CN113401338A - 一种油动多旋翼飞行器及传动和控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适于飞行技术改进领域，提供一种油动多旋翼飞行器及传动和控制系统，所述油动多旋翼飞行器的传动和控制系统包括传动单元及控制单元，所述传动单元，用于以电能为能量传输介质，将机械能传递到螺旋桨，驱动螺旋桨旋转提供飞行所需能量；所述控制单元，用于输出指令并执行指令改变螺旋桨的螺距改变螺旋桨的升力和反扭力，利用每个旋翼的升力和反扭力控制飞行器的姿态实现悬停和各个方向飞行的目的，并且对传动单元发送控制信号用于稳定动力机构的转速和调节飞行器总能量，监控发动机的转速和变距螺旋桨的转速，通过两者的转速对比判断传动系统是否工作正常。减少了能能量转换流程，能量利用率提高。
Description
技术领域
本发明属于飞行技术改进领域，尤其涉及一种油动多旋翼飞行器及传动和控制系统。
背景技术
现有的油动多旋翼飞行器大多采用增程式方案，即发动机带动发电机发电，整流器将发电机发出的交流电整流成直流电，直流电配合电池共同为电子调速器供电（整流器输出的直流电也可供电池充电，由电源管理系统进行分配）。电子调速器接收飞控发出的指令驱动交流同步电机转动，并且按指令调节交流同步电机的转速，从而控制飞行器的姿态和飞行方向。
现有的油动多旋翼技术方案只是在纯电动多旋翼技术上增加了一套发电系统，增加飞行器的续航时间。但是该技术依然存在以下缺点：能量利用效率较低。该技术能量转换次数较多，能量转换过程依次为：化学能→机械能→交流电→直流电→交流电→机械能。当发电机给电池充电后再用电池的电驱动电子调速器时，能量转换效率依次为：化学能→机械能→交流电→直流电→化学能→直流电→交流电→机械能。每次能量转换都会造成能量损失，导致整体能量利用率降低。
该方案应用于大型无人机时可靠性较低，该技术涉及发动机、发电机、整流器、电池、电源管理系统、飞控、电子调速器、电机，任意一套系统故障都有可能影响飞行安全。尤其是目前大功率电源管理系统和电子调速器技术不够成熟，稳定性较低。
该方案应用于大型无人机时飞行控制技术有缺陷，该技术通过调节旋翼转速的方法调整飞行器的姿态，飞行过程中需要频繁调节旋翼转速。大型飞行器旋翼转动惯量大，转速调节响应速度慢，继而导致飞行器姿态控制响应慢, 飞行器难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，旨在解决现有油动多旋翼飞行器燃油效率低，控制响应慢，可靠性低的技术问题。
本发明是这样实现的，一种油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，所述油动多旋翼飞行器的传动和控制系统包括传动单元及控制单元，所述传动单元，用于以电能为能量传输介质，将机械能传递到螺旋桨，驱动螺旋桨旋转提供飞行所需能量；所述控制单元，用于输出指令并执行指令改变螺旋桨的螺距改变螺旋桨的升力和反扭力，利用每个旋翼的升力和反扭力控制飞行器的姿态实现悬停和各个方向飞行的目的，并且对传动单元发送控制信号用于稳定动力机构的转速和调节飞行器总能量，监控发动机的转速和变距螺旋桨的转速，通过两者的转速对比判断传动系统是否工作正常。
本发明的进一步技术方案是：所述传动单元包括发动机、发电机、交流同步电机及变距螺旋桨，所述发电机设于所述发动机上，所述发电机的电能输出端连接所述交流同步电机的电能输入端，所述变距螺旋桨设于所述交流同步电机上。
本发明的进一步技术方案是：所述传动单元还包括油箱，所述油箱设于所述发动机上，通过油箱内的燃油为发动机提供能量动力供发动机运行带动发电机产生电能。
本发明的进一步技术方案是：所述交流同步电机多个，多个所述交流同步电机通过所述发电机供能，每个交流同步电机上设有一变距螺旋桨。
本发明的进一步技术方案是：所述控制单元包括飞控及伺服舵机，所述飞控的输出端分别连接所述伺服舵机的控制端及发动机的控制端，所述伺服舵机设于所述变距螺旋桨，所述发电机的电能输出端连接所述飞控的电能输入端。
本发明的进一步技术方案是：所述伺服舵机多个，每个所述伺服舵机的控制端连接所述飞控的输出端，每个所述伺服舵机控制一变距螺旋桨的升力和反扭力。
本发明的另一目的在于提供一种油动多旋翼飞行器，所述油动多旋翼飞行器包括传动和控制系统及机架，所述传动和控制系统设于所述机架上。
本发明的进一步技术方案是：所述机架包括支架、固定板及多个连接杆，所述固定板设于所述支架上，多个所述连接杆分别设于所述固定板上。
本发明的进一步技术方案是：多个所述连接杆与所述固定板位于同一平面上，两个相邻所述连接杆构成的夹角相等。
本发明的有益效果是：采用了发电机发出交流电驱动交流同步电机的传动系统，将油动发动机的能量传递至螺旋桨，相比传统增程式油动多旋翼飞行器减少了能能量转换流程，能量利用率提高；避开了原技术方案中的电源管理系统和电子调速器两个重要的技术短板，虽然增加了一套伺服舵机系统，但整体稳定性依然高于原有系统；姿态控制采用变桨距的方法替换原技术方案中变转速的方法，应用于大型飞行器时姿态控制响应更快。
附图说明
图1是现有飞行器的传动和控制系统的结构框图。
图2是本发明实施例提供的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统的结构框图。
图3是本发明实施例提供的油动多旋翼飞行器的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的油动多旋翼飞行器的分解结构示意图。
图5是本发明实施例提供的变距螺旋桨、伺服舵机、交流同步电机及转速传感器的结构示意图。
具体实施方式
附图标记：10-机架 20-飞控 30-伺服舵机 40-变距螺旋桨 50-交流同步电机 60-发动机 70-发电机 80-油箱 90-101-固定板 102-支架 103-连接杆
如图1所示，本发明提供的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，包括传动单元及控制单元，所述控制单元的输出端连接所述传动单元的输入端，传动单元的电能输出端连接所述控制单元的输入端，所述传动单元以电能为能量传输介质，将发动机的机械能传递到螺旋桨，驱动螺旋桨旋转。所述控制系统中飞控发出指令，伺服舵机执行指令改变螺旋桨的螺距从而改变螺旋桨的升力和反扭力。飞控通过控制每个旋翼的升力和反扭力来控制飞行器的姿态，实现悬停和向各个方向飞行的目的。
所述传动单元包括发动机60、发电机70、交流同步电机50及变距螺旋桨40，所述发电机70设于所述发动机60上，所述发电机70的电能输出端连接所述交流同步电机50的电能输入端，所述变距螺旋桨40设于所述交流同步电机50上。主要特点包括①发电机于交流同步电机之间只经过交流电传输能量；②该系统只提供飞行所需的能量，不参与飞行姿态控制。③飞控对发动机的控制信号用于稳定发动机的转速和调节飞行器总能量。
所述传动单元还包括油箱80，所述油箱80设于所述发动机60上，通过油箱80内的燃油为发动机提供能量动力供发动机运行带动发电机70产生电能。
所述交流同步电机50多个，多个所述交流同步电机50通过所述发电机70供能，每个交流同步电机50上设有一变距螺旋桨40。
所述控制单元包括飞控20及伺服舵机30，所述飞控20的输出端分别连接所述伺服舵机30的控制端及发动机的控制端，所述伺服舵机30设于所述变距螺旋桨40，所述发电机70的电能输出端连接所述飞控20的电能输入端。
所述伺服舵机30多个，每个所述伺服舵机30的控制端连接所述飞控的输出端，每个所述伺服舵机30控制一变距螺旋桨40的升力和反扭力。
本发明的另一目的在于提供一种油动多旋翼飞行器，所述油动多旋翼飞行器包括传动和控制系统及机架10，所述传动和控制系统设于所述机架10上。
所述机架包括支架102、固定板101及多个连接杆103，所述固定板101设于所述支架102上，多个所述连接杆103分别设于所述固定板101上。
多个所述连接杆103与所述固定板101位于同一平面上，两个相邻所述连接杆103构成的夹角相等。
以下为本发明的一款实施例：该实施例为一款四旋翼油动变桨距飞行器。
该飞行器主要由机架10、发动机60、飞控20、发电机70、交流同步电机50、伺服舵机30、变距螺旋桨40、油箱80等部件组成。
发动机60带动发电机70旋转，发电机70发出的交流电通过电缆传输给交流同步电机50，交流同步电机50驱动变距螺旋桨40旋转，从而使飞行器获得飞行所需能量。
所述交流同步电机50上设有转速传感器90，所述转速传感器连接所述飞控双向通信。
飞控20发出指令，伺服舵机30按飞控20指令偏转，驱动螺旋桨的桨距发生变化，从而改变螺旋桨的升力。飞控20通过该方法控制各个螺旋桨的升力和反扭力达到控制飞行器姿态的目的。
飞控20对发动机60发出指令，控制发动机60的转速。因为飞行过程中，桨距的变化会导致螺旋桨旋转阻力的变化，然后导致发动机60的转速变化。飞控20必须实时监控发动机的转速，并且做出调整。当发动机60转速过低，或飞行器当前能量低于飞行所需能量是，飞控20发出指令，加大油门提高发动机转速；相反的，当发动机60转速过高时，飞控20发出指令，减小油门降低发动机60转速。
飞控20检测螺旋桨的转速信号和发动机60的转速，通过对比两者转速判断传动系统是否工作正常。如果出现传动异常飞控做出相应措施，防止飞机失控。
采用了发电机70发出交流电驱动交流同步电机50的传动系统，将油动发动机60的能量传递至螺旋桨，相比传统增程式油动多旋翼飞行器减少了能量转换流程，能量利用率提高。
避开了原技术方案中的电源管理系统和电子调速器两个重要的技术短板，虽然增加了一套伺服舵机30系统，但整体稳定性依然高于原有系统。
姿态控制采用变桨距的方法替换原技术方案中变转速的方法，应用于大型飞行器时姿态控制响应更快。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，其特征在于，所述油动多旋翼飞行器的传动和控制系统包括传动单元及控制单元，所述传动单元，用于以电能为能量传输介质，将机械能传递到螺旋桨，驱动螺旋桨旋转提供飞行所需能量；所述控制单元，用于输出指令并执行指令改变螺旋桨的螺距改变螺旋桨的升力和反扭力，利用每个旋翼的升力和反扭力控制飞行器的姿态实现悬停和各个方向飞行的目的，并且对传动单元发送控制信号用于稳定动力机构的转速和调节飞行器总能量，监控发动机的转速和变距螺旋桨的转速，通过两者的转速对比判断传动系统是否工作正常。
2.根据权利要求1所述的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，其特征在于，所述传动单元包括发动机、发电机、交流同步电机及变距螺旋桨，所述发电机设于所述发动机上，所述发电机的电能输出端连接所述交流同步电机的电能输入端，所述变距螺旋桨设于所述交流同步电机上。
3.根据权利要求2所述的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，其特征在于，所述传动单元还包括油箱，所述油箱设于所述发动机上，通过油箱内的燃油为发动机提供能量动力供发动机运行带动发电机产生电能。
4.根据权利要求3所述的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，其特征在于，所述交流同步电机多个，多个所述交流同步电机通过所述发电机供能，每个交流同步电机上设有一变距螺旋桨。
5.根据权利要求4所述的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，其特征在于，所述控制单元包括飞控及伺服舵机，所述飞控的输出端分别连接所述伺服舵机的控制端及发动机的控制端，所述伺服舵机设于所述变距螺旋桨，所述发电机的电能输出端连接所述飞控的电能输入端。
6.根据权利要求5所述的油动多旋翼飞行器的传动和控制系统，其特征在于，所述伺服舵机多个，每个所述伺服舵机的控制端连接所述飞控的输出端，每个所述伺服舵机控制一变距螺旋桨的升力和反扭力。
7.一种油动多旋翼飞行器，其特征在于，所述油动多旋翼飞行器包括权利要求1-6任一项所述的传动和控制系统及机架，所述传动和控制系统设于所述机架上。
8.根据权利要求7所述的油动多旋翼飞行器，其特征在于，所述机架包括支架、固定板及多个连接杆，所述固定板设于所述支架上，多个所述连接杆分别设于所述固定板上。
9.根据权利要求8所述的油动多旋翼飞行器，其特征在于，多个所述连接杆与所述固定板位于同一平面上，两个相邻所述连接杆构成的夹角相等。
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