃料电池驱动无人机系统的安全性及其电源系统的可靠性。无人机系统1通过电磁驱动固定锁12固定于无人机起飞平台上平面，防止滑动与误动作，无人机系统状态检测合格，则电磁驱动固定锁12自动打开。无人机系统1通过无人机起飞平台2上的空气快速接口与氮气快速接口实现与平台的气路连通；通过电磁分离连接器31实现与起飞平台的电气及有线信号连接。空气快速接口接入的气体通过无人机系统内置三通电磁切换阀接入燃料电池阴极；氮气快速接口接入的气体通过无人机系统内置三通电磁切换阀接入燃料电池阳极，可以分别对燃料电池阴、阳极进行吹扫、增湿活化。无人机系统内燃料电池输出端、控制器输出端通过电磁分离连接器31与无人机起飞平台内主控制板18相连，控制平台可以读入燃料电池状态参数及无人机状态参数，包括电压、电流、温度、湿度、风扇转速、姿态角等，也可以向无人机系统发送控制命令。无人机起飞平台2还设有无线数据收发端口15，也可以实现与无人机系统及外部信息处理装置的无线数据通讯。

无人机起飞平台2内置有主控制板18、电子负载19、锂电池包24，如图7所示，锂电池包24与从无人机系统接入的燃料电池都与主控制板18连接，通过主控制板上的理想二极管防逆向充电电路实现并联混合供电，为电子负载、泵、阀等用电器件提供电力。当燃料电池状态良好，在工作点端电压高于锂电池包则燃料电池承担全部的电力输出；当燃料电池物料供给不足、负载突然变大、电池状态不佳等状况发生时，在工作点燃料电池端电压下降至锂电池包端电压则二者共同承担电力输出，锂电池起到消峰填谷保护燃料电池的作用。

无人机起飞平台2内设置有可更换空气过滤器20、空气泵21、气液混合器22、雾化器23、储水罐30，几者组成燃料电池阴极吹扫增湿活化回路，如图5所示。空气泵21经过滤器吸入过滤后的空气，泵出口气体接入气液混合器22再连接至起飞平台顶面上的空气快速接口13，雾化器23入口连通储水罐30,出口与气液混合器22侧支口连接。启动雾化器23则可以从储水罐30中抽取去离子水超声波雾化后喷入气液混合器22，实现对空气泵泵入空气的加湿。同理，无人机起飞平台2内还设置有氮气瓶26、减压阀28、氮气流量电调节阀27、雾化器29、气液混合器25，与储水罐30一起组成燃料电池阳极吹扫增湿活化回路，如图6所示。氮气瓶26中的高压氮气经减压阀28降为低压后接入氮气流量电调节阀27，调节流速后的氮气接入气液混合器25再连接至起飞平台顶面上的氮气快速接口14，雾化器29入口连通储水罐30，出口与气液混合器25侧支口连接。启动雾化器29则可以从储水罐30中抽取去离子水超声波雾化后喷入气液混合器25，实现对燃料电池阳极吹扫回路氮气的加湿。起飞平台顶面上安装有氮气瓶充气口16，经单向阀三通与氮气瓶连通，通过此充气口可以直接对内置氮气瓶进行充气。储水罐30可以通过安置在起飞平台顶面上的储水罐加水口17补充去离子水。

无人机起飞平台2上表面安装有无人机系统状态指示灯3，前面板配置有总电源开关4、空气回路雾化器开关5、氮气回路雾化器开关6、空气泵调速开关7、氮气流量调节开关8、电子负载调节旋钮9、液晶显示屏10、蜂鸣器11。状态指示灯3具有变色功能，当无人机系统检测合格可以放飞则状态指示灯3长绿色显示，蜂鸣器11短鸣提示，并在液晶显示屏10上提示系统状态良好，系统准备就绪可以放飞信息；当无人机系统检测有故障则状态指示灯3红色闪烁显示，蜂鸣器11闪鸣告警，并在液晶显示屏10上显示故障代码。空气回路雾化器开关5与氮气回路雾化器开关6用于开启关停超声波雾化器，实现对空气或氮气的增湿。空气泵调速开关7与空气泵21相连，用于对空气泵的启动与调速；氮气流量调节开关8与氮气流量电调节阀27相连，用于氮气回路的开通及流速调节；电子负载调节旋钮与电子负载19相连，用于调节电子负载的电流、电压或功率，来模拟无人机系统内置电源的负载工况。液晶显示屏10可以显示燃料电池状态参数及无人机状态参数，包括燃料电池的电压、电流、温度、湿度、风扇转速；内置锂电池的电压、电流、温度；无人机的姿态角、综合状态、故障代码等信息。

无人机起飞平台2通过内置主控制板18实现与各用电器件的连接，起到电力传输、变换、分配、控制，信息的采集处理及与各器件通讯的功能。与各器件连接的拓扑结构如图8所示。主控制板18可以从无人机系统、电子负载、无线数据发送接收模块进行数据的获取或对这些器件发送执行命令，根据采集到的数据对无人机系统及其内置燃料电池状态进行判读处理，并将处理后的相应信息发送给显示屏、状态指示灯、蜂鸣器。无线数据发送接收模块可以实现主控制板与无人机系统的通讯，也可以实现主控制板与第三方信息处理单元的通讯。

无人机起飞平台的工作过程为：

将燃料电池驱动无人机系统通过电磁驱动固定锁可靠固定在无人机起飞平台上平面。将无人机系统内置燃料电池空气及氢气入口三通阀切换到外置输入接口，通过柔性软管，连接燃料电池空气侧与起飞保障平台上的空气快速接口、氢气侧与起飞保障平台上的氮气快速接口；通过多芯电缆线束连接无人机系统上输出用电磁分离连接器与起飞保障平台上的电磁分离连接器，从而实现无人机系统与起飞保障平台的气、电、信息连通。

与起飞保障平台的气体及电连接：

打开起飞平台总电源开关，自检启动起飞保障平台；打开空气泵调速开关，调节空气流速，对电池空气侧进行吹扫1～15min，然后打开空气回路雾化器开关，启动雾化器，在空气增湿状态下吹扫1～15min，结束后，关停空气泵及雾化器，燃料电池空气入口三通阀切换到内部供气端，断开外部软管与燃料电池空气侧的连接。打开氮气流量调节开关，调节氮气流速，对电池氢气侧进行吹扫1～15min,然后打开氮气回路雾化器开关，启动雾化器，在氮气增湿状态下吹扫1～15min，结束后，关停氮气及雾化器，燃料电池氢气入口三通阀切换到内部氢气端，断开外部软管与燃料电池氢气侧的连接。并打开无人机系统自带高压氢气阀门，使燃料电池具备输出能力。空气及氮气连接可同步进行。

将电子负载设置为恒电流或恒功率模式，通过电子负载调节旋钮逐步增大电流或功率。增大负载程过程中燃料电池的电压不能低于设定电压，此过程直至燃料电池达到预设定满载输出稳定30～180S，将电子负载功耗调至为0，切换到无人机预启动状态。起飞平台控制板读取燃料电池及无人机参数，判断燃料电池及无人机状态，在液晶显示屏显示状态参数或故障代码。如果故障则在液晶显示屏显示故障参数，指示灯红色闪烁，并且蜂鸣器长鸣报警，无人机不进入起飞过程，等待人工处理。如果燃料电池及无人机状态良好，则在液晶显示屏显示系统准备就绪，指示灯绿色长亮，并且蜂鸣器短鸣提示，电磁分离固定锁打开，电磁分离连接器打开，无人机进入待飞状态，即可操作起飞。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：包括无人机起飞平台以及无人机系统，所述无人机系统通过电磁驱动固定锁固定在无人机起飞平台上，所述无人机起飞平台内设有动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统、通讯系统以及控制系统，所述控制系统与控制动力系统、空气供应系统、氮气供应系统、操作系统以及通讯系统连接，所述无人机系统通过空气快速接口与空气供应系统连接，通过氮气快速接口与氮气供应系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述动力系统包括内置燃料电池系统和内置锂电池包，所述内置燃料电池系统和内置锂电池包与无人机起飞平台的内置控制系统形成混合动力供电电路，并与控制系统连接。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述空气供应系统包括空气过滤器、空气泵、气液混合器、雾化器以及储水罐，空气泵连接空气过滤器，泵出口接入气液混合器，再连接至起飞平台顶面上的空气快速接口，雾化器入口连通储水罐，雾化器出口与气液混合器侧支口连接。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述氮气供应系统包括氮气瓶、减压阀、氮气流量电调节阀、雾化器、气液混合器以及储水罐，氮气瓶连接减压阀后接入氮气流量电调节阀，随后接入气液混合器再连接至起飞平台顶面上的氮气快速接口，雾化器入口连通储水罐，雾化器出口与气液混合器侧支口连接。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述操作系统包括无人机系统状态指示灯、总电源开关、空气回路雾化器开关、氮气回路雾化器开关、空气泵调速开关、氮气流量调节开关、电子负载调节旋钮、液晶显示屏以及蜂鸣器，它们设置在无人机起飞平台外表面，无人机系统状态指示灯、液晶显示屏以及蜂鸣器与控制系统连接，空气回路雾化器开关和氮气回路雾化器开关与雾化器连接，空气泵调速开关与空气泵相连，氮气流量调节开关与氮气流量电调节阀相连，电子负载调节旋钮与电子负载相连。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述控制系统为主控制板，主控制板连接电磁分离连接器、锂电池包、电子负载、空气泵、氮气电磁流量调节阀、状态指示灯、告警蜂鸣器、电磁驱动固定锁、雾化器、显示屏以及通讯系统，用于电力传输、变换、分配、控制、信息的采集处理及与各器件通讯。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述通讯系统为无线数据发送接收模块，设置在无人机起飞平台里面，无人机起飞平台外表面设有无线数据收发端口，用于实现主控制板与无人机系统的通讯，以及实现主控制板与第三方信息处理单元的通讯。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述起飞平台顶面上设置有氮气瓶充气口，所述充气口经单向阀与氮气瓶连通。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池供电的无人机起飞平台，其特征在于：所述起飞平台顶面上还设置有储水罐加水口，所述储水罐加水口与平台内置的储水罐连通。