CN110481768A - 四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，包括机身、旋翼、太阳能电池板、储能电池和倾转机构，所述的机身采用翼形结构，机身上表面和侧面覆盖太阳能电池板，为机身内的储能电池充电；四个独立的旋翼分别通过倾转机构安装在翼形机身的根弦和梢弦外侧靠近前缘和靠近后缘处。本发明结合现有的四轴旋翼倾转旋翼无人机技术和太阳能动力技术，兼具固定翼飞机和旋翼飞机的特点，具有垂直起降、空中悬停，快速巡航飞行、长航时、无污染等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能无人机，属于航空航天技术领域。
背景技术
倾转旋翼飞机是一种性能独特的无人机，它既具有普通直升机那样的垂直起降和空中悬停能力，又能像螺旋桨飞机那样巡航飞行，拥有比普通直升机快的巡航飞行速度(500公里/小时以上)、大的航程和机动性。这种无人机是集直升机与固定翼飞机的特征于一身的高性能飞机。目前许多研究人员都认为这是一种最具发展前景、最有应用价值的飞机之一。倾转旋翼机按照旋翼的数目可以分为两类：双旋翼倾转旋翼机(典型代表为美国的v-22)和四旋翼倾转旋翼机(典型代表为美国在研的QTR和Bell-626)。由于四旋翼飞行器具有体积小、重量轻的飞行优势，所以在军民两用方面有十分广阔的应用前景。军事上主要用于敌情侦察及监视、战场破坏评估、当作反辐射和微型攻击武器、诱饵等。民用上主要用于航拍、测绘、森林防火、喷洒农药等。由于它表现出的优良飞行性能，国内外都出现了研究热潮。第一架四旋翼飞行器是由美国Lutronix与Auburn大学在DARPA(即国防先进研究计划署)的资助下合作研制成功的，可以实现垂直起飞和降落，利用叶片在下洗流中的运动进行俯仰、横滚和偏航控制；日本东京大学利用MEMS技术研制出依靠磁力矩驱动的旋翼装置；其中最具代表性的是德国研究人员成功实现了载人四旋翼飞机的试飞。
高空超长航时无人机的发展在世界范围内得到空前的重视，为满足持久监视的迫切需求，多国提出了多种型式的无人机，其中能源和动力极为关键，并且是无人机续航能力发展的瓶颈。太阳能是无人机未来一种有效的能源解决方案，随着太阳能动力涉及的能量收集、高密度能量存储、高效推进系统及能量系统稳定性等关键技术的发展，太阳能无人机成为高空超长航时无人机的一个重要发展方向。太阳能无人机系统白天以太阳电池阵列获取电能，驱动无人机推进系统、航电系统和任务载荷，执行军用或民用任务，并将多余能量储存在蓄电池中；夜晚无太阳照射阶段基于能源控制策略，依靠蓄电池能量进行巡航并执行任务。太阳能无人机留空时间长，可进行长达数天甚至于数月、数年不间断飞行，作业覆盖区域广；可重复使用，可根据需要随时降落进行维修或更换有效载荷；作业使用灵活，既可在指定区域长时间盘旋飞行作业，也可根据需要改变飞行航线以调整作业区域或远程自主航线作业；生存能力较强，高空太阳能无人机的飞行高度超过一般战斗机和一般地面防空导弹的攻击范围，不易受到攻击。高空太阳能无人机因其突出的优势而应用前景十分广阔。在民用领域，可进行临近空间大气研究、天气预报、环境及灾害监测、交通管制监测、互联网服务和电视服务等；在军用领域，可用于国界巡逻、战区侦察监视、通信中继、电子对抗等。不管是在军用领域还是在民用领域，临近空间太阳能无人机都有广阔的应用前景。
但是，目前在研的太阳能无人机均为固定翼式，不能实现垂直起降和空中悬停，而目前四轴旋翼倾转旋翼飞机又普遍采用燃油发动机，无法实现长航时飞行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，结合现有的四轴旋翼倾转旋翼无人机技术和太阳能动力技术，兼具固定翼飞机和旋翼飞机的特点，具有垂直起降、空中悬停，快速巡航飞行、长航时、无污染等特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，包括机身、旋翼、太阳能电池板、储能电池和倾转机构。
所述的机身采用翼形结构，机身上表面和侧面覆盖太阳能电池板，为机身内的储能电池充电；四个独立的旋翼分别通过倾转机构安装在翼形机身的根弦和梢弦外侧靠近前缘和靠近后缘处。
所述的机身任意垂直于前缘的剖面形状均满足翼型结构要求，能够产生向上的举力。
所述的机身下表面安装有支撑架。
所述的机身采用框架结构，框架采用碳纤维制作。
所述的旋翼由直流电机带动。
本发明的有益效果是：
(1)长续航。采用太阳能作为能源，可以在飞行过程中补充能源；采用直流电机驱动旋翼，能源转化效率远高于燃油发动机。理论上如果太阳能电池板转化效率足够高，储能电池单位重量容量足够大，结构重量合理的情况下，可实现不间断飞行。
(2)垂直起降和悬停。目前的太阳能无人机均为固定翼式，无法实现垂直起降和空中悬停，使用环境限制较多，采用旋翼形式可轻易的实现垂直起降和空中悬停功能。
附图说明
图1是本发明的原理示意图。
图2是太阳能系统工作原理图。
图中，1-翼形机身，2-旋翼组合，3-太阳能电池板，4-储能电池，5-能源管理装置，6-自动飞行控制系统，7-支撑架，8-倾转机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机结合四轴旋翼倾转旋翼无人机技术和太阳能动力无人机的特点，主要由翼形机身、旋翼组合、太阳能电池板、储能电池、能源管理装置、自动飞行控制系统、支撑架和倾转机构等组成，结构见图1，太阳能能源系统工作原理见图2。
翼形机身采用框架结构，框架采用碳纤维制作，降低结构重量。表面蒙皮，外形类似平直机翼，具有一定的流线，截面为不对称双弧形，前缘圆滑，翼型机身可以在无人机飞行过程中产生一定的升力，降低能源消耗。旋翼组合分布在无人机的四角，与倾转机构连接，由旋翼和直流电机组成，通过直流电机的旋转带动旋翼转动，提供飞行动力。太阳能电池板铺设在翼形机身的上表面和侧面，吸收太阳辐射能量转化为电能。储能电池安装在翼形机身内，用于储存和输出电能，当太阳能电池电池板转化的电能大于维持无人机飞行状态所消耗的电能时，富余的电能便储存在储能电池中；当太阳能电池板转化的电能不足以维持无人机飞行状态时，储能电池可输出电能，实现无人机的稳定飞行。储能电池还可以在地面充电，在飞行前充满电，可以有效的增加续航时间。能源管理装置主要用于合理进行储能电池的充放电，提高能源使用效率，增加续航时间。自动飞行控制系统是无人机的核心部分，通过控制旋翼转速和倾转机构的转动角度来实现自身稳定和任务功能，和能源管理装置一起安装在翼形机身内部。支撑架用于无人机地面停放支撑，采用类似飞机起落架的工作形式，起飞后收进翼形机身内。倾转机构用于在一定范围内调整旋翼的角度，从而实现无人机的各向飞行。
自动飞行控制系统和能源管理系统工作模式如下：
首先在地面充电，将电池充满，起飞时能源管理系统以大功率输出，旋翼转速提高，以提升推力，自动飞行控制系统调整调整旋翼的倾转角度和无人机自身攻角，在空气动力和旋翼产生的推力共同作用下保证无人机的快速起飞；待无人机快速爬升到一定高度时，调整能量输出和无人机攻角，使其保持缓慢爬升，同时翼形机身吸收太阳能转化为电能，给储能电池充电，自动飞行控制系统和能源管理系统协调工作，保证在光照充足的情况下，能源的输入大于输出，储能电池处于充电状态；在夜间时，通过滑翔下降，降低能源消耗。通过上述循环工作，实现无人机的长时间续航。
本发明的技术特点如下：
(1)采用翼形机身。采用翼形机身，不仅有效的增加其表面采光面积和电池容纳空间，还可以有效的改进无人机飞行气动特性，同时结合倾转旋翼系统，可以保证翼形机身始终处于较好的飞行状态，提高无人机飞行过程中的气动升力，降低无人机的能源消耗，增加其续航时间。
(2)智能化能源管理系统。智能化能源管理系统可以根据环境光照条件、飞行高度、风向等因素进行飞行状态调节，以达到增加续航时间的目的。比如在日照强烈时可以增大电机的输出功率，调整飞行姿态，保证无人机能飞行到较高的高度和较大的速度，并给储能电池充电，减少能源浪费；当夜间光照不足时，适当减小电机的输出功率，调整飞行姿态，使无人机飞行高度下降，将其势能转化飞行动能，降低储能电池的能源消耗。
本发明实施例提供的某四轴倾转旋翼太阳能无人机，其翼形机身面积为21m2，总重量180kg，其中储能电池重量100kg，配备4台单台功率3kw的直流电机。翼形机身上表面铺满太阳能电池板，最大电能产生功率为4kw，储能电池最大容量为24kwh。起飞前将电池在地面充满，起飞时间宜在上午，4台电机共同工作，使无人机以3m/s的速度垂直起飞，待飞行高度至3000m以上时，调整飞行姿态，以平飞为主，并缓慢上升，电机以35％左右的功率输出，直到飞行至5000m的高度后保持平飞，电机输出功率降至25％。在此过程中，翼形机身表面的太阳能电池板吸收太阳能给储能电池充电，在平飞段，电机消耗的能量小于太阳能电池板转化的能量，储能电池处于缓慢充电状态，直到储能电池充满并一直处于满电状态。待夜间时，降低电机输出功率至15％左右，无人机保持滑翔缓慢下降，以降低能源消耗，直至太阳光能量达到一定强度后后可继续上升，如此循环，可实现长时间续航。
Claims (5)
1.一种四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，包括机身、旋翼、太阳能电池板、储能电池和倾转机构，其特征在于：所述的机身采用翼形结构，机身上表面和侧面覆盖太阳能电池板，为机身内的储能电池充电；四个独立的旋翼分别通过倾转机构安装在翼形机身的根弦和梢弦外侧靠近前缘和靠近后缘处。
2.根据权利要求1所述的四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，其特征在于：所述的机身任意垂直于前缘的剖面形状均满足翼型结构要求，能够产生向上的举力。
3.根据权利要求1所述的四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，其特征在于：所述的机身下表面安装有支撑架。
4.根据权利要求1所述的四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，其特征在于：所述的机身采用框架结构，框架采用碳纤维制作。
5.根据权利要求1所述的四轴旋翼倾转旋翼太阳能无人机，其特征在于：所述的旋翼由直流电机带动。
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