CN109969380A - 一种太阳能无人机及其飞行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机技术领域，提供了一种太阳能无人机及其飞行控制方法。所述太阳能无人机包括设置于所述无人机机身上的太阳能电池组机翼、设备箱和起落架；设置于所述机身尾部的尾翼；设置于所述机身前部的拉升组件和转向组件，所述拉升组件和转向组件仅具有一个螺旋桨。本发明中的无人机只采用一个的螺旋桨，简化了无人机的结构，在风力较大的晴朗天气下，能够在空中匀速飞行、悬停；飞行时，所述太阳能电池组机翼将大量的太阳能转换为电能，给蓄电池充电并驱动螺旋桨转动，大大的提高了太阳能无人机的续航时间。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种太阳能无人机及其飞行控制方法。
背景技术
现有的电能无人机或太阳能与电能互补无人机，续航时间短是其最大的缺陷，如果要增加无人机的飞行时间，势必要增加蓄电池的容量，增加蓄电池的容量则又增加机身的重量，而且当搭载重量较大的探测、航拍、通讯等设备时无人机的航时会更短。
此外，现有的无人机采用多个螺旋桨，结构复杂，容易发生故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能无人机及其飞行控制方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明实施方式所采用的技术手段是：一种太阳能无人机，包括：机身；设置于所述机身上的太阳能电池组机翼、设备箱和起落架；设置于所述机身尾部的尾翼；设置于所述机身前部的拉升组件和转向组件，所述拉升组件和转向组件仅具有一个螺旋桨；本发明设计的无人机只采用了一个螺旋桨，简化了无人机的结构，在风力较大的晴朗天气下，能够在空中匀速飞行、悬停。
可选地，所述机身包括机身主杆，所述机身主杆上安装有机翼边框。
可选地，所述太阳能电池组机翼采用柔性薄膜太阳能芯片组件制作，其外形尺寸与所述机翼边框匹配，并通过所述机翼边框安装于所述机身主杆上，所述太阳能电池组机翼与所述机翼边框位于同一平面内；本发明的实施方法采用柔性薄膜太阳能芯片组件制作机翼，具有弱光性能好，发电效率高，且具备轻薄柔等特点，由于其轻薄柔的特点，无人机的翼展面积可以设计地比较宽大，飞行时，所述太阳能电池组机翼将大量的太阳能转换为电能，给蓄电池充电并驱动螺旋桨转动，大大的提高了无人机的续航时间。
可选地，所述机身主杆前端与转向连接杆一端转动连接，并安装有水平转向马达，驱动所述无人机在水平方向转向；所述转向连接杆另一端转动连接所述螺旋桨，并安装有垂直转向马达，驱动所述无人机在垂直方向转向；所述转向组件主要由水平转向马达和所述螺旋桨组成，所述拉升组件主要由所述垂直转向马达和所述螺旋桨组成。
可选地，所述设备箱包括定位-遥控-通讯设备，蓄电池，控制器和探测-航拍-传感器设备；优选地，所述定位-遥控-通讯设备为卫星定位-遥控-通讯设备，监测无人机所在位置，接受地面控制信号。
可选地，所述太阳能电池组机翼的电能输出端与所述控制器电能输入端连接；所述控制器的电能输出分别与所述蓄电池的充电端、所述螺旋桨的供电输入端、所述水平转向马达的供电输入端、所述垂直转向马达的供电输入端和探测-航拍-传感器设备的供电输入端连接。
可选地，所述定位-遥控-通讯设备的信号输出端、所述太阳能电池组机翼的信号输出端和所述蓄电池的信号输出端分别与所述控制器的信号输入端连接。
本发明实施方式还提供一种上述太阳能无人机的飞行控制方法，所述飞行控制方法包括以下步骤：
1)置于空旷水平地面的太阳能无人机接收控制器发出的起飞信号，所述控制器同时发出蓄电池或太阳能电池组机翼向所述螺旋桨供电的信号，所述螺旋桨启动，所述太阳能无人机起飞；
2)所述太阳能无人机起飞到达预定高度后，所述控制器根据所述太阳能无人机的机身自重和风力、气流参数，发出所述蓄电池或太阳能电池组机翼向所述拉升组件供电的信号，调整机身受力平衡，所述太阳能无人机平稳向前飞行；
3)所述太阳能无人机转向时，所述控制器发出所述蓄电池或所述太阳能电池组机翼向所述转向组件供电的信号，所述太阳能无人机向左或向右转向前进；
4)所述太阳能无人机降落时，所述控制器发出所述蓄电池或所述太阳能电池组机翼向所述转向组件供电的信号，所述太阳能无人机前往降落方向，所述控制器同时发出向所述螺旋桨减少供电的信号，直至所述太阳能无人机着陆后停止供电。
可选地，所述太阳能无人机起飞后，所述太阳能电池组机翼转换的电能直接供给所述螺旋桨或供给所述蓄电池充电。
可选地，所述步骤2)中，所述太阳能无人机的所述控制器根据顺风参数、逆风参数，上升气流参数和下降气流参数，控制所述太阳能无人机作空中悬停、匀速飞行、减速飞行或加速飞行。
与现有技术相比，本发明的实施方式产生的有益效果是：
(1)本发明的实施方式中的太阳能电池组机翼采用铜铟镓硒、砷化镓等柔性薄膜组件制作，使机翼重量轻，发电效率高，弱光发电性能好。
(2)本发明的实施方式中的太阳能无人机的翼展面积可以设计地比较宽大，飞行时，所述太阳能电池组机翼将大量的太阳能转换为电能，给蓄电池充电并驱动螺旋桨转动，大大的提高了无人机的续航时间。
(3)本发明的实施方式中的太阳能无人机只采用一个螺旋桨，简化了无人机的结构，在风力较大的晴朗天气下，能够在空中匀速飞行、悬停。
(4)本发明的实施方式中的太阳能无人机当飞行到空中时，如果存在逆向和顺向风力时，由于机翼比较宽，而且很轻，太阳能无人机可以在空中如风筝一般悬停和匀速飞行，此时机翼所发的电能供给螺旋桨很有可能过剩，当电能过剩后可以将电能存储到蓄电池中，这样不仅节能环保，还提高了太阳能无人机应对其它耗电工况的能力，同时增加航时，给探测和航拍提供了很大的方便。
附图说明
图1为本发明一实施方式中太阳能无人机整机示意图。
图2为本发明一实施方式中太阳能无人机系统组成示意图。
图3为本发明一实施方式中太阳能无人机设备箱组成示意图。
图4为本发明一实施方式中太阳能无人机供电逻辑示意图。
图5为本发明一实施方式中太阳能无人机控制逻辑示意图。
图6为本发明一实施方式中太阳能无人机起飞前准备状态示意图。
图7为本发明一实施方式中太阳能无人机起飞状态示意图。
图8为本发明一实施方式中太阳能无人机在水平飞行过程中由于机身重力作用下降继续拉升时的受力分析示意图。
图9为本发明一实施方式中太阳能无人机在顺风水平飞行过程中由于机身重力作用下降继续拉升时的受力分析示意图。
图10为本发明一实施方式中太阳能无人机在逆风水平飞行过程中由于机身重力作用下降继续拉升时的受力分析示意图。
图11为本发明一实施方式中太阳能无人机遇到上升气流时的受力分析示意图。
图12为本发明一实施方式中太阳能无人机飞行方法流程示意图。
其中：1.太阳能电池组机翼，2.机翼边框，3.水平转向马达，4.螺旋桨，5.垂直转向马达，6.转向连接杆，7.机身主杆，8.起落架，9.设备箱，9-1.定位-遥控-通讯设备，9-2.蓄电池，9-3.控制器，9-4.探测-航拍-传感器设备，10.尾翼。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明一实施例中提供了一种太阳能无人机，如附图1-2所示，包括：机身，设置于机身上的太阳能电池组机翼1、设备箱9和起落架8；设置于机身尾部的尾翼10；设置于所述机身前部的拉升组件和转向组件，所述拉升组件和转向组件仅具有一个螺旋桨4。
本实施例中的机身具有机身主杆7，机身主杆7上安装有机翼边框2；机身主杆7前端与转向连接杆6一端转动连接，并安装有水平转向马达3，水平转向马达3可实现正反转，驱动无人机在水平方向转向；转向连接杆6另一端转动连接螺旋桨4，并安装有垂直转向马达5，垂直转向马达5可实现正反转，驱动无人机在垂直方向转向；太阳能电池组机翼1采用柔性薄膜太阳能芯片组件制作，其外形尺寸与机翼边框2匹配，并通过机翼边框2安装于机身主杆7上，太阳能电池组机翼1与机翼边框2位于同一平面内。
本实施例中采用柔性薄膜太阳能芯片组件制作机翼，具有弱光性能好，发电效率高，且具备轻薄柔等特点，由于其轻薄柔的特点，无人机的翼展面积可以设计地比较宽大，飞行时，太阳能电池组机翼将大量的太阳能转换为电能，给蓄电池充电并驱动螺旋桨转动，大大的提高了无人机的续航时间。具体地，柔性薄膜太阳能芯片组件可以为铜铟镓硒薄膜太阳能芯片组件、硅基薄膜太阳能芯片组件、碲化镉薄膜太阳能芯片组件、砷化镓薄膜太阳能芯片组件、染料敏化薄膜太阳能芯片组件或有机柔性薄膜太阳能芯片组件。
本实施例中的太阳能无人机还包括设置于机身前部的拉升组件和转向组件，拉升组件和转向组件仅具有一个螺旋桨4，螺旋桨4转动切割空气，简化了无人机的结构，在风力较大的晴朗天气下，能够在空中匀速飞行、悬停。转向组件主要由水平转向马达3和螺旋桨4组成，拉升组件主要由垂直转向马达5和螺旋桨4组成。
本实施例中，机翼边框2、转向连接杆6、机身主杆7起落架8和尾翼10均采用塑料或铝合金材料制作，采用质量较轻的硬性材料，有效降低整机质量，提高航时；其中，尾翼10为保持机身平衡的装置。
本实施例中，设备箱9包括定位-遥控-通讯设备9-1，蓄电池9-2，控制器9-3和探测-航拍-传感器设备9-4，其中控制器9-3通过策略给蓄电池9-1充电，将蓄电池9-2电能供给用电设备，接受控制信号，做出控制动作指令；如附图3-5所示，太阳能电池组机翼1的电能输出端与控制器9-3电能输入端连接；控制器9-3的电能输出分别与蓄电池9-2的充电端、螺旋桨4的供电输入端、水平转向马达3的供电输入端、垂直转向马达5的供电输入端和探测-航拍-传感器设备9-4的供电输入端连接；定位-遥控-通讯设备9-1的信号输出端、太阳能电池组机翼1的信号输出端和蓄电池9-2的信号输出端分别与控制器9-3的信号输入端连接。本实施例中，蓄电池9-2可以是各种材料的电池，不仅仅限于锂电池，只要能够进行充放电的电池均在本实施例的保护范围之内。
按照如下方法控制本实施例中的太阳能无人机，如附图12所示：
1)置于空旷水平地面的太阳能无人机接收控制器9-3发出的起飞信号，控制器9-3同时发出蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1向螺旋桨4供电的信号，螺旋桨4启动，太阳能无人机起飞；太阳能无人机起飞后，太阳能电池组机翼2转换的电能直接供给螺旋桨4或供给蓄电池9-2充电；
2)太阳能无人机起飞到达预定高度后，控制器9-3根据太阳能无人机的机身自重、顺风参数、逆风参数，上升气流参数和下降气流参数，发出蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1向拉升组件供电的信号，调整机身受力平衡，太阳能无人机作空中悬停、匀速飞行、减速飞行或加速飞行；
3)太阳能无人机转向时，控制器9-3发出蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1向转向组件供电的信号，太阳能无人机向左或向右转向前进；
4)太阳能无人机降落时，控制器9-3发出蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1向转向组件供电的信号，太阳能无人机前往降落方向，控制器9-3同时发出向螺旋桨4减少供电的信号，直至太阳能无人机着陆后停止供电。
可选实施例中，具体地，
1)起飞前
使用地面市电给蓄电池9-2充满电，太阳能无人机整机放置于平坦空旷的水平地面，调整水平转向马达3，使转向连接杆6和机身主杆7在同一条直线上；调整垂直转向马达5使螺旋桨4仰起约45°，此时，即使有阳光照射太阳能电池组机翼1，通过策略控制轻薄柔薄膜太阳能电池组机翼1开路，不给任何设备供电，如附图6所示；
2)起飞阶段
控制器9-3通过策略使蓄电池9-2给螺旋桨4供电，螺旋桨4高速旋转，在螺旋桨4的拉力带动下太阳能无人机向前滑动小段距离后开始起飞，如图附图7所示；在此阶段，如果蓄电池9-2的电量下降速度很快，而且有阳光照射太阳能电池组机翼1的情况下，则控制器9-3通过策略直接将太阳能电池组机翼1转换的电能供给螺旋桨4，或给蓄电池9-2充电。
3)飞行阶段
①当太阳能无人机飞升到预定高度时，控制器9-3通过策略，使蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1给垂直转向马达5供电，使螺旋桨4和转向连接杆6处于同一直线上，此时无人机将水平向前飞行；
②当水平飞行过程中，机身在重力的作用下下降时，控制器9-3通过策略使蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1给垂直转向马达5供电，让其顺时针转动，使螺旋桨4和转向连接杆6存在一个较小的角度A，太阳能无人机继续被拉升，此时太阳能无人机的主要受力分析如附图8所示；
此时，螺旋桨4产生的拉力为L，L在垂直和水平方向上的分力为L1、L2，由于太阳能无人机向前飞行，且存在仰角B，空气对飞行中的太阳能电池组机翼1产生的反作用力为F，F在垂直和水平方向上的分力为F1、F2，整个太阳能无人机所受的重力为G，通过控制器9-3控制提供给螺旋桨4的电能大小，并通过控制垂直转向电动马达5使角度A变化，使F1与L1的和等于重力G，则太阳能无人机不再下降；此时，如果L2与F2相等，则太阳能无人机匀速向前飞行；如果L2大于F2则太阳能无人机加速飞行，如果L2小于F2则太阳能无人机减速飞行，根据需要选择即可，当太阳能无人机在加速或减速飞行受力产生变化时，重复调整过程①和过程本过程即可。
当太阳能无人机飞到一定高度后，可以根据风力、气流的参数调整机身的受力情况，当机身在水平方向上合力为零，同时机身在垂直方向上的受力为0时，太阳能无人机如风筝一样，可悬停空中，或匀速飞行。
4)转向
当太阳能无人机需要转向时，控制器9-3通过策略使蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1为水平转向马达3供电，使其顺时针或逆时针转动，并带动转向连接杆6和螺旋桨4向左或向右转动，进而使太阳能无人机进行向左或向右前进。
5)降落
当太阳能无人机需要降落时，控制器9-3通过策略使蓄电池9-2或太阳能电池组机翼1为水平转向马达3供电，使其顺时针或逆时针转动，并带动转向连接杆6和螺旋桨4向左或向右转动，进而使太阳能无人机进行向左或向右前往降落方向进，控制器9-3通过策略减少供给给电动螺旋桨4的电能，使整机整体收到的合力垂直指向地面，并且大小适当，直至太阳能无人机着陆后停止供电。
6)异常工况
当遇到风力较大的天气，风力对太阳能无人机产生的合力超出太阳能无人机的控制范围时，不做飞行任务；当遇到阴雨天气，太阳能电池组机翼1产生的电能不足以控制和维持飞行时，不做飞行任务。
可选实施例中，
a)当飞行过程中遇到顺风时，整个太阳能无人机按照工况①水平向前加速飞行；
b)当遇到工况②时，太阳能无人机主要受力分析如附图9所示，整个太阳能无人机受到的风力在垂直和水平方向上的分力分别为S1，S2；通过控制器9-3控制提供给螺旋桨4的电能大小，并通过控制垂直转向电动马达5调整角度A，使F1与L1的和等于重力G与S1的和，则太阳能无人机不再下降；此时如果L2和S2的和与F2相等，则太阳能无人机匀速向前飞行，如果L2与S2的和大于F2则飞机加速飞行，如果L2与S2的和小于F2则太阳能无人机减速飞行。
c)当太阳能无人机在加速或减速飞行受力产生变化时，重复调整过程①和过程④-b过程即可。
可选实施例中，
a)当飞行过程中遇到逆风时，整个太阳能无人机如果按照工况①飞行，即太阳能无人机加速向前飞行；当逆向风力比较大，螺旋桨4产生的拉力不足以克服机身由于逆风产生的空气阻力时，太阳能无人机降速向前飞行。
b)当遇到工况②时，太阳能无人机受力分析如附图10所示，整个太阳能无人机受到的风力在垂直和水平方向上的分力分别为N1，N2，通过控制器9-3控制提供给螺旋桨4的电能大小，并通过控制垂直转向电动马达5调整角度A，使F1与N1的和等于重力G，则太阳能无人机不再下降；此时如果L2与F2和N1的和相等，则太阳能无人机匀速向前飞行；如果L2大于F2和N1的和则太阳能无人机加速飞行；如果L2小于F2和N2的和，则太阳能无人机减速飞行。
c)当太阳能无人机在加速或减速飞行受力产生变化时，重复调整过程①和过程⑤-b)过程即可。
可选实施例中，
a)遇到上升气流时无人机的受力分析如附图11所示；
在②、③、④、⑤的过程中，若太阳能遇到上升气流，则气流会施加给太阳能无人机一个向上的力U，如果此时太阳能无人机不需要上升，则控制器9-3通过策略，给螺旋桨4、垂直转向马达5供电，进而调整角度B，使整个太阳能无人机在垂直方向上的受力相等即可
b)同理，当太阳能无人机收到向下气流影响时，则控制器9-3通过策略，给螺旋桨4、垂直转向马达5供电，进而调整角度B，使整个太阳能无人机在垂直方向上的受力相等即可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能无人机，包括：机身；
设置于所述机身上的太阳能电池组机翼(1)、设备箱(9)和起落架(8)；
设置于所述机身尾部的尾翼(10)；
设置于所述机身前部的拉升组件和转向组件，所述拉升组件和转向组件仅具有一个螺旋桨(4)。
2.根据权利要求1所述的太阳能无人机，其特征在于，所述机身包括机身主杆(7)，所述机身主杆(7)上安装有机翼边框(2)。
3.根据权利要求2所述的太阳能无人机，其特征在于，所述太阳能电池组机翼(1)采用柔性薄膜太阳能芯片组件制作，其外形尺寸与所述机翼边框(2)匹配，并通过所述机翼边框(2)安装于所述机身主杆(7)上，所述太阳能电池组机翼(1)与所述机翼边框(2)位于同一平面内。
4.根据权利要求2所述的太阳能无人机，其特征在于，所述机身主杆(7)前端与转向连接杆(6)一端转动连接，并安装有水平转向马达(3)，驱动所述无人机在水平方向转向；所述转向连接杆(6)另一端转动连接所述螺旋桨(4)，并安装有垂直转向马达(5)，驱动所述无人机在垂直方向转向；所述转向组件主要由水平转向马达(3)和所述螺旋桨(4)组成，所述拉升组件主要由所述垂直转向马达(5)和所述螺旋桨(4)组成。
5.根据权利要求4所述的太阳能无人机，其特征在于，所述设备箱(9)包括定位-遥控-通讯设备(9-1)，蓄电池(9-2)，控制器(9-3)和探测-航拍-传感器设备(9-4)。
6.根据权利要求5所述的太阳能无人机，其特征在于，所述太阳能电池组机翼(1)的电能输出端与所述控制器(9-3)电能输入端连接；所述控制器(9-3)的电能输出分别与所述蓄电池(9-2)的充电端、所述螺旋桨(4)的供电输入端、所述水平转向马达(3)的供电输入端、所述垂直转向马达(5)的供电输入端和探测-航拍-传感器设备(9-4)的供电输入端连接。
7.根据权利要求5所述的太阳能无人机，其特征在于，所述定位-遥控-通讯设备(9-1)的信号输出端、所述太阳能电池组机翼(1)的信号输出端和所述蓄电池(9-2)的信号输出端分别与所述控制器(9-3)的信号输入端连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的太阳能无人机的飞行控制方法，所述飞行控制方法包括以下步骤：
1)置于空旷水平地面的太阳能无人机接收控制器(9-3)发出的起飞信号，所述控制器(9-3)同时发出蓄电池(9-2)或太阳能电池组机翼(1)向所述螺旋桨(4)供电的信号，所述螺旋桨(4)启动，所述太阳能无人机起飞；
2)所述太阳能无人机起飞到达预定高度后，所述控制器(9-3)根据所述太阳能无人机的机身自重和风力、气流参数，发出所述蓄电池(9-2)或太阳能电池组机翼(1)向所述拉升组件供电的信号，调整机身受力平衡，所述太阳能无人机平稳向前飞行；
3)所述太阳能无人机转向时，所述控制器(9-3)发出所述蓄电池(9-2)或所述太阳能电池组机翼(1)向所述转向组件供电的信号，所述太阳能无人机向左或向右转向前进；
4)所述太阳能无人机降落时，所述控制器(9-3)发出所述蓄电池(9-2)或所述太阳能电池组机翼(1)向所述转向组件供电的信号，所述太阳能无人机前往降落方向，所述控制器(9-3)同时发出向所述螺旋桨(4)减少供电的信号，直至所述太阳能无人机着陆后停止供电。
9.根据权利要求8所述的飞行控制方法，其特征在于，所述太阳能无人机起飞后，所述太阳能电池组机翼(2)转换的电能直接供给所述螺旋桨(4)或供给所述蓄电池(9-2)充电。
10.根据权利要求8所述的飞行控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述太阳能无人机的所述控制器(9-3)根据顺风参数、逆风参数，上升气流参数和下降气流参数，控制所述太阳能无人机作空中悬停、匀速飞行、减速飞行或加速飞行。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110749910A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-04 | 江苏农林职业技术学院 | 基于太阳能的无人机定位装置及其控制方法 |
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2018
- 2018-11-28 CN CN201811433857.7A patent/CN109969380A/zh active Pending
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