CN114852338A - 一种混合动力运载无人机及运载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力运载无人机及运载系统，该无人机包括动力系统，所述动力系统包括若干涡喷发动机以及若干电驱动旋翼；若干所述涡喷发动机与若干所述电驱动旋翼沿机体的周向交叉布置；若干所述涡喷发动机用于产生向下的推力为所述机体提供主升力；若干所述电驱动旋翼用于为所述机体提供辅助升力，并为所述机体的位置与姿态控制提供控制力与控制力矩。可实现高原地区大载荷物资运载，兼具电驱动无人机控制简单、控制响应快速的优点与燃油动力无人机运载能力强、续航力强的优点，同时相比于燃油动力旋翼无人机体积更小，从而可实现车载运输，车上起降。

Description

一种混合动力运载无人机及运载系统

技术领域

本发明涉及运载工具技术领域，特别是涉及一种混合动力运载无人机及运载系统。

背景技术

部分高原边远地区道路险峻，补给运输非常困难，一旦遇到地质灾害或极端气候，物资补给随时可能中断。因此，高原地区对能够适应高海拔、复杂地形的物资运输工具需求非常迫切。

无人机具有独特的飞行性能及使用价值。与有人机相比，无人机具有无人员伤亡、体积小、造价低、战场生存力强等特点，在许多方面具有无法比拟的优越性；与固定翼无人机相比，无人直升机可垂直起降、空中悬停，朝任意方向飞行，其起飞着陆场地小，不必配备像固定翼无人机那样复杂、大体积的发射回收系统。因此无人机可以用于高原边远地区物资投放、灾情监测、紧急救援、抢险救灾等领域。

现有技术中大载重无人机主要技术方案是使用旋翼提供升力，使用电驱动、涡轴或活塞发动机提供动力。电驱动发动机在高原环境下存在续航能力差，功率不足等缺点，难以满足高原大载荷运载需求；涡轴与活塞式发动机功率可满足高原运载需求，但其体积、重量大，控制复杂、勤务保障要求高。

因此，如何提供一种兼具电驱动无人机控制简单、控制响应快速的优点以及燃油动力无人机运载能力强、续航力强等优点的无人机，是迫切需要本领域技术人员解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种混合动力运载无人机及运载系统。

本发明提供了如下方案：

一种混合动力运载无人机，包括：

动力系统，所述动力系统包括若干涡喷发动机以及若干电驱动旋翼；若干所述涡喷发动机与若干所述电驱动旋翼沿机体的周向交叉布置；

其中，若干所述涡喷发动机用于产生向下的推力为所述机体提供主升力；若干所述电驱动旋翼用于为所述机体提供辅助升力，并为所述机体的位置与姿态控制提供控制力与控制力矩。

优选地：所述动力系统还包括油电转换子系统；所述油电转换子系统用于将部分所述涡喷发动机的动力用于带动发电组件发电以便为所述电驱动旋翼供电。

优选地：所述动力系统还包括电源子系统，所述电源子系统与所述油电转换子系统相连，所述电源子系统包括可充电蓄电池，所述可充电蓄电池与所述电驱动旋翼相连。

优选地：所述动力系统还包括燃油子系统，所述燃油子系统包括燃油管路、油泵、油滤、油量检测装置，所述燃油子系统用于为涡喷发动机供油。

优选地：所述机体包括机舱、起落架、机臂、载荷舱以及油箱；所述机臂用于安装所述涡喷发动机以及所述电驱动旋翼，以使所述涡喷发动机以及所述电驱动旋翼对称、环绕分布于机体四周；所述机舱位于中上部位置，所述机舱的内部用于安装飞控系统设备、动力系统设备、通信系统设备。

优选地：所述油箱包括主油箱以及若干副油箱，所述主油箱位于所述机舱下部，若干所述副油箱沿所述机舱四周对称分布；所述载荷舱位于所述主油箱正下方，所述起落架位于所述载荷舱正下方。

优选地：所述飞控系统设备包括导航子系统、自动控制子系统；所述导航子系统包括若干无人机位置、姿态传感器以及周边环境检测传感器，用于测量无人机位姿、感知周边环境；所述自动控制子系统用于处理获取到的传感器信息、解算无人机位姿、构建航路地图、规划航路、进行飞行控制解算、根据操作指令进行任务调度。

优选地：还包括手动控制子系统，以使实现在自主飞行与手动控制两种飞行两种模式间切换。

优选地：所述通信系统设备包括无线通信设备，所述无线通信设备用于与地面站进行通信，以便接收地面站发送的控制指令，并向地面站发送无人机状态信息。

一种运载系统，所述运载系统包括上述的混合动力运载无人机以及运载车辆，所述运载车辆的上部设置有用于共所述无人机起降的起降平台；所述运载车辆还用于在所述无人机位于所述起降平台时向所述无人机提供所述涡喷发动机所需的燃料。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本申请提供的混合动力运载无人机，可实现高原地区大载荷物资运载，兼具电驱动无人机控制简单、控制响应快速的优点与燃油动力无人机运载能力强、续航力强的优点，同时相比于燃油动力旋翼无人机体积更小，从而可实现车载运输，车上起降。

另外，在优选的实施方式下， 还可以提供一种运载系统，该系统提供可以用于混合动力运载无人机起降的运载车辆，通过该车辆可以对无人机进行运载，同时还可以为无人机提供起降平台，在无人机降落时还可以为无人机补充燃料，达到快速装载载荷和燃油从而再次进行运输作业的目的。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。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说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种混合动力运载无人机的结构示意图;

图2是本发明实施例提供的飞控系统的连接框图；

图3是本发明实施例提供的动力系统的连接框图。

图中：动力系统1、涡喷发动机11、电驱动旋翼12、油电转换子系统13、电源子系统14、燃油子系统15、机体2、机臂21、飞控系统3、导航子系统31、自动控制子系统32、无线通信设备4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2、图3，为本发明实施例提供的一种混合动力运载无人机，如图1、图2、图3所示，该无人机可以包括：

动力系统1，所述动力系统1包括若干涡喷发动机11以及若干电驱动旋翼12；若干所述涡喷发动机11与若干所述电驱动旋翼12沿机体的周向交叉布置；

其中，若干所述涡喷发动机11用于产生向下的推力为所述机体2提供主升力；若干所述电驱动旋翼12用于为所述机体2提供辅助升力，并为所述机体2的位置与姿态控制提供控制力与控制力矩。

本申请实施例提供的运载无人机采用涡喷发动机以及旋翼两种动力方式，提供了一种混合动力多旋翼无人机用于解决高原边远地区 “最后一公里”运输难题。采用小型涡喷发动机与电驱动多悬翼混合动力，结合了涡喷发动机体积相对较小、功率较大与电驱动旋翼易于控制的优点。利用电机快速响应的特点弥补了涡喷发动机响应慢的问题。

其中涡喷发动机产生向下的推力，为无人机提供主要的升力。该涡喷发动机的尾喷管可以朝机体的下方布置，从而保证可以获得最大的升力。电动旋翼为无人机提供辅助升力，并为位置与姿态控制提供控制力与控制力矩。电驱动旋翼可以按照常规方式进行布置，只需要保证若干涡喷发动机与电驱动旋翼成间隔均匀分布，保证动力的均匀性。涡喷发动机与电驱动旋翼的数量可以根据无人机的承载重量要求选择确定。

可以理解的是，本申请实施例提供的电驱动旋翼的供电可以采用多种方式，例如，可以采用在机体内设置蓄电池用于为电驱动旋翼进行供电。为了可以提高电驱动旋翼的续航能力，本申请实施例还可以提供所述动力系统还包括油电转换子系统13；所述油电转换子系统13用于将部分所述涡喷发动机11的动力用于带动发电组件发电以便为所述电驱动旋翼12供电。通过该油电转换子系统13可以将涡喷发动机的一部分动力用于发电，这样可以保证无人机在飞行的过程中，通过涡喷发动机可以持续为电驱动旋翼提供电能。具体的，所述动力系统1还包括电源子系统14，所述电源子系统14与所述油电转换子系统13相连，所述电源子系统14包括可充电蓄电池，所述可充电蓄电池与所述电驱动旋翼12相连。

所述动力系统1还包括燃油子系统15，所述燃油子系统15包括燃油管路、油泵、油滤、油量检测装置，所述燃油子系统15用于为涡喷发动机供油。采用这样的方式，可以保证只要无人机燃油没有耗尽之前，无人机可以正常飞行。而燃料加注所需时间短，可以有效的解决传统纯电驱动旋翼无人机充电时间耗时长的问题。

本申请实施例提供的机体的结构可以根据实际需要进行选择确定，例如，在一种实现方式下，本申请实施例可以提供所述机体2包括机舱、起落架、机臂21、载荷舱以及油箱；所述机臂21用于安装所述涡喷发动机11以及所述电驱动旋翼12，以使所述涡喷发动机11以及所述电驱动旋翼12对称、环绕分布于机体四周；所述机舱位于中上部位置，所述机舱的内部用于安装飞控系统设备、动力系统设备、通信系统设备。机体采用多旋翼结构形式，对称安装涡喷发动机以及电动旋翼。机臂用于安装涡喷发动机以及电动旋翼，对称、环绕分布于机体四周。机舱位于无人机中上部位置，内部安装飞控系统设备、动力系统设备、通信系统设备。起落架位于载荷舱正下方位置。

由于无人机的机体的体积有限，同时为了可以方便多种构件的安装，因此需要考虑无人机包含的各个系统的布局位置。为了可以达到能够为涡喷发动机提供更多燃油，同时又不会影响其他构件的布局。所述油箱包括主油箱以及若干副油箱，所述主油箱位于所述机舱下部，若干所述副油箱沿所述机舱四周对称分布；所述载荷舱位于所述主油箱正下方，所述起落架位于所述载荷舱正下方。

所述飞控系统3设备包括导航子系统31、自动控制子系统32；所述导航子系统31包括若干无人机位置、姿态传感器、周边环境检测传感器，用于测量无人机位姿、感知周边环境；所述自动控制子系统32用于处理获取到的传感器信息、解算无人机位姿、构建航路地图、规划航路、进行飞行控制解算、根据操作指令进行任务调度。飞控系统：主要由导航子系统、控制子系统组成。导航子系统包含各类无人机位置、姿态传感器、周边环境检测传感器，用于测量无人机位姿、感知周边环境。控制子系统用于处理各类传感器信息、解算无人机位姿、构建航路地图、规划航路、进行飞行控制解算、根据操作指令进行任务调度。

为了可以实现无人机的多种控制方式，本申请实施例可以提供还包括手动控制子系统，以使实现在自主飞行与手动控制两种飞行模式间切换。为了实现自动控制本申请实施例还可以提供所述通信系统设备包括无线通信设备4，所述无线通信设备4用于与地面站进行通信，以便接收地面站发送的控制指令，并向地面站发送无人机状态信息。

本申请实施例提供的无人机可设置自主避障功能。无人机具有自主飞行与手动控制两种飞行模式并可在两种模式间切换。无人机可车载运输；无人机可在车上起降平台起降。

该无人机的工作过程包括：无人机载荷舱装载所需任务载荷；操作人员通过地面站控制终端，控制无人机起飞；操作人员规划无人机飞行路径，无人机按照规划路径飞行，飞行过程中，通过周边环境检测传感器实时采集地形、障碍物信息，通过位置、姿态传感器测量无人机位置、姿态，根据传感器数据进行自主飞行控制，同时实时向地面站发送无人机当前状态，必要情况下，后方操作人员可以切换为手动控制状态，对无人飞行器进行手动控制；无人飞行器到达预定地点后，卸载运输载荷；卸载载荷后无人机按原飞行路径返航，并自动降落。

总之，本申请提供的混合动力运载无人机，可实现高原地区大载荷物资运载，兼具电驱动无人机控制简单、控制响应快速的优点与燃油动力无人机运载能力强、续航力强的优点，同时相比于燃油动力旋翼无人机体积更小，从而可实现车载运输，车上起降。

本申请实施例还可以提供一种运载系统，所述运载系统包括上述的混合动力运载无人机以及运载车辆，所述运载车辆的上部设置有用于供所述无人机起降的起降平台；所述运载车辆还用于在所述无人机位于所述起降平台时向所述无人机提供所述涡喷发动机所需的燃料。

该运载系统在使用时，搭载所述混合动力运载无人机（以下简称“无人机”）的储运车辆到达指定地点并完成部署，无人机载荷舱装载所需任务载荷。操作人员通过地面站控制终端，控制无人机从储运车辆起降平台起飞，按照规划路径飞行。飞行过程中，通过周边环境检测传感器实时采集地形、障碍物信息，通过位置、姿态传感器测量无人机位置、姿态，根据传感器数据进行自主飞行控制，同时实时向地面站发送无人机当前状态。

必要情况下，后方操作人员可以切换为手动控制状态，对无人飞行器进行手动控制。无人飞行器到达预定地点后，卸载运输载荷。卸载载荷后无人机按原飞行路径返航，并自动降落至储运车辆起降平台。无人飞行器着陆后可继续装载载荷和燃油再次进行运输作业，也可通过车载起降平台回收至运输车辆内，结束任务。

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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、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。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加上必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合动力运载无人机，其特征在于，包括：

动力系统，所述动力系统包括若干涡喷发动机以及若干电驱动旋翼；若干所述涡喷发动机与若干所述电驱动旋翼沿机体的周向交叉布置；

其中，若干所述涡喷发动机用于产生向下的推力为所述机体提供主升力；若干所述电驱动旋翼用于为所述机体提供辅助升力，并为所述机体的位置与姿态控制提供控制力与控制力矩。

2.根据权利要求1所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述动力系统还包括油电转换子系统；所述油电转换子系统用于将部分所述涡喷发动机的动力用于带动发电组件发电以便为所述电驱动旋翼供电。

3.根据权利要求2所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述动力系统还包括电源子系统，所述电源子系统与所述油电转换子系统相连，所述电源子系统包括可充电蓄电池，所述可充电蓄电池与所述电驱动旋翼相连。

4.根据权利要求2所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述动力系统还包括燃油子系统，所述燃油子系统包括燃油管路、油泵、油滤、油量检测装置，所述燃油子系统用于为涡喷发动机供油。

5.根据权利要求1所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述机体包括机舱、起落架、机臂、载荷舱以及油箱；所述机臂用于安装所述涡喷发动机以及所述电驱动旋翼，以使所述涡喷发动机以及所述电驱动旋翼对称、环绕分布于机体四周；所述机舱位于中上部位置，所述机舱的内部用于安装飞控系统设备、动力系统设备、通信系统设备。

6.根据权利要求5所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述油箱包括主油箱以及若干副油箱，所述主油箱位于所述机舱下部，若干所述副油箱沿所述机舱四周对称分布；所述载荷舱位于所述主油箱正下方，所述起落架位于所述载荷舱正下方。

7.根据权利要求5所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述飞控系统设备包括导航子系统、自动控制子系统；所述导航子系统包括若干无人机位置、姿态传感器以及周边环境检测传感器，用于测量无人机位姿、感知周边环境；所述自动控制子系统用于处理获取到的传感器信息、解算无人机位姿、构建航路地图、规划航路、进行飞行控制解算、根据操作指令进行任务调度。

8.根据权利要求7所述的混合动力运载无人机，其特征在于，还包括手动控制子系统，以实现在自主飞行与手动控制两种飞行两种模式间切换。

9.根据权利要求5所述的混合动力运载无人机，其特征在于，所述通信系统设备包括无线通信设备，所述无线通信设备用于与地面站进行通信，以便接收地面站发送的控制指令，并向地面站发送无人机状态信息。

10.一种运载系统，其特征在于，所述运载系统包括权利要求1-9任一项所述的混合动力运载无人机以及运载车辆，所述运载车辆的上部设置有用于供所述无人机起降的起降平台；所述运载车辆还用于在所述无人机位于所述起降平台时向所述无人机提供所述涡喷发动机所需的燃料。

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