CN111703580A - 电推进旋翼飞行器动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电推进旋翼飞行器动力系统及其控制方法,所述的飞行器动力系统包括融合储能系统、无刷直流电机调速器、无刷直流电机、安装在所述无刷直流电机上的螺旋桨、飞控计算机、飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器。本发明飞行器动力系统能够预测飞行器功率需求，以达到较好的管理储能系统的功率输出。通过该动力系统控制方法，能够以更低重量的动力系统满足飞行器实时功率需求和功率储备需求，同时，该动力系统控制方法还能延长能源系统使用寿命，使得飞行器安全性、机动性和续航能力提高。

Description

电推进旋翼飞行器动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器，特别是一种电推进旋翼飞行器动力系统及其控制方法。

背景技术

我们正处于电动发动机革命的前夜，电能替换传统的能源形式是必然的发展方向，普及电推进势必打破目前传统飞机和发动机制造的格局。电推进技术优势显著，基于电推进的自主载人飞行器是城市空中交通解决方案的技术发展方向。纯电驱动动力系统是电推进飞行器的核心技术。

随着近年来新能源领域的快速发展，对各类储能单元的研究已经趋于成熟，但各个储能单元都具有本身不可避免的缺陷。其中，锂电池具有高能量密度的优势，但比功率较低、循环寿命较短等缺陷，因此其能量释放的能力较差；超级电容具有高功率密度的优势，但比能量参数方面处于明显劣势，因此储能性能较差。

现阶段电推进系统在飞行器上应用的主要瓶颈是飞行器不同飞行状态功率需求差异大，传统的基于单一储能元件的动力系统无法同时兼顾高输出效率和快速响应飞行器快速变化的功率需求。例如，目前电推进飞行器动力系统广泛采用基于锂电池的动力系统，面对飞行器不同飞行模式功率需求的大幅变化具有响应速度慢，导致功率匹配效果差、电池寿命损耗高等缺陷。

发明内容

本发明目的是提供一种电推进旋翼飞行器动力系统及其控制方法。实现在满足对飞行器功率需求快速响应的基础上，同时实现动力系统的高效率输出。因此本发明的核心在于飞行器功率需求和储能系统功率输出的匹配。通过基于飞行器飞行模式识别的动力系统控制方法，飞行器动力系统能够预测飞行器功率需求，以达到较好的管理储能系统的功率输出的目的。

通过该动力系统控制方法，能够以更低重量的动力系统满足飞行器实时功率需求和功率储备需求，同时，该动力系统控制方法还能延长能源系统使用寿命，使得飞行器安全性、机动性和续航能力提高。

本发明的技术解决方案如下：

一种电推进旋翼飞行器动力系统，其特点在于该飞行器动力系统包括融合储能系统、无刷直流电机调速器、无刷直流电机、安装在所述无刷直流电机上的螺旋桨、飞控计算机、飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器；

所述的无刷直流电机调速器由第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器构成，所述的飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器的输出端与所述的飞控计算机相连，所述的融合储能系统包括锂电池和超级电容，所述的超级电容的输出端采用双向DC/DC交换器控制能量流向，并与所述的锂电池并联，所述的锂电池并联的电压传感器的输出端与所述的飞控计算机的输入端相连，所述的超级电容并联的电压传感器的输出端与所述的飞控计算机的输入端相连，所述的锂电池的正极分别与所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输入端的正极相连，所述的锂电池的负极分别与所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输入端的负极相连，所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输出端与所述的第一无刷直流电机、第二无刷直流电机、第三无刷直流电机、第四无刷直流电机一一对应相连，所述的飞控计算机的控制输出端分别与所述的双向DC/DC交换器、第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的控制端相连。

所述的飞行器高度传感器为超声波距离传感器或气压高度计。

上述电推进旋翼飞行器动力系统的控制方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)飞行器飞行模式识别及功率预测，包括：

①所述的飞控计算机采集所述的飞行器惯性传感器的数据并滤波，得到飞行器姿态角

θ，ψ，飞行器机体坐标系下三轴加速度a_x，a_y，a_z，飞行器机体坐标系下三轴角速度ω_x，ω_y，ω_z及角加速度p，q，r信息，采集所述的飞行器高度传感器的数据并滤波，得到飞行器距离地面高度信息h；

②基于飞行器惯性传感器数据，所述的飞行控制计算机判别飞行器的飞行速度变化模式，姿态变化模式，高度变化模式；

③所述的飞行控制计算机结合飞行器控制指令输入，依据预设权重值预测飞行器功率需求类别是低功率，瞬时高功率，还是长时高功率；

2)所述的飞行控制计算机按照飞行器功率需求类别，对锂电池和超级电容工作模式进行分级设定：锂电池的工作模式划分为预设输出功率为P1，P2，P3，P4的4个级别且P1<P2<P3<P4，超级电容的工作模式划分为断开、放电、缓慢充电、较快速充电和快速充电5个模式，用SOC表示超级电容荷电状态，定义分级超级电容荷电状态：一级SOC的上限为H1，二级SOC的上限为H2，一级SOC的下限为L1，二级SOC的下限为L2且0<L2<L1<H1<H2<100％，所述的锂电池和超级电容工作模式的判定方式如下：

若此时飞行器功率需求类别为低功耗：

判定SOC>H2，则锂电池预设输出功率设定为P1，超级电容工作模式为断开；

判定H1<SOC<H2，则锂电池预设输出功率设定为P2，超级电容工作模式为缓慢充电；

判定L1<SOC<H2，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为较快速充电；

判定SOC<L1，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为快速充电；

若此时飞行器功率需求类别为瞬时高功耗：

判断SOC>L2，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为放电；

判断SOC<L2，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为断开；

若此时飞行器功率需求类别为长时高功耗：

判断SOC>L1，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为放电；

判断SOC<L1，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为断开；

3)锂电池和超级电容输出功率设定：基于滤波算法使锂电池输出功率平滑，采用超级电容补足缺少的功率或储存过剩的功率，使得总功率输出满足飞行器功率需求的同时，锂电池输出波动较小且接近步骤2)所述的锂电池预设输出功率；

4)通过所述的双向DC\DC交换器控制所述的超级电容的功率输出，通过所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器控制能源系统的整体功率输出，驱动所述的第一无刷直流电机、第二无刷直流电机、第三无刷直流电机、第四无刷直流电机，为所述的螺旋桨提供所需动力。

本发明的技术效果如下：

1、本发明实现在满足对飞行器功率需求快速响应的基础上，同时实现动力系统的高效率输出。因此本发明的核心在于飞行器功率需求和储能系统功率输出的匹配。通过基于飞行器飞行模式识别的动力系统控制方法，飞行器动力系统能够预测飞行器功率需求，以达到较好的管理储能系统的功率输出的目的。

2、通过该动力系统控制方法，能够以更低重量的动力系统满足飞行器实时功率需求和功率储备需求，同时，该动力系统控制方法还能延长能源系统使用寿命，使得飞行器安全性、机动性和续航能力提高。

附图说明

图1是本发明动力系统的电路结构及控制信号示意图；

图2是本发明所述动力系统控制方法工作原理流程图；

图3是本发明所述飞行器模式识别方法原理流程图；

图4是本发明所述锂电池和超级电容工作模式设定方法原理流程图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

下面结合图1-4说明本具体实施方式。先请参阅图1，由图可见，本发明基于飞行模式识别的电推进旋翼飞行器动力系统，包括：融合储能系统、无刷直流电机调速器、无刷直流电机、安装在所述无刷直流电机上的螺旋桨、飞控计算机、飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器；所述的无刷直流电机调速器由第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器构成，所述的飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器的输出端与所述的飞控计算机相连，所述的融合储能系统包括锂电池和超级电容，所述的超级电容的输出端采用双向DC/DC交换器控制能量流向，并与所述的锂电池并联，所述的锂电池并联的电压传感器的输出端与所述的飞控计算机的输入端相连，所述的超级电容并联的电压传感器的输出端与所述的飞控计算机的输入端相连，所述的锂电池的正极分别与所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输入端的正极相连，所述的锂电池的负极分别与所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输入端的负极相连，所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输出端分别与所述的第一无刷直流电机、第二无刷直流电机、第三无刷直流电机、第四无刷直流电机相连，其中交流逆变器的输出端三相接头分别与无刷直流电机的三相接头相接，接头不区分特定连接顺序。调换任意两相接头的连接可改变无刷直流电机通电后旋转方向，所述的飞控计算机的控制输出端分别与所述的双向DC/DC交换器、第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的控制端相连。

所述的飞行器高度传感器为超声波距离传感器或气压高度计。

本实施方法采用如图2所示的动力系统控制方法工作原理，即：

步骤1飞行器飞行模式识别及功率预测；

步骤2锂电池和超级电容荷电状态识别；

步骤3锂电池和超级电容工作模式设定；

步骤4锂电池和超级电容输出功率设定。

步骤5通过双向DC\DC交换器控制超级电容的功率输出，通过交流逆变器控制能源系统的整体功率输出，驱动无刷直流电机，带动螺旋桨提供所需动力。

进一步的，本实施方法中，步骤1所述的飞行器飞行模式识别及功率预测通过如图3所示的飞行器模式识别方法原理实施。所述的飞行器模式识别方法原理步骤为：

步骤1-1所述的飞控计算机采集飞行器惯性传感器数据并滤波，得到飞行器姿态角

θ，ψ，飞行器机体坐标系下三轴加速度a_x，a_y，a_z，飞行器机体坐标系下三轴角速度ω_x，ω_y，ω_z及角加速度p，q，r，采集飞行器高度传感器(可为超声波距离传感器或气压高度计)数据并滤波，得到飞行器距离地面高度h；

步骤1-2判断飞行器飞行速度变化模式。本实施方法中采用了非线性自回归时间序列神经网络，通过该网络生成的神经网络函数预测下一时间步的功率需求，并识别该飞行状态下的功率需求模式。本实施方法所述非线性自回归时间序列神经网络通过计算机仿真和飞行器飞行试验数据训练得到。通过所述非线性自回归时间序列神经网络函数，可利用步骤1-1所述飞行器姿态角

θ，ψ，飞行器机体坐标系下三轴加速度a_x，a_y，a_z，飞行器机体坐标系下三轴角速度ω_x，ω_y，ω_z及角加速度p，q，r，飞行器距离地面高度h数据求解飞行器的飞行速度变化模式，姿态变化模式，高度变化模式时间序列。

步骤1-3识别飞行器功率需求类别。功率需求类别为：低功率，瞬时高功率，长时高功率。本实施方法中采用了模糊推理算法识别该飞行状态下飞行器功率需求类别。利用步骤1-2所述飞行器的飞行速度变化模式，姿态变化模式，高度变化模式时间序列，飞行器遥控指令输入作为模糊输入变量。其中，飞行速度变化模式具有三个隶属函数：静止(STA)，减速(DEC)和加速(ACC)；高度变化模式具有五个隶属函数：高速下降(MDEC)，下降(DEC)，定高(HAV)，上升(CLI)和高速上升(MCLI)；姿态变化模式具有三个隶属函数：稳定(STA)，转动(ROT)，高速转动(MROT)。输出变量为飞行器功率需求类别，其范围为[0,1],具有三个隶属函数：低功率(LOW)，瞬时高功率(IH)，长时高功率(LH)；飞行器遥控指令输入具有两个隶属函数：低(LOW)和高(HIGH)。在总结专家经验的基础上，建立模糊控制规则库。通过模糊逻辑运算实现基于飞行速度变化模式，姿态变化模式，高度变化模式时间序列，飞行器遥控指令输入的飞行器功率需求类别识别。

进一步的，本实施方法中，步骤3所述锂电池和超级电容工作模式设定通过如图4所示的锂电池和超级电容工作模式设定方法原理实施。所述锂电池和超级电容工作模式设定方法具体为：

按照飞行器功率需求类别，对锂电池和超级电容工作模式进行分级设定。锂电池的工作模式划分为预设输出功率为P1，P2，P3，P4的4个级别(P1<P2<P3<P4)，超级电容的工作模式划分为断开、放电、缓慢充电、较快速充电和快速充电5个模式。用SOC表示超级电容荷电状态，定义分级超级电容荷电状态：一级SOC上限H1，二级SOC上限H2，一级SOC下限L1，二级SOC下限L2((0<L2<L1<H1<H2<100％)，其具体判定方式为：

若此时飞行器功率需求类别为低功耗，判定SOC>H2，则锂电池预设输出功率设定为P1，超级电容工作模式为断开；判定H1<SOC<H2，则锂电池预设输出功率设定为P2，超级电容工作模式为缓慢充电；判定L1<SOC<H2，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为较快速充电；判定SOC<L1，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为快速充电。

若此时飞行器功率需求类别为瞬时高功耗，判断SOC>L2，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为放电；判断SOC<L2，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为断开。

若此时飞行器功率需求类别为长时高功耗，判断SOC>L1，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为放电；判断SOC<L1，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为断开。

根据本发明的第四方面，提供一种锂电池和超级电容输出功率设定方法，所述方法包括：基于滤波算法使锂电池输出功率平滑，采用超级电容补足缺少的功率或储存过剩的功率，使得总功率输出满足飞行器功率需求的同时，锂电池输出波动较小且接近权利要求3所述的锂电池预设输出功率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种电推进旋翼飞行器动力系统，其特征在于该动力系统包括：融合储能系统、无刷直流电机调速器、无刷直流电机、安装在所述无刷直流电机上的螺旋桨、飞控计算机、飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器；

所述的无刷直流电机调速器由第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器构成，所述的飞行器惯性传感器、高度传感器以及遥控信号接收器的输出端与所述的飞控计算机相连，所述的融合储能系统包括锂电池和超级电容，所述的超级电容的输出端采用双向DC/DC交换器控制能量流向，并与所述的锂电池并联，所述的锂电池并联的电压传感器的输出端与所述的飞控计算机的输入端相连，所述的超级电容并联的电压传感器的输出端与所述的飞控计算机的输入端相连，所述的锂电池的正极分别与所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输入端的正极相连，所述的锂电池的负极分别与所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输入端的负极相连，所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的输出端与所述的第一无刷直流电机、第二无刷直流电机、第三无刷直流电机、第四无刷直流电机一一对应相连，所述的飞控计算机的控制输出端分别与所述的双向DC/DC交换器、第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的电推进旋翼飞行器动力系统，其特征在于所述的飞行器高度传感器为超声波距离传感器或气压高度计。

3.权利要求1所述的电推进旋翼飞行器动力系统的控制方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)飞行器飞行模式识别及功率预测，包括：

①所述的飞控计算机采集所述的飞行器惯性传感器的数据并滤波，得到飞行器姿态角

θ，ψ，飞行器机体坐标系下三轴加速度a_x，a_y，a_z，飞行器机体坐标系下三轴角速度ω_x，ω_y，ω_z及角加速度p，q，r信息，采集所述的飞行器高度传感器的数据并滤波，得到飞行器距离地面高度信息h；

②基于飞行器惯性传感器数据，所述的飞行控制计算机判别飞行器的飞行速度变化模式，姿态变化模式，高度变化模式；

③所述的飞行控制计算机结合飞行器控制指令输入，依据预设权重值预测飞行器功率需求类别是低功率，瞬时高功率，还是长时高功率；

2)所述的飞行控制计算机按照飞行器功率需求类别，对锂电池和超级电容工作模式进行分级设定：锂电池的工作模式划分为预设输出功率为P1，P2，P3，P4的4个级别且P1<P2<P3<P4，超级电容的工作模式划分为断开、放电、缓慢充电、较快速充电和快速充电5个模式，用SOC表示超级电容荷电状态，定义分级超级电容荷电状态：一级SOC的上限为H1，二级SOC的上限为H2，一级SOC的下限为L1，二级SOC的下限为L2且0<L2<L1<H1<H2<100％，所述的锂电池和超级电容工作模式的判定方式如下：

若此时飞行器功率需求类别为低功耗：

判定SOC>H2，则锂电池预设输出功率设定为P1，超级电容工作模式为断开；

判定H1<SOC<H2，则锂电池预设输出功率设定为P2，超级电容工作模式为缓慢充电；

判定L1<SOC<H2，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为较快速充电；

判定SOC<L1，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为快速充电；

若此时飞行器功率需求类别为瞬时高功耗：

判断SOC>L2，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为放电；

判断SOC<L2，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为断开；

若此时飞行器功率需求类别为长时高功耗：

判断SOC>L1，则锂电池预设输出功率设定为P3，超级电容工作模式为放电；

判断SOC<L1，则锂电池预设输出功率设定为P4，超级电容工作模式为断开；

3)锂电池和超级电容输出功率设定：基于滤波算法使锂电池输出功率平滑，采用超级电容补足缺少的功率或储存过剩的功率，使得总功率输出满足飞行器功率需求的同时，锂电池输出波动较小且接近步骤2)所述的锂电池预设输出功率；

4)通过所述的双向DC\DC交换器控制所述的超级电容的功率输出，通过所述的第一交流逆变器、第二交流逆变器、第三交流逆变器、第四交流逆变器控制能源系统的整体功率输出，驱动所述的第一无刷直流电机、第二无刷直流电机、第三无刷直流电机、第四无刷直流电机，为所述的螺旋桨提供所需动力。

Images