CN113675938A - 无人机用高集成度的综合电气控制盒及无人机电气控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机用高集成度的综合电气控制盒及无人机电气控制方法，综合电气控制盒包括控制盒壳体、供电测试继电器板、400Hz三相交流信号发生器、变流器功放板、航空电连接器等组成。综合电气控制盒是某型无人机电气系统的核心设备，为无人机上各直流用电设备提供直流电源、陀螺用400Hz三相交流电源、发动机油泵、停车、航行灯和闪光灯控制、红外舱门控制电路以及发电机过压、欠压保护电路。本发明提高了无人机综合电气控制盒的集成度。

Description

无人机用高集成度的综合电气控制盒及无人机电气控制方法

技术领域

本发明涉及无人飞机电气系统领域，尤其是涉及无人机电气控制、二次电源系统。

背景技术

无人机电气系统一般由主电源、应急电源、二次电源、输配电系统和用电设备组成，其中主电源一般为发电机，应急电源为蓄电池组，二次电源采用功率变换器实现。

通常来说，电气系统需要对发电机的状态进行监控，设有发电机控制器，陀螺等设备需要采用交流电源供电，实现机上舱门开闭控制设有舱门控制器，以及其他的控制一般采用单独的控制器实现。但在无人机结构紧凑，空间受限，在无人机上无法实现为各用电设备、控制设备单独配置控制器的控制体系，存在电气设备多、笨重，设备间电缆多，可靠性低。

基于此，我们研制的无人机新型综合电气控制盒，根据无人机用电特点，采用集成设计思想，为无人机上各直流用电设备提供直流电源、陀螺用400Hz三相交流电源、发动机油泵、停车、航行灯和闪光灯控制、红外舱门控制电路以及发电机过压、欠压保护电路等功能全部集成在综合电气控制盒。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种高集成度的无人机综合电气控制盒及无人机电气控制方法，提高了无人机综合电气控制盒的集成度，结构紧凑且可靠性高。

为了实现上述效果，本申请提供一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，所述综合电气控制盒包含汇流条、供电测试继电器板、三相变流器、航空电连接器；

所述综合电气控制盒输入端通过航空电连接器分别连接至无人机载发电机以及蓄电池组，所述无人机载发电机连接综合电气控制盒内部的汇流条，所述蓄电池组连接综合电气控制盒内部的汇流条；

所述继电器板连接到汇流条上，用于执行供电测试，将无人机载发电机的输出供电连接到各用电设备上；还用于与任务设备相连接，执行飞控计算机的指令，实现任务设备的开关控制；

所述三相变流器通过航空电连接器对外提供交流电，用于陀螺电源。

进一步的，所述用电设备包含任务设备以及关键用电设备，所述任务设备包含红外舱门、发动机停车、油泵、航行灯、闪光灯；所述关键用电设备包含飞控计算机、飞控传感器、舵机和测控终端。

进一步的，所述继电器板包括12个继电器，其中6个执行供电测试功能，向关键用电设备和任务设备供电；

其余继电器为任务设备继电器，用于接受飞控计算机指令，分别实现发动机停车、油泵供油、航行灯以及闪光灯开和红外舱门开或闭等。

更进一步的，所述无人机载发电机上设有控制单元，所述控制单元包含发电机电压监测模块和发电机接触器控制模块两部分；其中，

所述无人机载发电机上连接有电压采样电路，所述电压样电路与电压比较器相连，采集发电机的实时工作电压，与过压、欠压基准电压信号进行比较器，控制发电机脱离和接入汇流条，同时控制任务设备接入和断开。

进一步的，所述三相变流器包含电源滤波器、三相交流信号发生器模块、直流升压功放模块、交流功放模块、振荡器；其中电源滤波器串联在电源输入前端，用于降低和抑制所述直流升压功放模块产生的谐波，所述直流升压功放模块用于将直流电压升高并产生双直流电，提供给交流功放模块作为放大器电源；

所述振荡器产生方波信号，发送给三相交流信号发生器模块作为频率基准，所述三相交流信号发生器模块产生三相正弦波，经过交流功放模块放大，输出达到设定要求的交流电压。

作为本申请的一种优选实施方案，所述红外舱门机构由舱门、皮带轮、皮带、微动开关、直流减速电机和控制电路组成；其中，所述红外舱门的驱动由直流减速电机实现，舱门收放位置检测采用微动开关实现；采用任务和其他用电设备继电器与微动开关进行逻辑互锁，实现直流减速电机的正反转，进而驱动红外舱门开/闭。

基于上述系统，本申请还提供一种无人机电气控制方法，所述电气控制方法具体包含以下步骤：

步骤一，检测无人机发电机的工作电压，将所述电压至发送给电压比较器中，确定发电机的工作状态是否正常；

步骤二，当发电机正常工作时，比较器输出高电平，发电机接触器驱动电路将发电机与汇流条相连，机上的用电设备通过汇流条得到直流电能；当发电机故障时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时通过任务设备继电器断开机上部分用电设备；

步骤三，当过压、欠压发生时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时断开部分用电设备，采用蓄电池供电，通过汇流条向部分用电设备提供电能，确保提供安全返航供电时间。

进一步的，所述用电设备包含关键用电设备以及任务设备，其中，所述任务设备包含红外舱门、发动机停车、油泵、航行灯、闪光灯；所述关键用电设备包含飞控计算机、飞控传感器、舵机和测控终端。

更进一步的，当发电机故障时，通过任务设备继电器断开任务设备，蓄电池放电向全机关键用电设备提供电能；

当发电机发生过压、欠压时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时断开任务设备供电，用蓄电池供电，通过汇流条向关键用电设备提供电能，确保提供安全返航供电时间。

本发明的有益效果是，采用这种综合电气控制盒，提高了无人机供电可靠性，而且集成度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的综合电气控制盒原理框图；

图2是发电机电压监测、发电机接触器、任务和其他用电设备控制原理框图；

图3是发电机、蓄电池和汇流条供电原理框图；

图4是本发明的三相变流器实施例原理框图；

图5是本发明红外舱门控制电路实施例原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施案例仅仅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，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

我们研制的无人机新型综合电气控制盒，根据无人机用电特点，采用集成设计思想，为无人机上各直流用电设备提供直流电源、陀螺用400Hz三相交流电源、发动机油泵、停车、航行灯和闪光灯控制、红外舱门控制电路以及发电机过压、欠压保护电路等功能全部集成在综合电气控制盒。

综合电气控制盒实现了发电机管理、二次电源、机上各种电气控制。见系统框图1。本实施例提供的一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，所述综合电气控制盒包含汇流条、供电测试继电器板、三相变流器、航空电连接器；

所述综合电气控制盒输入端通过航空电连接器分别连接至无人机载发电机以及蓄电池组，所述无人机载发电机连接综合电气控制盒内部的汇流条，所述蓄电池组连接综合电气控制盒内部的汇流条；

所述继电器板连接到汇流条上，用于执行供电测试，将无人机载发电机的输出供电连接到各用电设备上；还用于与任务设备相连接，执行飞控计算机的指令，实现任务设备的开关控制；

所述三相变流器通过航空电连接器对外提供交流电，用于陀螺电源。

本实施例中所提供的航空电连接器采用XC系列，接触偶采用双曲面线簧结构，接触面大，连接可靠性高。综合电气控制盒内部走线时（包括发电机引入汇流条、电池组引入汇流条、汇流条到继电器输入触点、各继电器输出触点到综合电气控制盒插座）均采用双线，以达到用电设备冗余供电的目的，保证即使某一根线虚焊或断开都不会影响供电安全。

进一步的，为了对无人机上各用电设备准确供电或控制任务设备的工作状况，本实施例中将用电设备进行分类，将用电任务设备以及关键用电设备，所述任务设备包含红外舱门、发动机停车、油泵、航行灯、闪光灯；所述关键用电设备包含飞控计算机、飞控传感器、舵机和测控终端。

进一步的，所述继电器板包括12个继电器，其中6个执行供电测试功能，向关键用电设备和任务设备供电；

其余继电器为任务设备继电器，用于接受飞控计算机指令，分别实现发动机停车、油泵供油、航行灯以及闪光灯开和红外舱门开或闭等。

所述的继电器板包括12个继电器，其中6个执行供电测试功能，向飞控计算机、飞控传感器、舵机、变流器、测控终端和任务设备供电。供电测试用继电器采用可靠性高的平衡力式继电器，每一路配电采用双触点实现，连接线路也采用双线。供电载荷采用降额设计。其余继电器接受飞控计算机指令，分别实现发动机停车、油泵供油、航行灯/闪光灯开和红外舱门开/闭等。

更进一步的，所述无人机载发电机上设有控制单元，所述控制单元包含发电机电压监测模块和发电机接触器控制模块两部分；其中，

所述无人机载发电机上连接有电压采样电路，所述电压样电路与电压比较器相连，采集发电机的实时工作电压，与过压、欠压基准电压信号进行比较器，控制发电机脱离和接入汇流条，同时控制任务设备接入和断开。

进一步的，所述三相变流器包含电源滤波器、三相交流信号发生器模块、直流升压功放模块、交流功放模块、振荡器；其中电源滤波器串联在电源输入前端，用于降低和抑制所述直流升压功放模块产生的谐波，所述直流升压功放模块用于将直流电压升高并产生双直流电，提供给交流功放模块作为放大器电源；

所述振荡器产生方波信号，发送给三相交流信号发生器模块作为频率基准，所述三相交流信号发生器模块产生三相正弦波，经过交流功放模块放大，输出达到设定要求的交流电压。

所述综合电气控制盒壳体采用铝合金加工而成，表面采用导电阳极化，壳体各部件配合紧密，满足电磁兼容要求。汇流条采用紫铜板加工而成，表面镀银，开有安装螺栓孔供接线。

所述的发电机电压监测模块对发电机电压进行监测，当过压、欠压发生时，使发电继脱离汇流条，同时断开任务设备供电。此时无人机采用蓄电池供电，通过汇流条向飞控计算机、飞控传感器、舵机、变流器和测控终端供电，确保无人机安全返航。

所述的构成变流器的各种电源模块，包括由400Hz三相交流信号发生器模块、直流升压功放模块和交流功放模块，为提高电磁兼容性，直流升压功放模块输入端串联三相变流器。

基于本申请实施例提供的无人机用高集成度的综合电气控制盒，集成了发电机、蓄电池以及发电机和蓄电池的切换电路，集成了发电机供电、控制电路，蓄电池供电电路等，能够为无人机上各直流用电设备提供直流电源、陀螺用400Hz三相交流电源、发动机油泵、停车、航行灯和闪光灯控制、红外舱门控制电路以及发电机过压、欠压保护电路等功能，控制准确，且适应无人机这种结构紧凑，空间有限的设备。

实施例2

基于上述系统，本申请还提供一种无人机电气控制方法，所述电气控制方法具体包含以下步骤：

步骤一，检测无人机发电机的工作电压，将所述电压至发送给电压比较器中，确定发电机的工作状态是否正常；

步骤二，当发电机正常工作时，比较器输出高电平，发电机接触器驱动电路将发电机与汇流条相连，机上的用电设备通过汇流条得到直流电能；当发电机故障时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时通过任务设备继电器断开机上部分用电设备；

步骤三，当过压、欠压发生时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时断开部分用电设备，采用蓄电池供电，通过汇流条向部分用电设备提供电能，确保提供安全返航供电时间。

进一步的，所述用电设备包含关键用电设备以及任务设备，其中，所述任务设备包含红外舱门、发动机停车、油泵、航行灯、闪光灯；所述关键用电设备包含飞控计算机、飞控传感器、舵机和测控终端。

更进一步的，当发电机故障时，通过任务设备继电器断开任务设备，蓄电池放电向全机关键用电设备提供电能；

当发电机发生过压、欠压时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时断开任务设备供电，用蓄电池供电，通过汇流条向关键用电设备提供电能，确保提供安全返航供电时间。发电机电压监测和发电机接触器控制原理框图如图2所示，发电机电压采样电路与电压比较器相连，同时过压、欠压基准电压也送到电压比较器。当发电机正常工作时，发电机电压在允许范围内，此时比较器输出高电平，发电机接触器驱动电路将发电机投入汇流条，机上用电设备通过汇流条得到直流电能。当发电机故障时，发电机电压不在允许范围内，此时比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时通过继电器断开任务和其他用电设备，只保留关键用电设备。

图3是发电机、蓄电池和汇流条供电原理框图。当发电机正常工作时，蓄电池并联于汇流条，处于浮充电状态，此时由发电机供电，并通过汇流条、继电器给关键用电设备、任务设备和其他用电设备供电。关键设备包括飞控计算机、传感器、舵机和测控终端，任务设备包括红外光电平台、航空相机和图像记录仪，其他设备包括蓄电池加温、空速管加温和飞控加温。当发电机电压过压或欠压时，电压监控电路控制发电机接触器断开机上电网，此时蓄电池放电向全机关键用电设备提供电能，同时电压监控电路通过继电器断开任务设备和其他用电设备供电电路，确保提供安全返航供电时间。

在图4所示实施例中，三相变流器由电源滤波器、400Hz三相交流信号发生器模块、直流升压功放模块、交流功放模块和少部分外围电路组成。其中电源滤波器串联在电源输入前端，能够有效降低和抑制直流升压功放模块产生的谐波，直流升压功放模块将直流27V变换为双32V直流电，提供给交流功放作为放大器电源。晶体振荡器通过分频器产生400Hz方波信号，提供给400Hz三相交流信号发生器模块作为频率基准，三相交流信号发生器模块产生三相正弦波，幅值、相位可调，三相正弦波经过交流功放模块放大，输出三相36V、400Hz交流电压。

在图5所示实施例中，红外舱门机构由舱门、皮带轮、皮带、微动开关、直流减速电机和相关控制电路组成。其中红外舱门的驱动由直流减速电机实现，舱门收放位置检测采用微动开关实现。采用继电器与微动开关进行逻辑互锁，实现直流减速电机的正反转，进而驱动红外舱门开/闭。当飞控计算机发出舱门开指令（高电平），继电器K1线圈得电，常开触点K1闭合，27V直流电驱动直流减速电机D正转，开始打开舱门，当舱门碰到微动开关WD1，微动开关断开电机电枢回路，电机D停止工作处于下一个工作状态预备阶段；当飞控计算机发出舱门关指令（低电平），继电器K1线圈失电，常闭触点闭合，27V直流电驱动直流减速电机反转，开始关闭舱门，当舱门碰到微动开关WD1，微动开关断开电机电枢回路，电机D停止工作处于下一个工作状态预备阶段。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施实例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，其特征在于，所述综合电气控制盒包含汇流条、供电测试继电器板、三相变流器、航空电连接器；

所述综合电气控制盒输入端通过航空电连接器分别连接至无人机载发电机以及蓄电池组，所述无人机载发电机连接综合电气控制盒内部的汇流条，所述蓄电池组连接综合电气控制盒内部的汇流条；

所述继电器板连接到汇流条上，用于执行供电测试，将无人机载发电机的输出供电连接到各用电设备上；还用于与任务设备相连接，执行飞控计算机的指令，实现任务设备的开关控制；

所述三相变流器通过航空电连接器对外提供交流电，用于陀螺电源。

2.根据权利要求1所述的一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，其特征在于，所述用电设备包含任务设备以及关键用电设备，所述任务设备包含红外舱门、发动机停车、油泵、航行灯、闪光灯；所述关键用电设备包含飞控计算机、飞控传感器、舵机和测控终端。

3.根据权利要求1所述的一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，其特征在于，所述继电器板包括12个继电器，其中6个执行供电测试功能，向关键用电设备和任务设备供电；

其余继电器为任务设备继电器，用于接受飞控计算机指令，分别实现发动机停车、油泵供油、航行灯以及闪光灯开和红外舱门开或闭。

4.根据权利要求1所述的一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，其特征在于，所述无人机载发电机上设有控制单元，所述控制单元包含发电机电压监测模块和发电机接触器控制模块两部分；其中，

所述无人机载发电机上连接有电压采样电路，所述电压样电路与电压比较器相连，采集发电机的实时工作电压，与过压、欠压基准电压信号进行比较器，控制发电机脱离和接入汇流条，同时控制任务设备接入和断开。

5.根据权利要求1所述的一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，其特征在于，所述三相变流器包含电源滤波器、三相交流信号发生器模块、直流升压功放模块、交流功放模块、振荡器；其中电源滤波器串联在电源输入前端，用于降低和抑制所述直流升压功放模块产生的谐波，所述直流升压功放模块用于将直流电压升高并产生双直流电，提供给交流功放模块作为放大器电源；

所述振荡器产生方波信号，发送给三相交流信号发生器模块作为频率基准，所述三相交流信号发生器模块产生三相正弦波，经过交流功放模块放大，输出达到设定要求的交流电压。

6.根据权利要求2所述的一种无人机用高集成度的综合电气控制盒，其特征在于，所述红外舱门机构由舱门、皮带轮、皮带、微动开关、直流减速电机和控制电路组成；其中，所述红外舱门的驱动由直流减速电机实现，舱门收放位置检测采用微动开关实现；采用任务和其他用电设备继电器与微动开关进行逻辑互锁，实现直流减速电机的正反转，进而驱动红外舱门开/闭。

7.一种无人机电气控制方法，其特征在于，所述电气控制方法基于权利要求1所述的综合电气控制盒实现其控制过程，所述电气控制方法具体包含以下步骤：

步骤一，检测无人机发电机的工作电压，将所述电压至发送给电压比较器中，确定发电机的工作状态是否正常；

步骤二，当发电机正常工作时，比较器输出高电平，发电机接触器驱动电路将发电机与汇流条相连，机上的用电设备通过汇流条得到直流电能；当发电机故障时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时通过任务设备继电器断开机上部分用电设备；

步骤三，当过压、欠压发生时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时断开部分用电设备，采用蓄电池供电，通过汇流条向部分用电设备提供电能，确保提供安全返航供电时间。

8.根据权利要求7所述的一种无人机电气控制方法，其特征在于，所述用电设备包含关键用电设备以及任务设备，其中，所述任务设备包含红外舱门、发动机停车、油泵、航行灯、闪光灯；所述关键用电设备包含飞控计算机、飞控传感器、舵机和测控终端。

9.根据权利要求8所述的一种无人机电气控制方法，其特征在于，当发电机故障时，通过任务设备继电器断开任务设备，蓄电池放电向全机关键用电设备提供电能；

当发电机发生过压、欠压时，比较器输出低电平，发电机接触器驱动电路将发电机脱离汇流条，同时断开任务设备供电，用蓄电池供电，通过汇流条向关键用电设备提供电能，确保提供安全返航供电时间。

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