CN109606623A - 智能模块化太阳能无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了智能模块化太阳能无人机，包括机身模块、动力系统模块和智能太阳能机翼模块，太阳能机身模块为无人机的主体承重部分，其上安装有尾翼、智能太阳能机翼模块和动力系统模块，并由机身模块控制智能太阳能机翼模块和动力系统模块的运行与转换；所述智能太阳能机翼模块为无人机的核心部件，其上集成多种核心部件，为无人机提供充足的电能，所述动力系统模块安装于智能太阳能机翼模块上，为无人机提供飞行的动力。本发明将无人机拆分为机身模块、动力系统模块、智能太阳能机翼模块，可以自由组合、灵活配置飞机的各种模块来改变飞机的物理参数，适用不同的载荷和飞行任务，飞机翼展可以组合到几米到上几十米长，单个模块又很适合运输制造。

Description

智能模块化太阳能无人机

技术领域

本发明涉及太阳能无人机技术领域，特别涉及智能模块化太阳能无人机。

背景技术

太阳能无人机是利用太阳能电池提供电能驱动电机带动螺旋桨的无人机，它具备超长航时的特点，未来留空时间可长达数月至数年，且飞行高度高，超过两万米，任务区域广阔，具备“准卫星”特征，具有部署灵活、经济性好等优势，可广泛应用于军民融合领域，包括重大自然灾害预警、常态化海域监管、应急抢险救灾、反恐维稳等公益事业领域以及偏远地区互联网无线接入、移动通信、数字电视信号广播等商业及产业类领域，目前世界航空航天业也在争相开发研制以太阳能为动力的载人和无人机。现有太阳能无人机虽发展迅速，但还存在许多需要完善的的地方，例如光伏电池的效率和重量等因素，限制了太阳能飞机的发展速度；为了提高飞机的性能，太阳能飞机的外形尺寸都比较庞大，而庞大的飞机在运输、组装、制造过程都存在很多困难，使得成本十分高昂。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供智能模块化太阳能无人机。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

智能模块化太阳能无人机，包括机身模块、动力系统模块和智能太阳能机翼模块，太阳能机身模块为无人机的主体承重部分，其上安装有尾翼、智能太阳能机翼模块和动力系统模块，并由机身模块控制智能太阳能机翼模块和动力系统模块的运行与转换；所述智能太阳能机翼模块为无人机的核心部件，其上集成多种核心部件，为无人机提供充足的电能，所述动力系统模块安装于智能太阳能机翼模块上，为无人机提供飞行的动力。

进一步的，所述机身模块是连接智能太阳能机翼模块与尾翼的构件，所述尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，对无人机的飞行起导向作用，所述机身模块上承载无人机所需的控制设备、导航设备、通讯设备和各种航测机载设备。

进一步的，所述机身模块上的控制设备采用飞行控制器，所述飞行控制器上连接有多个智能太阳能机翼模块内的智能电力分配器、航测设备、尾翼舵面执行机构，可控制智能电力分配器切换电池供电。

进一步的，所述智能太阳能机翼模块集成了光伏电池片、储能电池、智能电力分配器、附面层抽气减阻装置、机翼构架和舵面执行机构，所述智能电力分配器为智能太阳能机翼模块的核心部件，控制两侧机翼上的若干光伏电池片、储能电池，同时控制舵面执行机构与动力系统。

进一步的，所述智能电力分配器安装在智能太阳能机翼模块内部，每块光伏电池与每块储能电池与智能电力分配器连接，智能电力分配器检测每一片光伏电池的发电电压、电流、效率等，根据飞机飞控对飞机动力系统用的要求，自动组合光伏电池和储能电池的串、并联的方式来获得最大的效能；白天有阳光时自动根据光伏电池剩余电量调整储能电池的串、并联方式获得最佳的充电效率；当多个智能机翼模块组合在一起时，每个智能机翼模块即相当于独立的个体与其他智能机翼模块进行串、并联工作，又可以通过飞行控制器统一调动每一片光伏电池的组合，形成一个整体的电力系统。

进一步的，所述光伏电池片安装在智能太阳能机翼模块的表面，所述储能电池安装在智能太阳能机翼模块内部延展长方向均匀分布，重量载荷分布均匀对机翼机构强度要求低。

进一步的，所述附面层抽气减阻装置安装在机翼弦靠近后缘上表面三分之一处，是一种主动抽气装置，通过光伏电池片之间的缝隙处的微孔把机翼表面的气体吸入机翼空腔由气泵抽出，有效的降低了机翼上表面靠近后缘处的气流分离，使气流始终吸附在机翼表面提高机翼的升阻比。

进一步的，所述智能太阳能机翼模块分为两种，一种是矩形智能太阳能机翼模块，另一种是翼尖智能太阳能机翼模块，所述翼尖智能太阳能机翼模块位于矩形智能太阳能机翼模块的最外侧，与一个或多个矩形智能太阳能机翼模块组合形成整个智能太阳能机翼模块，每个机翼模块可以互相通过主插销和定位插销连接固定，同时采用两根动力线、SDA总线数据线和S.BUS信号线连接在D型插口上传输信号；多个机翼模块分别通过各自的总线数据接口SDA串接到机身模块上的飞行控制器，由飞行控制器来控制多个机翼模块的逻辑关系。

进一步的，所述动力系统模块包括电动机、电机调速机、螺旋桨、整流罩、壳体，所述螺旋桨分布在整流罩左右两侧，所述整流罩下侧连接罩壳，罩壳与整流罩内部安装固定电动机与电机调速机，所述动力系统模块通过动力线连接在智能太阳能机翼模块的接口上，通过智能太阳能机翼模块向动力系统模块发射调速信号，从而控制动力系统的启动与停止；所述动力系统模块可与智能太阳能机翼模块自由组合呈2动力、4动力、6动力及更多的动力配置。

进一步的，所述机身模块、动力系统模块与智能太阳能机翼模块的数量都可根据需求改变，两个翼尖智能太阳能机翼模块可与一个或多个矩形智能太阳能机翼模块组合形成一个完整的智能太阳能机翼模块，所述每个矩形智能太阳能机翼模块最多可以安装组合两个动力系统模块和一个机身模块，所述动力系统模块分布在机身模块两侧，呈对称分布；所述机身模块有两个及两个以上时，只有其中一个作为飞行控制器平台其余机身模块为装载任务载荷平台使用。

本发明所带来的有益效果是：本发明将无人机拆分为机身模块、动力系统模块、智能太阳能机翼模块，每一模块可多个也可单个使用，可以自由组合、灵活配置飞机的各种模块来改变飞机的物理参数，适用不同的载荷和飞行任务，飞机翼展可以组合到几米到上几十米长，单个模块又很适合运输制造，极大地减轻运输、组装成本。

附图说明

图1是本发明机身模块的结构示意图。

图2是本发明动力系统模块的结构示意图。

图3是本发明智能太阳能机翼模块的结构示意图。

图4是本发明智能太阳能机翼模块之间的连接结构示意图。

图5是本发明智能太阳能机翼模块内部结构示意图。

图6是本发明附面层抽气减阻装置的安装示意图。

图7是本发明智能太阳能机翼模块内部系统原理图。

图8是本发明实施例一的结构示意图。

图9是本发明实施例一的内部系统原理图。

图10是本发明实施例二的结构示意图。

图11是本发明实施例三的结构示意图。

图12是本发明实施例四的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-7所示，智能模块化太阳能无人机，包括机身模块、动力系统模块和智能太阳能机翼模块，太阳能机身模块为无人机的主体承重部分，其上安装有尾翼、智能太阳能机翼模块和动力系统模块，并由机身模块控制智能太阳能机翼模块和动力系统模块的运行与转换；所述智能太阳能机翼模块为无人机的核心部件，其上集成多种核心部件，为无人机提供充足的电能，所述动力系统模块安装于智能太阳能机翼模块上，为无人机提供飞行的动力。

所述机身模块是连接智能太阳能机翼模块与尾翼的构件，所述机身模块与连接智能太阳能机翼模块、尾翼机械部分采用碳纤维管状结构对插， 电气部分采用插头插座对接，外加贴合锁扣防止意外脱出的连接结构连接，所述尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，对无人机的飞行起导向作用，所述机身模块上承载无人机所需的控制设备、导航设备、通讯设备和各种航测机载设备。

所述机身模块上的控制设备采用飞行控制器，所述飞行控制器上连接有多个智能太阳能机翼模块内的智能电力分配器、航测设备、尾翼舵面执行机构，可控制智能电力分配器切换电池供电。

所述智能太阳能机翼模块集成了光伏电池片、储能电池、智能电力分配器、附面层抽气减阻装置、机翼构架和舵面执行机构，所述智能电力分配器为智能太阳能机翼模块的核心部件，控制两侧机翼上的若干光伏电池片、储能电池，同时控制舵面执行机构与动力系统。

所述智能电力分配器安装在智能太阳能机翼模块内部，每块光伏电池与每块储能电池与智能电力分配器连接，智能电力分配器检测每一片光伏电池的发电电压、电流、效率等，根据飞机飞控对飞机动力系统用的要求，自动组合光伏电池和储能电池的串、并联的方式来获得最大的效能；白天有阳光时自动根据光伏电池剩余电量调整储能电池的串、并联方式获得最佳的充电效率；当多个智能机翼模块组合在一起时，每个智能机翼模块即相当于独立的个体与其他智能机翼模块进行串、并联工作，又可以通过飞行控制器统一调动每一片光伏电池的组合，形成一个整体的电力系统。

所述光伏电池片安装在智能太阳能机翼模块的表面，所述储能电池安装在智能太阳能机翼模块内部延展长方向均匀分布，重量载荷分布均匀对机翼机构强度要求低，所述储能电池埋在机翼中用保温泡沫填充，同时加入热敏电偶监控不同模块锂电池组的温度，如果电芯温度过低（例如利于零下10℃）的话则自动开启电池自放电电路，加热电池组以提高电池的电量保持能力与循环寿命。

所述附面层抽气减阻装置安装在机翼弦靠近后缘上表面三分之一处，是一种主动抽气装置，通过光伏电池片之间的缝隙处的微孔把机翼表面的气体吸入机翼空腔由气泵抽出，有效的降低了机翼上表面靠近后缘处的气流分离，使气流始终吸附在机翼表面提高机翼的升阻比。

所述智能太阳能机翼模块分为两种，一种是矩形智能太阳能机翼模块，另一种是翼尖智能太阳能机翼模块，所述翼尖智能太阳能机翼模块位于矩形智能太阳能机翼模块的最外侧，与一个或多个矩形智能太阳能机翼模块组合形成整个智能太阳能机翼模块，每个机翼模块可以互相通过主插销和定位插销连接固定，同时采用两根动力线、SDA总线数据线和S.BUS信号线连接在D型插口上传输信号；多个机翼模块分别通过各自的总线数据接口SDA串接到机身模块上的飞行控制器，由飞行控制器来控制多个机翼模块的逻辑关系。

所述动力系统模块包括电动机、电机调速机、螺旋桨、整流罩、壳体，所述螺旋桨分布在整流罩左右两侧，所述整流罩下侧连接罩壳，罩壳与整流罩内部安装固定电动机与电机调速机，所述动力系统模块通过动力线连接在智能太阳能机翼模块的接口上，所述机翼里预埋有安装螺母，动力系统模块用定位销定位和紧固螺栓与智能太阳能机翼模块连接，通过智能太阳能机翼模块向动力系统模块发射调速信号，从而控制动力系统的启动与停止；所述动力系统模块可与智能太阳能机翼模块自由组合呈2动力、4动力、6动力及更多的动力配置。

所述机身模块、动力系统模块与智能太阳能机翼模块的数量都可根据需求改变，两个翼尖智能太阳能机翼模块可与一个或多个矩形智能太阳能机翼模块组合形成一个完整的智能太阳能机翼模块，所述每个矩形智能太阳能机翼模块最多可以安装组合两个动力系统模块和一个机身模块，所述动力系统模块分布在机身模块两侧，呈对称分布；所述机身模块有两个及两个以上时，只有其中一个作为飞行控制器平台其余机身模块为装载任务载荷平台使用。

实施例一：

以4套系统动力为例子，选用了一个机身模块，三个矩形智能太阳能机翼模块，两个翼尖智能太阳能机翼模块，4套动力系统模块组合而成如图8所示；

模块之间功能连接关系如下面框图9：一共5个机翼模块分别通过各自的总线数据接口SDA串接到机身模块上的飞行控制器，由飞行控制器来控制5个机翼模块的逻辑关系，比如飞机起飞时或者飞控检测到空速接近失速速度时需要飞机加速提供最大的动力时，飞行控制器通过总线通知机翼模块里的智能动力分配器将左、右侧翼尖机翼模块1、5电能并接到装有两套动力系统的中间机翼模块3电池上为的动力系统模块2、3提供充足电力，机翼模块2、4各自独立为动力系统模块1、4供电，这样就保证了4个动力系统的均衡工作发挥最大效能。

当飞机平飞或者不需要大动力时，飞行控制器可以通知机翼模块2、4上的动力系统模块1、4停止工作，并将电力合并到中间的机翼模块3上，同时左右翼尖机翼模块1、5也将电力和并到中间机翼模块3上，这样可以节省更多的电能，也可以为每块机翼模块里的储能电池充电。

如果某一块机翼损坏或者光照条件差电力下降，飞控系统会通知该机翼模块里电力分配器将损坏的光伏电池单体隔离停用，或者把效率低电池单体串联提升电压再接入系统，等光照充足时再改变连接方式；实际飞行过程中可根据用电情况来调配，动力系统和伺服系统的的通信控制都是由S.BUS接口连接由飞行控制器统一控制。

实施例二：

如图10所示，该无人机包括一个机身模块，一个矩形智能太阳能机翼模块，两个翼尖智能太阳能机翼模块和两套动力系统模块，其中，两套动力系统模块连接在矩形智能太阳能机翼模块上，矩形智能太阳能机翼模块和翼尖智能太阳能机翼模块连接在机身模块上的飞行控制器上，由飞行控制器控制三个智能太阳能机翼模块内的智能电力分配器，通过智能电力分配器控制机翼内部的电池供电及外部的动力系统，具体工作方式与实施例一相同。

实施例三：

如图11所示，设有四套动力系统模块，两个机身模块，两个矩形智能太阳能机翼模块，两个翼尖智能太阳能机翼模块，其中，每个矩形智能太阳能机翼模块上连接有一个机身模块与两个动力系统模块，两个机身模块中只有一个设有飞行控制器，用来控制4个智能太阳能机翼模块和4个动力系统模块，另外一个机身模块只用来承载负荷，具体控制方式与实施例一相同。

实施例四：

如图12所示，设有六套动力系统模块，三个机身模块，三个矩形智能太阳能机翼模块，两个翼尖智能太阳能机翼模块，其中，每个矩形智能太阳能机翼模块上连接有一个机身模块与两个动力系统模块，三个机身模块中只有一个设有飞行控制器，用来控制5个智能太阳能机翼模块和6个动力系统模块，另外两个机身模块只用来承载负荷，具体控制方式与实施例一相同。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.智能模块化太阳能无人机，其特征在于，包括机身模块、动力系统模块和智能太阳能机翼模块，太阳能机身模块为无人机的主体承重部分，其上安装有尾翼、智能太阳能机翼模块和动力系统模块，并由机身模块控制智能太阳能机翼模块和动力系统模块的运行与转换；所述智能太阳能机翼模块为无人机的核心部件，其上集成多种核心部件，为无人机提供充足的电能，所述动力系统模块安装于智能太阳能机翼模块上，为无人机提供飞行的动力。

2.根据权利要求1所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述机身模块是连接智能太阳能机翼模块与尾翼的构件，所述尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼，对无人机的飞行起导向作用，所述机身模块上承载无人机所需的控制设备、导航设备、通讯设备和各种航测机载设备。

3.根据权利要求2所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述机身模块上的控制设备采用飞行控制器，所述飞行控制器上连接有多个智能太阳能机翼模块内的智能电力分配器、航测设备、尾翼舵面执行机构，可控制智能电力分配器切换电池供电。

4.根据权利要求1所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述智能太阳能机翼模块集成了光伏电池片、储能电池、智能电力分配器、附面层抽气减阻装置、机翼构架和舵面执行机构，所述智能电力分配器为智能太阳能机翼模块的核心部件，控制两侧机翼上的若干光伏电池片、储能电池，同时控制舵面执行机构与动力系统。

5.根据权利要求4所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述智能电力分配器安装在智能太阳能机翼模块内部，每块光伏电池与每块储能电池与智能电力分配器连接，智能电力分配器检测每一片光伏电池的发电电压、电流、效率等，根据飞机飞控对飞机动力系统用的要求，自动组合光伏电池和储能电池的串、并联的方式来获得最大的效能；白天有阳光时自动根据光伏电池剩余电量调整储能电池的串、并联方式获得最佳的充电效率；当多个智能机翼模块组合在一起时，每个智能机翼模块即相当于独立的个体与其他智能机翼模块进行串、并联工作，又可以通过飞行控制器统一调动每一片光伏电池的组合，形成一个整体的电力系统。

6.根据权利要求4所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述光伏电池片安装在智能太阳能机翼模块的表面，所述储能电池安装在智能太阳能机翼模块内部延展长方向均匀分布。

7.根据权利要求4所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述附面层抽气减阻装置安装在机翼弦靠近后缘上表面三分之一处，是一种主动抽气装置，通过光伏电池片之间的缝隙处的微孔把机翼表面的气体吸入机翼空腔由气泵抽出。

8.根据权利要求1所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述智能太阳能机翼模块分为两种，一种是矩形智能太阳能机翼模块，另一种是翼尖智能太阳能机翼模块，所述翼尖智能太阳能机翼模块位于矩形智能太阳能机翼模块的最外侧，与一个或多个矩形智能太阳能机翼模块组合形成整个智能太阳能机翼模块，每个机翼模块可以互相通过主插销和定位插销连接固定，同时采用两根动力线、SDA总线数据线和S.BUS信号线连接在D型插口上传输信号；多个机翼模块分别通过各自的总线数据接口SDA串接到机身模块上的飞行控制器，由飞行控制器来控制多个机翼模块的逻辑关系。

9.根据权利要求1所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述动力系统模块包括电动机、电机调速机、螺旋桨、整流罩、壳体，所述螺旋桨分布在整流罩左右两侧，所述整流罩下侧连接罩壳，罩壳与整流罩内部安装固定电动机与电机调速机，所述动力系统模块通过动力线连接在智能太阳能机翼模块的接口上，通过智能太阳能机翼模块向动力系统模块发射调速信号，从而控制动力系统的启动与停止；所述动力系统模块可与智能太阳能机翼模块自由组合呈2动力、4动力、6动力及更多的动力配置。

10.根据权利要求1所述的智能模块化太阳能无人机，其特征在于，所述机身模块、动力系统模块与智能太阳能机翼模块的数量都可根据需求改变，两个翼尖智能太阳能机翼模块可与一个或多个矩形智能太阳能机翼模块组合形成一个完整的智能太阳能机翼模块，所述每个矩形智能太阳能机翼模块最多可以安装组合两个动力系统模块和一个机身模块，所述动力系统模块分布在机身模块两侧，呈对称分布；所述机身模块有两个及两个以上时，只有其中一个作为飞行控制器平台其余机身模块为装载任务载荷平台使用。