CN110001973B - 轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，其主要涉及无人机设备技术领域，用于总重60~70kg级别的固定翼无人机。所述方法包括将混合动力推进分为四种不同的工作模式，分别为：最速、标准（最效）、节能、静音，均可以实现起飞、爬升、平飞、降落等飞行动作。混动输出分配通过学习型算法实现，并可以完成对发动机与电动机输出特性的修正。混合动力推进系统主要包含混推控制器、动力电池、主、辅驱动电机及发动机系统。本发明实现了60~70kg级混动无人机在不同的任务平面以不同的功率模式的正常飞行，合理分配混合动力输出，该系统还具有响应迅捷、高效低能耗及支持静音飞行等特点。

Description

轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法

技术领域

本发明涉及无人机设备技术领域，具体是一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，适用于整机质量60-70kg固定翼无人机。

背景技术

随着无人机推进技术的深入研究，不同的无人机推进形式得到了应用研究。纯电动无人机响应迅捷但续航时间短；纯内燃机驱动的无人机续航能力强但存在噪音大、高空效率低、响应速度慢及排放等问题，根据国家绿色航空电推进系统的发展思路，混合动力推进系统成为目前无人机动力系统最具实践性的可选方案。

国内外，混合动力推进技术已经在40kg以下的固定翼无人机上成功应用，但在载重量更高的60～70kg质量级上的无人机多为油动直驱，该重量下的混合动力推进系统的研究较少。油动直驱无人机巡航飞行时噪声较大，无法适用于某些要求静音巡航的任务情况，且油门响应较慢，因此无人机无法实现较高的操纵灵活度。采用混合动力推进将弥补发动机低转速时功率输出低且响应迟缓，电动机最大输出功率较低等缺陷，提高动力输出上限的同时提高驱动系统的灵活程度。

通常编写的混合动力推进系统的控制程序需要大量的发动机与电动机的数据，设计过程复杂。采用学习型算法实现发动机与电动机的动力分配，可以使无人机的混合动力推进系统拥有更强的针对性、适应性，可以实现飞行性能的最优化，并提高燃料的使用效率。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，应用于60-70kg质量级的固定翼的无人机，可以弥补纯油动固定翼无人机低转速时输出功率低、响应迟缓，纯电动固定翼无人机的最大输出功率低等缺陷，利用该混合动力推进系统满足不同飞行任务平面内的多种飞行动作的功率需求，且具有高效节能、静音巡航的特点。

本发明提供的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法如下：

混合动力推进方法采用的主要控制方式为负反馈控制，通过传感器得到的实际空速与期望空速求得偏差，通过混推控制器中的PID控制器调节发动机与电动机的输出功率。发动机输出功率的调节方式为改变节气门的开度(通过混推控制器输出信号控制舵机实现)；电动机输出功率的调节方式为改变电动机电枢的有效输入电压(通过混推控制器输出信号控制电子调速器实现)。

该混合动力推进方法具有四种不同的功率模式对应不同的工作需求，分别为：最速、标准(最效)、节能、静音，均可对应完成四种不同的飞行动作包含：起飞、爬升、平飞、降落。其中标准模式与节能模式利用学习型算法进行分类。具体过程即无人机首次飞行采用由发动机电动机数据求得的分配结果，之后的无人机在不同的发动机与电动机功率分配下完成既定动作的同时记录由传感器测得的该动作消耗的电能消耗、燃油消耗以及动作完成时间，采用聚类算法将不同的功率分配分为最速、不最速两部分，以及节能、不节能两部分，对首飞时的分配结果进行修正，节能分组的功率分配取值用于节能模式，再次采用聚类算法取得距离最速与节能尽可能近的功率分配点为最效取值应用于标准(最效)模式。

最速模式下，发动机与电动机的功率调节均不受限制，即当偏差出现时系统可以实现最大状态的响应(发动机节气门全开、电动机电枢的有效输入电压最大)。该模式下的无人机可以以最快的速度到达目标执行任务。

标准(最速)模式下，发动机与电动机的功率调节控制在由学习型算法修正的最效功率分配点范围内，即当偏差出现时系统在输出限制的范围内响应。该模式下的无人机可以在尽可能短的时间内在尽可能低的电能消耗与燃油消耗下抵达目标位置。

节能模式下，发动机与电动机的功率调节控制在由学习型算法修正的节能功率分配点范围内，即当偏差出现时系统在输出限制的范围内响应。该模式下的无人机可以在尽可能低的电能消耗与燃油消耗下抵达目标位置。

静音模式下，发动机只在起飞过程中启动或全程不启动，只通过电动机的动力输出完成静音飞行，在尽可能隐蔽的状态下接近目标。

该混合动力推进控制方法不同的工作模式均对应四种不同的飞行动作包含：起飞、爬升、平飞、降落。总体过程为：

无人机首先由控制信号接受模块接受来自外界的控制信号，整个系统开始供电，首先飞控与混推控制器芯片上电并进行初始化，初始化芯片时钟并打开中断，初始化无误后启动系统自检。

系统开始自检，混推控制器发出信号控制舵机进行初始转角的转动，然后控制电源模块开始对电动机进行供电并驱动ISG启动发动机，使电动机与发动机均保持一定的功率运行一段时间，飞控接收到来自转速传感器的转速反馈，确定电动机与发动机的正常运行，同时实时接收来自各个传感器的反馈信号确定各个传感器工作正常，此时完成系统的自检，此时系统随时可以进入正常的工作状态。

首次飞行混推控制器采用由发动机与电动机初始参数求得的功率分配结果运行，之后的飞行动作通过学习型算法对该分配结果进行不断的修正以适用于该无人机的实际运行工况。

起飞方式为滑行起飞，起飞阶段飞控将当前速度与60-70kg无人机该机型的最小起飞速度比较，求得偏差，通过偏差采用混推控制器中的PID控制器通过控制电动机的有效输入电压与控制舵机转角调整发动机的节气门开度从而控制发动机的动力输出，驱动无人机逐渐提速，达到起飞所需速度，完成正常起飞。

爬升阶段，等速爬升即飞行器控制器根据空速传感器得到当前空速，设定当前空速为期望爬升速度，此时飞控开始控制调整升降舵的角度，开始爬升，此时电动机的输出拉力与发动机的输出推力需要克服重力做功，因此速度会下降，从而产生相对于期望速度的偏差，过偏差采用混推控制器中的PID控制器通过控制电动机的有效输入电压与控制舵机转角调整发动机的节气门开度从而控制发动机的动力输出，逐渐减小偏差值，完成等速爬升；

爬升阶段，加速爬升主要控制方法为开环控制，发动机与电动机达到尽可能大的输出。

平飞阶段，最速模式下发动机与电动机均达到最大的输出功率，标准模式与节能模式发动机均控制在最经济转速，此时停止发动机系统的负反馈控制仅通过电动机对外界扰动做出响应，静音模式下发动机不工作，仅由电动机静音驱动。

降落阶段，混推控制器首先控制离合器断开发动机与旋翼的连接，主驱动电机与辅助驱动电机逐渐减小动力输出，无人机空速降低，升力减小，飞机逐渐下降直至顺利降落。

另一方面，本发明实施例还提供了一种应用与60-70kg固定翼无人机的混合动力推进系统，所述系统包含的子模块有：

控制信号输入模块、飞控模块、混推控制器模块、混合动力输出模块、电源模块。

所述控制信号输入模块包含机载数据终端、天线，可以接受来自外界的控制信号并将其解码传递给飞行器控制模块；

所述飞控模块包含多种传感器可以判断无人机当前姿态，并处理输入信号，输出控制信号，控制混合动力输出模块动力分配，输出适当的功率实现无人机在不同的任务平面实现多种飞行动作包含起飞、平飞、爬升、降落动作等。

混推控制器模块的主要功能是通过分析不同工况下的飞行状态数据确定混合动力输出的分配，并控制电动机系统与发动机系统达到期望功率的输出。

所述混合动力输出模块为沿无人机对称轴线布置的驱动电机和发动机系统，其中驱动电机包括一台位于无人机前进方向机身前部轴线中央的主驱动电机以及若干相对于无人机轴线左右对称分布的辅助驱动电机，每个驱动电机均连接有位于无人机前进方向机身前部的螺旋桨；所述的发动机系统连接有位于无人机前进方向机身后部的螺旋桨。

电源模块包含稳压滤波电路，用于为系统各个模块供电。

混合动力推进系统一种具体结构如下：

机载数据终端、天线、飞控、混推控制器、动力电池、主驱动电机、左右对称布置的辅助驱动电机、电子调速器、发动机系统以及舵机，与电机与发动机连接的不同尺寸规格的螺旋桨。

机载数据终端包含遥控接收机、发射机以及用于连接接收机和发射机到系统其余部分的调制解调器。

飞控包含加速度计与陀螺仪，可以用于确定无人机在飞行过程中的姿态角度和旋转速率，并保持无人机的稳定。同时飞控与混推控制器可以处理来自遥控器的输入信号，经过计算处理后向各个模块发出控制信息，从而控制无人机完成目标动作。

混推控制器的主要功能是通过分析不同工况下的飞行状态数据确定混合动力输出的分配，并控制电动机系统与发动机系统达到期望功率的输出。具体工作过程为：接收来自飞控对不同工况点飞行状态的运算结果数据，利用学习型算法对其进行分类，并对其进行工作模式分类，后面再根据来自飞控的新的工况点状态数据进行迭代，完成对工况划分范围的修正，在接收到来自飞控的飞行模式选择信号时选择对应的混合动力分配控制发动机与电动机系统输出。

主驱动电机与辅助驱动电机的输出功率由混推控制器输出不同占空比的PWM信号通过电子调速器控制；发动机的输出功率由混推控制器输出不同占空比的PWM信号通过舵机实现不同的节气门开度控制。

动力电池可以直接为主驱动电机、四台辅助驱动电机以及ISG供电，而且可以存储来自发动机带动ISG发电的电能。

与旋翼相连的主驱动电机与发动机系统沿无人机对称轴线布置，主驱动电机位于无人机前进方向的机身前部提供拉力、发动机系统位于无人机前进方向的机身后部提供推力。

主驱动电机与辅助驱动电机均为无刷电机，辅助驱动电机相对于无人机轴线左右对称。

电子调速器提供无刷电机工作的交流电以及根据控制信号调整驱动电压的输出大小。

发动机系统包含离合器、ISG以及燃油发动机，通过离合器的通断可以驱动螺旋桨以及ISG做发电机通过发动机带动为动力电池充电、ISG可做启动电机或辅助电机。

由舵机接受来自混推控制器的控制信号，实现发动机节气门开度的调整，从而实时控制发动机的输出功率。

本发明有益效果在于：

1、应用于60-70kg质量级的固定翼的无人机，可以弥补纯油动固定翼无人机低转速时输出功率低、响应迟缓，纯电动固定翼无人机的最大输出功率低等缺陷，利用该混合动力推进系统满足不同飞行任务平面内的多种飞行动作的功率需求，且具有高效节能、静音巡航的特点。

2、考虑到飞行器重心的设计，此混动推进结构的主辅驱动电机位于无人机前部，发动机布置于无人机后部。采用电动机前拉发动机后推式的分布有助于保证重心处于无人机气动中心之前的位置，使无人机保持静稳定状态，便于控制，更适用于长途巡航飞行。由于发动机在后部平衡重量，可以保证无人机重心不会距离气动中心过远，保证无人机的控制尽可能灵活，且拥有较好的机动性能。

3、发动机的动力输出上限更高，将发动机布置于飞行器后部可以更好的保证飞行器的高速性能，同时前拉后推式的布置可以提供更大的动力弥补前拉电动在爬升时的动力不足。发动机后推式飞行器多用于高速机。

4、机头前部与机翼的主辅驱动电机位于飞行器的前端，螺旋桨旋转时迎面气流是未经机身扰动的，动力学性能更加稳定，螺旋桨的工作环境良好，效率最高。考虑到电池的续航能力不足，这就保证了无人机在纯电动驱动模式巡航时更低的能耗，尽可能地提升无人机的纯电动巡航续航时间。

5、发动机布置于机身后部虽然螺旋桨的气动工作环境较差(迎面气流受到了机身的扰动)，但保证了发动机前部进气系统的布置拥有较大的空间，可以选择多种进气效果更好的迎风位置，同时也可用于发动机冷却系统的布置，发动机动力输出大，气动工作环境相对较差在发动机大负荷运转时也可忽略不计。

附图说明

图1是本发明第一实施例的一种无人机混合动力推进系统的初始化流程图；

图2是本发明第二实施例的一种无人机混合动力调速方法的流程图；

图3是本发明第三实施例的一种无人机混合动力起飞流程图；

图4是本发明第四实施例的一种无人机混合动力平飞流程图；

图5是本发明第五实施例的一种无人机混合动力爬升流程图；

图6是本发明第五实施例的一种无人机混合动力爬升过程中的受力图；

图7是本发明第六实施例的一种无人机混合动力着陆流程图；

图8是本发明第七实施例的一种无人机混合动力推进系统所包含的具体功率模式；

图9是本发明第七实施例的一种无人机混合动力推进系统的动力分配坐标系；

图10是本发明第七实施例的一种无人机混合动力推进系统的动力分配坐标点实例；

图11是本发明第七实施例的一种无人机混合动力推进系统的动力分配坐标系中的最速分区；

图12是本发明第七实施例的一种无人机混合动力推进系统的动力分配坐标系中的节能分区；

图13是本发明第七实施例的一种无人机混合动力推进系统的动力分配坐标系中的最效分区；

图14是本发明第八实施例的一种无人机混合动力推进系统的学习过程(训练模式)；

图15是本发明第九实施例的一种无人机混合动力推进系统的发动机功率限制的实现流程；

图16是本发明第九实施例的一种无人机混合动力推进系统的电动机功率限制的实现流程；

图17是本发明第十实施例的一种无人机混合动力推进系统在最速模式下的飞行策略；

图18是本发明第十实施例的一种无人机混合动力推进系统在标准(最效)模式下的飞行策略；

图19是本发明第十实施例的一种无人机混合动力推进系统在节能模式下的飞行策略；

图20是本发明第十实施例的一种无人机混合动力推进系统在静音模式下的飞行策略；

图21是本发明第十一实施例的一种无人机混合动力推进系统的装置组成结构图；

图22是本发明第十二实施例的一种无人机混合动力推进系统的某一种布置方式结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为详细说明本专利的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式配图予以详细说明。

流程一：

图1为无人机的混合动力推进的初始化方法的流程图，该初始化流程的执行代码存储与飞控中，在接收到外部信号后触发。

首先控制信号输入模块接受到来自外界的控制信号，飞控与混推控制器开始执行初始化程序，系统开始供电，需要说明的是最初的供电对象为除了电动机发动机系统外的传感器。飞控进行自检，具体方式为芯片的初始化。

然后飞控与混推控制器进行初始化，包含内部传感器陀螺仪加速度传感器等的自检，该过程无误后由发动机与电动机系统可以进行供电。

混推控制器首先发出控制信号控制舵机进行初始转角的自检，其目的是确定在ISG电机驱动发动机启动后舵机可以对发动机节气门开度进行正常的控制操作。

然后电动机与ISG开始供电，具体过程为：混推控制器发出初始化的PWM信号给电子调速器，电子调速器输出对应的输出电压驱动电动机在该输入电压下运行，并保持一段时间，由转速传感器反馈实时转速至飞控，以确定电动机是否处于正常工作状态。与此同时ISG电机驱动发动机开始运行，在前面舵机保持的一定转角的节气门开度下，保持运行一段时间，由转速传感器反馈实时转速至飞控，以确定发动机是否处于正常工作状态。

若电动机与发动机的运行状态正常则完成整个混合动力推进系统的初始化，该系统随时可以启动，收到起飞的控制信号后可以正常的完成起飞动作。

流程二

图2为该无人机混合动力调速方法的流程图，该方法通过控制电动机与发动机的输入完成调速，电动机的输入为来自电子调速器的有效输入电压，发动机的输入为节气门进气开度。

首先完成初始化的混合动力推进系统接收到来自外部的动作控制信号，此时电动机得到初始的有效输入电压，ISG电机启动，驱动发动机启动，发动机保持初始节气门开度运行。

此时空速传感器测得飞行器的当前空速波形，然后将波形反馈给飞控进行处理，得到当前飞行器的实际(当前)空速。

然后飞控通过输入的动作控制信号(起飞、爬升、平飞、降落)，计算期望空速(最小起飞空速、爬升空速、最小平飞空速、巡航空速)，并与实际(当前)空速求得偏差，作为混推控制器的输入，混推控制器中的PID控制器接收到输入数据后迅速响应，驱动电动机与发动机调速，具体期望速度计算方法将在下面几个实例中给出。

得到的空速偏差通过混推控制器中的P、I、D参数控制系统对偏差做出迅速准确的响应。输出PWM1信号，电子调速器接收到PWM1信号，输出对应的电压，驱动电动机加速、减速。与此同时，输出的PWM2信号控制舵机进行一定角度转角的偏转，对应节气门开度发生变化，以此改变发动机的负荷，以调整发动机的输出功率，转速等。

在该混合动力输出下得到的实际空速通过空速传感器测得并不断反馈给飞控与期望空速求得新的偏差此时混推控制器接收到来自飞控的偏差数据产生对应的新PWM1、PWM2信号控制电子调速器与舵机产生新的输出以改变电动机与发动机的输入，不断减小实际空速与理想空速的偏差，最终完成调速。

流程三：

图3为该无人机混合动力起飞过程，整个起飞过程包含地面滑跑阶段与空中爬升阶段。地面滑跑阶段即无人机从静止状态开始沿跑道开始运动滑跑至达到离地速度V_OTP，无人机腾空。空中爬升阶段即无人机从离地速度V_OTP加速到起飞安全速度V₂，同时爬升到假定障碍高度10.7m，安全速度V₂保证了下面的爬升阶段能够具有足够的稳定性和操纵性。

期望离地速度的计算：

m——无人机质量(kg)

g——重力加速度(N/kg)

c_yaOTP——离地状态的升力系数

S——机翼参考面积(m²)

ρ——空气密度(kg/m³)

通过保障完整起飞中第二阶段的标准安全爬升坡度来选择安全离地速度V₂。

对于有2-3台发动机的飞机：V₂≥1.2V_CB

对于有超过3台发动机的飞机：V₂≥1.5V_CB

V_CB——巡航构型失速速度。

飞控在起飞过程中通过上述方式计算得到期望离地速度与期望安全速度即V_OTP与V₂，并与反馈的实际空速计算得到偏差，而后混推控制器通过该偏差控制无人机完成正常的起飞动作。

流程四：

图4为该无人机混合动力平飞过程，平飞状态可以分为最小平飞速度平飞、巡航和最大平飞速度平飞三种运动状态。最小平飞速度为V_H，巡航速度为V_巡航，最大平飞速度为V_max。

最小平飞速度即保证飞行器的平飞的最小速度，从而机翼可以获得足够的升力平衡飞行器的自重，期望最小平飞速度的计算：

V₀——H＝0时的速度(km/h)

C_L——飞机升力系数

Δ——密度比

巡航速度控制是混合动力无人机控制系统的关键，当飞行器以巡航速度平飞时可以达到平飞时的最小油耗，是最经济节能的状态。期望巡航速度的计算：

W——飞行器总重(kg)

(C_L)_A——极曲线上最大升阻比点A处的升力系数。

平飞过程中的最大平飞速度可以保证无人机以最快的速度抵达目标位置，是衡量一架无人机最高性能的重要指标。期望最大平飞速度的计算：

P——推进力(N)

C_D——风阻系数

飞控在平飞过程中通过上述方式计算得到期望最小平飞速度、期望巡航速度与期望最大平飞速度即V_H、V_巡航与V_max，并与反馈的实际空速计算得到偏差，而后混推控制器通过该偏差控制无人机完成对应的平飞动作。

流程五：

图5为该无人机混合动力爬升过程，爬升状态可以分为等速爬升与加速爬升两种运动状态。竖直方向上的等速爬升速度为V_y1，竖直方向上的加速爬升速度为V_y2。

等速爬升即保持初始的平飞速度开始爬升，爬升运动过程中的受力如图6所示。

竖直方向上的期望等速爬升速度的计算：

F——推力(N)

D——平飞阻力(N)

V——爬升初速度(km/h)

q——速压(Pa)

C_D,0——零升阻力系数

ΔC_D,Re——雷诺数修正量

ΔC_D,c——外挂物阻力系数增量。

加速爬升即在爬升的过程中持续加速，通常能够保持动力的最大输出，加速爬升的过程需要尽可能高的动力输出。

竖直方向上的期望加速爬升速度的计算：

飞控在爬升过程中通过上述方式计算得到竖直方向上的期望等速爬升速度与竖直方向上的期望加速爬升速度即V_y1与V_y2，并与反馈的实际空速计算得到偏差，而后混推控制器通过该偏差控制无人机完成对应的爬升动作。

流程六：

图7为该无人机混合动力着陆过程，着陆过程可以分为下滑阶段、拉平阶段与滑跑阶段。下滑阶段即无人机保持恒定的进场速度V_3.π由400高度下降到着陆起始高度H_π＝15m；拉平阶段即无人机由15m高度继续向下滑行同时速度由进场速度V_3.π逐渐减小为着陆速度V_πoc；滑跑阶段与起飞过程的滑跑阶段相反，即从无人机接触跑道表面开始，进行制动，由着陆速度V_πoc直至无人机速度为零，无人机与跑道停稳，此时无人机着陆成功。

期望进场速度V_3.π的计算：

V_3.π≥1.3V_CB

或者

V_3.π≥V_min.3.π

V_min.3.π——最小着陆机动速度

期望着陆速度V_πoc的计算：

c_yaπoc——飞机在着陆构型的升阻比。

飞控在着陆过程中通过上述方式计算得到期望进场速度与期望着陆速度即V_3.π与V_πoc，并与反馈的实际空速计算得到偏差，而后混推控制器通过该偏差控制无人机完成正常的着陆动作。

流程七：

图8为该无人机混合动力推进系统包含的功率模式，分别为：最速模式、标准(最效)模式、节能模式和静音模式。功率模式的分类依据为不同的发动机与电动机的动力分配，如图9所示，横坐标为发动机的实际输出功率与发动机最大输出功率的比值，纵坐标为电动机的实际输出功率与电动机最大输出功率的比值，例如：该无人机混合动力推进系统处于(0.7，1)点，即指发动机实际输出占发动机最大输出功率的70％，电动机的实际输出功率为电动机的最大输出功率。考虑到不同功率模式下的不同飞行动作的特点，该混合动力推进系统的发动机与电动机输出将被限制在一定的范围内，例如：如图10所示该无人机混合动力推进系统在标准模式下的爬升过程的动力输出被限制在(0.6，0.7)，即指在标准模式下该无人机在爬升过程中的发动机最大功率被限制在最大输出功率的60％，电动机的最大功率被限制在最大输出功率的70％，电动机与发动机在限制下的工作范围为红色区域。

根据发动机与电动机的参数初步确定发动机与电动机的动力性能与能量消耗，并将图中的输出限制点分为不同的部分，针对该无人机混合动力推进系统的动力性能，将所有的限制范围点取中间值划线，例如将区域分成最速与不最速两个部分如图11，主要适用于最速模式；针对该无人机混合动力推进系统的燃油以及电能消耗，将所有的限制范围点取中间值划线，例如将区域分成节能与不节能两个部分如图12，主要适用于节能模式；结合最速与不最速以及节能与不节能的初始分类取节能部分与最速部分的重合区域作为最效区域，例如图13，此区域动力性能良好并拥有较好的经济性能，主要适用于标准(最效)模式。

流程八：

上述范围的划分仅依据现有的发动机与电动机数据，本无人机混合动力推进系统利用学习型算法，对飞行中通过传感器反馈的实际数据进行记录，并利用聚类算法进行分类，同时对上述划分范围进行修正，通过更多次的飞行实现更加精确的发动机与电动机的输出调控。

如图14所示，该无人机混合动力推进系统的学习过程(训练模式)即在学习过程中首先该工作状态在功率分配取值图中的X、Y取值(电动机与发动机的工作范围)，此时混推控制器开始按照前面的启动流程逐步完成初始化，并开始驱动发动机与电动机，在该工作范围内工作，同时该混合动力推进系统中包含的传感器收集飞行数据并反馈给混推控制器，分别是加速度传感器测得的加速度数据、油量计测得的余油量数据、计时器测得的时间数据、电量计测得的剩余电量数据、空速传感器测得的实际空速数据，混推控制器将数据进行一定的计算得到该工况下的单位时间油量消耗，电量消耗，加速度的大小。重复上述过程，得到一定数量不同工况下的数据后通过聚类算法对所有的工况点进行分类，同时对初始的混合动力划分范围进行修正。

流程九:

发动机功率限制的具体实现方式是限制发动机的最大节气门开度，如图15所示，在该无人机混合动力推进系统一定的功率模式下完成不同的飞行动作时，混推控制器中的PID控制器根据期望空速与实际空速的偏差输出一定的PWM信号控制舵机旋转一定的角度以调整发动机的节气门开度同时发动机的输出发生变化，无人机的空速也开始变化并逐渐接近期望空速，而输出的PWM信号经过混推控制器判断其占空比是否大于前面的混合动力输出图中对应限制点的横坐标X的数值，如果大于该数值，则混推控制器输出对应限制点的横坐标大小的占空比控制舵机转角，调整发动机的节气门开度；若该PWM信号的占空比小于对应限制点的横坐标X的数值，则生成原占空比的PWM信号控制舵机旋转一定的角度，调整发动机的节气门开度。完成对发动机功率输出的限制。

电动机功率限制的具体实现方式时限制电动机的最大有效供电电压，如图16所示，在该无人机混合动力推进系统一定的功率模式下完成不同的飞行动作时，混推控制器中的PID控制器根据期望空速与实际空速的偏差输出一定的PWM信号控制电子调速器输出一定大小的供电电压，在不同供电电压的工况下电动机的输出发生变化，无人机的空速也开始变化并逐渐接近期望空速，而输出的PWM信号经过混推控制器判断其占空比是否大于前面的混合动力输出图中对应限制点的纵坐标Y的数值，如果大于该数值，则混推控制器输出对应限制点的纵坐标大小的占空比控制电子调速器输出不同的电压驱动电动机；若该PWM信号的占空比小于对应限制点的纵坐标Y的数值，则生成原占空比的PWM信号控制电子调速器输出一定的电压驱动电动机。完成电动机功率输出的限制。

流程十：

图17为该混合动力推进系统的最速模式下的飞行策略，起飞、爬升、平飞与降落动作过程均不设置输出限制，不考虑能量的消耗，在混推控制器的控制下发动机与电动机均可以实现最大状态的响应，以最大的动力输出执行不同的飞行动作，此时的爬升、平飞速度达到最大，可以在最短的时间完成目标动作，即最速模式。

图18为该混合动力推进系统的标准(最效)模式下的飞行策略，起飞、爬升动作过程控制在最效的输出范围内，此时的能量消耗较低且可以在较快的速度下飞行，平飞状态发动机限制在经济转速2000～3500r/min，电动机尽可能的保持在60～80％的动力输出状态，巡航过程中仅由电动机对扰动完成响应，保持无人机在空中的稳定，降落过程关闭发动机，仅有电动机响应，完成无人机的拉平备降，电动机的响应范围为最效区间的纵坐标范围。此时的爬升、平飞速度较大，可以在较短的时间完成目标动作，同时混合动力系统综合能量消耗较低，实现高效飞行的目标。

图19为该混合动力推进系统的节能模式下的飞行策略，起飞、爬升动作过程控制在最节能的输出范围内，此时的能量消耗最低，平飞状态发动机限制在经济转速2000～3500r/min，电动机尽可能的保持在60～80％的动力输出状态，巡航过程中仅由电动机对扰动完成响应，保持无人机在空中的稳定，降落过程关闭发动机，仅有电动机响应，完成无人机的拉平备降，电动机的响应范围为节能区间的纵坐标范围。此时的爬升、平飞混合动力系统综合能量消耗最低，可以在无人机油量电量较低时实现节能飞行，以最低能耗实现无人机正常抵达目标地点。

图20为该混合动力推进系统的静音模式下的飞行策略，起飞、爬升、平飞与降落动作过程均采用电动机驱动，不考虑能量的消耗，在混推控制器的控制下电动机可以实现最大状态的响应，以最大的电动机动力输出执行不同的飞行动作，此时只有电动机工作的情况下噪声较小，即实现静音飞行的目标。

流程十一：

图21为该混合动力推进系统的装置组成。包含:机载数据终端、天线、飞控、混推控制器、动力电池、主驱动电机、左右对称布置的辅助驱动电机、电子调速器、发动机系统以及舵机，与电机与发动机连接的不同尺寸规格的螺旋桨。

遥控器可以控制无人机的一些基本控制动作，包含：油门、滚转、俯仰与偏航，分别对应接收器的四个通道，接收器接收到来自四个通道的信号并以PWM信号的形式输出并将该四个通道的PWM输出信号与PPM编码器相连，通过PPM编码器实现PWM信号转PPM信号，此时只需利用一根线与飞控相连即可实现四个通道信号的输入。

飞控通常包含加速度计与陀螺仪，可以用于确定无人机在飞行过程中的姿态角度和旋转速率，并保持无人机的稳定。同时飞控和混推控制器可以处理来自遥控器的输入信号，经过计算处理后向各个模块发出控制信息，从而控制无人机完成目标动作。

混推控制器的主要功能是通过分析不同工况下的飞行状态数据确定混合动力输出的分配，并控制电动机系统与发动机系统达到期望功率的输出。具体工作过程为：接收来自飞控对不同工况点飞行状态的运算结果数据，利用学习型算法对其进行分类，并对其进行工作模式分类，后面再根据来自飞控的新的工况点状态数据进行迭代，完成对工况划分范围的修正，在接收到来自飞控的飞行模式选择信号时选择对应的混合动力分配控制发动机与电动机系统输出。

混合动力输出系统包含电动机与发动机，飞控与混推控制器处理来自遥控器的控制信号并判断动力输出模式，最后输出一定的控制信号分别控制发动机与电动机的功率分配(通过PWM信号输出控制舵机调整发动机节气门开度与通过电子调速器改变无刷电机的有效输入电压)。

电源模块中的电池通过稳压电路完成对飞控、混推控制器与电子调速器的供电。

流程十二：

图22为该混合动力无人机的某一种配置情况，驱动电机为多台，分为主驱动电机与辅助驱动电机。与螺旋桨相连的主驱动电机与发动机系统沿无人机对称轴线布置，主驱动电机位于无人机前进方向的机身前部与朝向无人机运动方向的前向的螺旋桨相连提供拉力、发动机系统位于无人机前进方向的机身后部与朝向无人机运动方向的后向的螺旋桨相连提供推力。多台辅助驱动电机相对于无人机轴线左右对称并与朝向无人机运动方向的前向的螺旋桨相连提供拉力。发动机系统沿无人机对称轴线布置于无人机前进方向的机身后部由朝向无人机运动方向的后向的螺旋桨提供推力，驱动电机布置与固定翼上，并关于无人机对称轴线对称布置，螺旋桨朝向无人机运动方向的前向提供拉力。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于，采用如下轻型固定翼无人机的混合动力推进系统，包括混合动力输出模块，具体为沿无人机对称轴线布置的驱动电机和发动机系统，其中驱动电机包括一台位于无人机前进方向机身前部轴线中央的主驱动电机以及若干相对于无人机轴线左右对称分布的辅助驱动电机，每个驱动电机均连接有位于无人机前进方向机身前部的螺旋桨；所述的发动机系统连接有位于无人机前进方向机身后部的螺旋桨；

控制方法包括以下步骤：

1）飞控模块通过其传感器判断无人机当前姿态，处理输入信号，并将结果信号传递至混推控制器；

2）混推控制器接收无人机飞控系统的动力需求，根据选定的工作模式，调节发动机与电动机系统的功率输出；工作模式包括最速、最效、节能和静音四种，其中，最速模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，不限制电动机与发动机的输出；最效模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，限制电动机与发动机的输出，以达到各自或者该混动系统整体的较高效率；节能模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，限制电动机与发动机的输出，以达到各自或者该混动系统整体的较高经济性；静音模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，起飞、爬升、平飞、降落均可由电动机独立完成；

其中，混合推进系统具体的功率输出分配通过学习型算法实现，学习型算法如下，

1）将发动机输出上限与电动机输出上限作为两个变量限值，无人机的学习过程即在两个变量取不同值时完成同一动作的飞行，并记录过程中的电量消耗、燃油消耗以及时间；

2）通过设定不同的发动机输出上限与电动机输出上限两个变量限值，得到不同的电量消耗与燃油消耗，并利用聚类算法将所有的点分为节能与不节能两个分组；

3）通过发动机输出上限与电动机输出上限两个变量取不同的值，得到不同的动作完成时间，并利用聚类算法将所有的点分为最速与不最速两个分组；

4）将电量消耗、燃油消耗与动作完成时间作为三个变量，并利用分类算法将所有的点分为最效与不最效两个分组。

2.根据权利要求1所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于：无人机不同模式下的电动机与发动机的输出限值均基于无人机的学习结果的分组。

3.根据权利要求1所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于：步骤1）中，所述的无人机当前姿态包含起飞、爬升、平飞、降落四种，起飞阶段驱动电机以及发动机同时运转以保证足够的起飞速度，此时机翼可以提供足够的升力，同时来自发动机的大推力可以支持无人机完成起飞后的迅速爬升；无人机做平飞动作以巡航速度飞行时，发动机保持在经济转速并中断负反馈控制，由电动机独立在扰动下通过负反馈控制、响应以保持巡航速度，并无输出限制；降落阶段混推控制器首先控制发动机通过离合器与旋翼断开，主驱动电机与辅助驱动电机逐渐减小动力输出，无人机空速降低，升力减小，飞机逐渐下降直至顺利降落；最效模式与节能模式下的平飞速度均为飞行器的巡航速度，发动机系统配合驱动电机实现飞行器的最低功耗巡航飞行；平飞阶段发动机停止运行时、驱动电机全部运转时提供的推力即可满足无人机的正常平飞，可以实现平飞状态下的静音。