CN117208259B - 一种混合动力无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力无人机，其包括：无人机本体、动力组件、机载电池、光伏发电组件、氢燃料电池发电组件及能量控制器；机载电池与动力组件连接；光伏发电组件分别与动力组件和机载电池连接且阵列设置在无人机本体的机翼和/或尾翼上；氢燃料电池发电组件分别与动力组件和机载电池连接；能量控制器分别与动力组件、机载电池、光伏发电组件及氢燃料电池发电组件连接，用于依据当前飞行状态和预先配置的能量管控策略调用光伏发电组件、氢燃料电池发电组件及机载电池之中的一种或多种供能。其中，无人机本体上设置有多个拉升用旋翼。本发明方案通过合理的硬件设计与策略控制在兼顾无人机的动力性与经济性的要求下实现了飞行滞空能力的极致续航。

Description

一种混合动力无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种混合动力无人机。

背景技术

无人机具有结构精巧、隐蔽性强、使用方便和性能机动灵活等特点，目前已经广泛应用于军事和民用领域，许多国家都把无人机技术置于优先发展的地位，竞相研制和开发先进的新型无人机技术，目前无人机的发展主要受到续航时间短的制约。

为解决现有的无人机受到单一方式供电而造成的续航时间普遍不超过半小时，无法实现长的滞空时间，导致无人机的滞空能力将会受到极大的限制的难题，现有方案一般考虑提供多能源供应这一解决思路，有：油电混合、燃电混合等，即使采用多能源来给无人供能解决续航时长的问题，但是又出现了多能源管理紊乱、能源利用率不高，造成能源耗费过大的现象，成为无人机发展的新的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种混合动力无人机，其解决了现有无人机的多能源管理紊乱、能源利用率不高以及能源耗费过大的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种混合动力无人机，包括：无人机本体以及设置在所述无人机本体上的动力组件、机载电池、光伏发电组件、氢燃料电池发电组件以及能量控制器；

所述机载电池与所述动力组件连接；

所述光伏发电组件分别与所述动力组件和所述机载电池连接，且所述光伏发电组件阵列设置在所述无人机本体的机翼和/或尾翼上；

所述氢燃料电池发电组件分别与所述动力组件和所述机载电池连接；

所述能量控制器分别与所述动力组件、所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件连接，用于依据当前飞行状态和预先配置的能量管控策略在起飞阶段和巡航阶段调用所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及所述机载电池之中的一种或者多种为所述动力组件供能，同时依据当前的所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及所述机载电池的状态信息来执行下降控制策略和/或返航控制策略判断；

其中，所述无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业。

可选地，所述能量控制器包括：

起飞控制模块，用于执行如下起飞控制策略：在起飞阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能；

巡航控制模块，用于执行如下巡航控制策略：在巡航阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能；

下降控制模块，用于执行如下下降控制策略：在下降阶段判断所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件是否满足各自的可用条件，在存在至少一个满足可用条件时，执行下降工作；

返航控制模块，用于执行如下返航控制策略：在所述光伏发电组件不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航，若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作。

可选地，

所述起飞控制模块包括：

起飞第一判断单元，用于判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

起飞第一供能判定单元，用于若所述机载电池满足第一可用条件，则采用所述机载电池进行供能；

起飞第二判断单元，用于若所述机载电池不满足第一可用条件，则判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

起飞第二供能判定单元，用于若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件和所述机载电池同时进行供能；

起飞第三判断单元，用于若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

起飞第三供能判定模块，用于若所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用所述氢燃料电池发电组件和所述机载电池同时进行供能；

所述巡航控制模块包括：

巡航第一判断单元，用于判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

巡航第一供能判定单元，用于若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件供能；

巡航第二判断单元，用于若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

巡航第二供能判定单元，用于在所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件时，则采用所述氢燃料电池发电组件供能；

巡航第三判断单元，用于在所述氢燃料电池发电组件不满足第三可用条件时，判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

巡航第三供能判定单元，用于若此时满足第一可用条件则采用所述机载电池供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略；

其中，

第一可用条件为：所述机载电池的实时荷电状态≥25％；

第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥AM1.5；

第三可用条件为：所述氢燃料电池发电组件的氢气罐压强≥1.5pa。

可选地，

所述起飞阶段的无人机的需求功率为：

所述巡航阶段的无人机的需求功率为：

所述下降阶段的无人机的需求功率为：

相应地，

所述机载电池的输出功率为：P_L＝U_LI_L；

所述光伏发电组件的输出功率为：P_SC＝A_SCIη₁η_scη₂；

所述氢燃料电池发电组件的输出功率为：P_FC＝U_FCI_FC

其中，m为包含机载电池质量、太阳能电池重量、燃料电池质量、有效载荷以及机身质量的无人机总质量，C_D为全机阻力系数，C_L为全机升力系数，F₁为起飞阶段的发动机推力，v₁为起飞阶段的速度，F₂为巡航阶段的发动机推力，v₂为巡航阶段的速度，F₃为下降阶段的发动机推力，v₃为下降阶段的速度；U_L为机载电池的输出电压，I_L为机载电池的输出电流；A_sc为光伏发电组件的太阳能电池阵列面积，I为光照强度，η₁为天气因素影响因数，η_sc为太阳能电池转换效率，η₂为翼型曲面引起的效率损失因数；I_FC为氢燃料电池发电组件的输入电流，U_FC为氢燃料电池发电组件的输出电压。

可选地，所述机载电池在非飞行阶段通过自身设置的充电接口进行充电，在飞行阶段接收来自所述光伏发电组件和/或所述氢燃料电池发电组件的在满足需求功率之外的额外电能并加以存储，得到所述机载电池的存储总能量为：

式中，E_L为机载电池储存的总电能；p_night为无人机夜间飞行需用总功率；T_night为夜间飞行总时长；η_L为机载电池的放电效率。

可选地，

所述无人机本体的机身四周对称设置有至少两个用于连接机翼与尾翼的支臂；

所述动力组件包括：旋翼、电驱动器以及固定件，所述旋翼通过所述固定件与所述电驱动器固定连接，所述电驱动器接收到一种或多种能源供应时带动所述旋翼一起转动而产生拉力；

所述电驱动器包括：用于给无人机提供拉升力的拉升电动机，所述拉升电动机的设置在两个所述支臂上呈四个对角的位置；用于给无人机提供前进推力的推动发动机，所述推动发动机设置在无人机机身的尾端；

所述旋翼包括：拉升用旋翼，所述拉升用旋翼套设在所述拉升电动机的转动端；推动用旋翼，所述推动用旋翼套设在所述推动发动机的转动端。

第二方面，本发明实施例提供一种混合动力无人机的动力控制方法，所述混合动力无人机包括机载电池、光伏发电组件以及氢燃料电池发电组件，所述方法包括：

获取无人机的当前飞行状态信息；

当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能；

当处于巡航阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能；

在所述光伏发电组件不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航；若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作；

当处于下降阶段时，存在所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件任意一种满足各自的可用条件时，执行下降工作；

其中，供电优先级依次为光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及机载电池；所述无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业。

可选地，

当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能包括：

判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

若所述机载电池满足第一可用条件，则采用所述机载电池进行供能；

若所述机载电池不满足第一可用条件，则判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件和所述机载电池同时进行供能；

若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

若所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用所述氢燃料电池发电组件和所述机载电池同时进行供能；

以及，当处于巡航阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能包括：

判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件供能；

若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

在所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件时，则采用所述氢燃料电池发电组件供能；

在所述氢燃料电池发电组件不满足第三可用条件时，判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

若此时满足第一可用条件则采用所述机载电池供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略；

其中，

第一可用条件为：所述机载电池的实时荷电状态≥25％；

第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥AM1.5；

第三可用条件为：所述氢燃料电池发电组件的氢气罐压强≥1.5pa。

可选地，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

对无人机进行重量平衡分析，得到以下重量平衡模型：

其中，m为无人机总质量，m_L为机载电池质量、m_SC为太阳能电池重量、m_FC为燃料电池质量、m₁为有效载荷以及m₂为机身质量，L为全机升力,ρ为空气密度，v为预设的飞行速度，C_L为全机升力系数。

可选地，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

依据无人机的起飞阶段发动机推力、阻力以及自身重力，确定所述起飞阶段的无人机的需求功率为：

依据无人机的巡航状态下发动机推力与阻力，确定所述巡航阶段的无人机的需求功率为：

依据无人机的下降状态下发动机推力、阻力以及自身重力，所述下降阶段的无人机的需求功率为：

以及，

依据机载电池的输出电压和电流，求解所述机载电池的输出功率为：P_L＝U_LI_L；

依据氢燃料电池发电组件的输出电压和电流，求解所述氢燃料电池发电组件的输出功率为：P_FC＝U_FCI_FC；

依据获取的光伏发电组件的太阳能电池阵列面积、光照强度、天气因素影响因数、太阳能电池转换效率以及翼型曲面引起的效率损失因数，求解所述光伏发电组件的输出功率为：P_SC＝A_SCIη₁η_scη₂；

其中，m为包含机载电池质量、太阳能电池重量、燃料电池质量、有效载荷以及机身质量的无人机总质量，C_D为全机阻力系数，C_L为全机升力系数，F₁为起飞阶段的发动机推力，v₁为起飞阶段的速度，F₂为巡航阶段的发动机推力，v₂为巡航阶段的速度，F₃为下降阶段的发动机推力，v₃为下降阶段的速度；U_L为机载电池的输出电压，I_L为机载电池的输出电流；A_sc为光伏发电组件的太阳能电池阵列面积，I为光照强度，η₁为天气因素影响因数，η_sc为太阳能电池转换效率，η₂为翼型曲面引起的效率损失因数；I_FC为氢燃料电池发电组件的输入电流，U_FC为氢燃料电池发电组件的输出电压。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明通过机载电池、氢燃料电池发电组件和光伏发电组件为无人机提供能量，基于能量管控策略在不同条件下实施相应的能量供给模式，极大地解决了无人机技术的续航时间短的难题，在精细地利用每一份动力能源的基础上，充分结合各个动力能源的优势，在不同时段或飞行状态调度相应能源供应，避免了因多能源的粗放式管理而造成的能源浪费。同时，本发明采用机翼和尾翼铺设结构太阳能电池组件光伏发电组件，具有获能面积大、节省结构质量等特点。此外，本发明可通过垂直方向的多个拉升用旋翼实现垂直升降，可实现在恶劣路面进行起飞任务，且可以通过垂直方向的四个拉升用旋翼实现滞空作业。

由此，本发明方案通过合理的硬件设计与策略控制在兼顾无人机的动力性与经济性的要求下实现了飞行滞空能力的极致续航。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种混合动力无人机的第一视角的结构示意图；

图2为本发明实施例提出的一种混合动力无人机的第二视角的结构示意图；

图3为本发明实施例提出的一种混合动力无人机的动力控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提出的一种混合动力无人机的动力控制方法的步骤S2的具体流程示意图。

图5为本发明实施例提出的一种混合动力无人机的能量管控策略示意图。

【附图标记说明】

10：能量控制器；

20：光伏发电组件；

30：氢燃料电池发电组件；31：储氢瓶；32：燃气加注口；

40：机载电池；41：机载电池的充电口；

50：动力组件；

60：起落架。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提出的一种混合动力无人机，包括：无人机本体以及设置在无人机本体上的动力组件50、机载电池40、光伏发电组件20、氢燃料电池发电组件30以及能量控制器10；机载电池40与动力组件50连接；光伏发电组件20分别与动力组件50和机载电池40连接，且光伏发电组件20阵列设置在无人机本体的机翼和/或尾翼上；氢燃料电池发电组件30分别与动力组件50和机载电池40连接；能量控制器10分别与动力组件50、机载电池40、光伏发电组件20以及氢燃料电池发电组件30连接，用于依据当前飞行状态和预先配置的能量管控策略在起飞阶段和巡航阶段调用光伏发电组件20、氢燃料电池发电组件30以及机载电池40之中的一种或者多种为动力组件50供能。同时依据当前的光伏发电组件20、氢燃料电池发电组件30以及机载电池40的状态信息来执行下降控制策略和/或返航控制策略判断。

其中，无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业

本发明通过机载电池40、氢燃料电池发电组件30和光伏发电组件20为无人机提供能量，基于能量管控策略在不同条件下实施相应的能量供给模式，极大地解决了无人机技术的续航时间短的难题，在精细地利用每一份动力能源的基础上，充分结合各个动力能源的优势，在不同时段或飞行状态调度相应能源供应，避免了因多能源的粗放式管理而造成的能源浪费。同时，本发明采用机翼和尾翼铺设结构太阳能电池组件光伏发电组件20，具有获能面积大、节省结构质量等特点。此外，本发明可通过垂直方向的多个拉升用旋翼实现垂直升降，可实现在恶劣路面进行起飞任务，且可以通过垂直方向的四个拉升用旋翼实现滞空作业。

由此，本发明方案通过合理的硬件设计与策略控制在兼顾无人机的动力性与经济性的要求下实现了飞行滞空能力的极致续航。

为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

进一步地，能量控制器10包括：

起飞控制模块，用于执行如下起飞控制策略：在起飞阶段若机载电

执行如下巡航控制策略：在巡航阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用机载电池40、光伏发电组件20、氢燃料电池发电组件30的之中的一种进行供能。

下降控制模块，用于执行如下下降控制策略：在下降阶段判断机载电池40、光伏发电组件20以及氢燃料电池发电组件30是否满足各自的可用条件，在存在至少一个满足可用条件时，执行下降工作。

返航控制模块，用于执行如下返航控制策略：在光伏发电组件20不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航，若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作。

较佳地，机载电池40是锂电池组，且能量控制器10是为通用的控制类芯片，包括：单片机、FPGA、CPLD以及DSP之中的任意一种。

更进一步地，起飞控制模块包括：

起飞第一判断单元，用于判断机载电池是否满足第一可用条件。

起飞第一供能判定单元，用于若机载电池满足第一可用条件，则采用机载电池进行供能。

起飞第二判断单元，用于若机载电池不满足第一可用条件，则判断光伏发电组件是否满足第二可用条件。

起飞第二供能判定单元，用于若光伏发电组件满足第二可用条件，则采用光伏发电组件和机载电池同时进行供能。

起飞第三判断单元，用于若光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件。

起飞第三供能判定模块，用于若氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用氢燃料电池发电组件和机载电池同时进行供能。

更进一步地，巡航控制模块包括：

巡航第一判断单元，用于判断光伏发电组件20是否满足第二可用条件。

巡航第一供能判定单元，用于若光伏发电组件20满足第二可用条件，则采用光伏发电组件20供能。

巡航第二判断单元，用于若光伏发电组件20不满足第二可用条件，则判断氢燃料电池发电组件30是否满足第三可用条件。

巡航第二供能判定单元，用于在氢燃料电池发电组件30满足第三可用条件时，则采用氢燃料电池发电组件30供能。

巡航第三判断单元，用于在氢燃料电池发电组件30不满足第三可用条件时，判断机载电池40是否满足第一可用条件。

巡航第三供能判定单元，用于若此时满足第一可用条件则采用机载电池40供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略。

其中，第一可用条件为：机载电池40的实时荷电状态≥25％。第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥AM1.5。第三可用条件为：氢燃料电池发电组件30的氢气罐压强≥1.5pa。

由此，参考图3可知各个飞行状态对应的管控策略为：

1、起飞阶段

1)soc≥25％，P_{take off}＝P_L＝U_LI_L；

2)I≥AM1.5，soc＜25％，P_{take off}＝P_L+P_sc＝U_LI_L+A_scIη₁η_scη₂；

3)I＜AM1.5，p≥1.5pasoc＜25％，P_takeoff＝P_LP_FC＝U_LI_L++U_FCI_FC。

起飞阶段当满足条件1)时，由机载电池单独供能；当满足条件2)时，由机载电池和太阳能电池阵共同供能；当满足条件3)时，由机载电池和燃料电池共同供能，SOC表示锂电池荷电状态。

2、巡航阶段

1)S≥AM1.5，P＜1.5pa，soc25％，P_cruise＝p_sc＝A_SCIη₁η_SCη₂；

2)S＜AM1.5，p≥1.5pa，soc＜25％，P_cruise＝P_FC＝V_FC·I_FC；

3)S＜AM1.5，p＜1.5pa，soc≥25％，P_cruise＝P_L＝U_LU_L；

巡航阶段的放电优先级：太阳能电池阵＞燃料电池＞锂电池，其判定流程为：

首先，判断太阳能电池阵输出功率是否可用，I≥AM1.5时太阳能电池输出，否则不输出。

当太阳能电池I＜AM1.5时，此时考虑氢燃料电池供能，当氢气罐压强p＞1.5pa时燃料电池正常工作(压强1.5pa(仅用于应急下降的氢气量)，认为氢气量足够燃料电池就是可用的)；

当太阳能电池I＜AM1.5时，氢气罐压强p＜1.5pa时燃料电池不工作，考虑锂电池当SOC＞25％锂电池正常供能，当电量到25％即只可用于下降应急使用的电量。若SOC<25％此时无人机必须紧急下降。

3、下降阶段

(1)S≥AM1.5，P＜1.5pa，soc＜25％，P_descent＝p_SCA_SCIη₁η_SCη_cbr；

(2)S＜AM1.5，p≥1.5pa，soc＜25％，P_descent＝P_FC＝V_FC·I_FC；

(3)S＜AM1.5，p＜1.5pa，soc≥25％，P_descent＝P_L＝U_L·I_L；

更近一步地，

起飞阶段的无人机的需求功率为：

巡航阶段的无人机的需求功率为：

下降阶段的无人机的需求功率为：

相应地，

机载电池40的输出功率为：P_L＝U_LI_L；

光伏发电组件20的输出功率为：P_SC＝A_SCIη₁η_scη₂；

氢燃料电池发电组件30的输出功率为：P_FC＝U_FCI_FC；

其中，m为包含机载电池40质量m_L、太阳能电池重量m_SC、燃料电池质量m_FC、有效载荷m₁以及机身质量m₂的无人机总质量，C_D为全机阻力系数，C_L为全机升力系数，F₁为起飞阶段的发动机推力，v₁为起飞阶段的速度，F₂为巡航阶段的发动机推力，v₂为巡航阶段的速度，F₃为下降阶段的发动机推力，v₃为下降阶段的速度；U_L为机载电池40的输出电压，I_L为机载电池40的输出电流；A_sc为光伏发电组件20的太阳能电池阵列面积，I为光照强度，η₁为天气因素影响因数，η_sc为太阳能电池转换效率，η₂翼型曲面引起的效率损失因数；I_FC为氢燃料电池发电组件30的输入电流，U_FC为氢燃料电池发电组件30的输出电压。

再者，机载电池40在非飞行阶段通过自身设置的充电接口进行充电，在飞行阶段接收来自光伏发电组件20和/或氢燃料电池发电组件30的在满足需求功率之外的额外电能并加以存储，得到机载电池40的存储总能量为：

式中，E_L为机载电池40储存的总电能；p_night为无人机夜间飞行需用总功率；T_night为夜间飞行总时长；η_L为机载电池40的放电效率。

而氢燃料电池发电组件30的总能量由气瓶所携带氢气总量确定。燃料电池系统剩余能量可由下式计算得到：

E_fc＝C_fe-∫P_fcdt

式中，C_fc为燃料电池初始总能量，p_fc为燃料电池输出功率。

参考图1和图2，无人机机身四周对称设置有至少两个用于连接机翼与尾翼的支臂，支臂的第一端自机翼朝向无人机机身的首端方向伸出。尾翼包括呈夹角设置的两侧翼片，支臂的第二端连接两侧翼片相远离的一端。因此，机翼与尾翼通过支臂连接到一起，所形成的整体机身结构稳定，稳定性强，其次，尾翼采用包含呈夹角设置的两侧翼片的V型尾翼，其实现了无人机在中低空复杂环境的稳定飞行时横行向稳定性和操纵性俱佳。较佳地，尾翼也可采用水平尾翼或双垂直尾翼，来实现控制和配平无人机的三维平面飞行。

进一步地，动力组件50包括：旋翼、电驱动器以及固定件，旋翼通过固定件与电驱动器固定连接，电驱动器接收到一种或多种能源供应时带动旋翼一起转动而产生拉力，实现无人机整剖面、全包线的长航时飞行。

更进一步地，电驱动器包括：拉升电动机，拉升电动机的设置在两个支臂上呈四个对角的位置，用于给无人机提供拉升力；推动发动机，推动发动机设置在无人机机身的尾端，用于给无人机提供前进推力。

相应地，旋翼包括：拉升用旋翼，拉升用旋翼套设在拉升电动机的转动端；推动用旋翼，推动用旋翼套设在推动发动机的转动端。较佳地，旋翼安装支架与机翼、尾翼、机身构成一体结构，增强无人机整体强度。

接着，氢燃料发电组件包括：设置在无人机机身下部的氢氢燃料电池发电组件30与储气瓶，氢燃料电池发电组件30的输入端通过燃料输送管道与储气瓶连接，氢燃料电池发电组件30输出端通过导线与机载电池40连接。储气瓶也设置有燃气加注口32，具体为储氢瓶31上有燃料加注支管延伸至外侧，能够通过燃料加注支管为储气瓶添加氢燃料。

以及，无人机机身底部固定有固定支架，氢燃料电池发电组件30、电动机、能量控制器10均通过螺丝固定在固定支架上，便于后期对其上的部件进行维护更换。无人机机身底部对称设置有起落架60，起落架60能够使该无人机平稳的停放在地面上，吸收着陆能量，减小撞击等功能消除下降时的共振。无人机机身的前侧面开设空气进气孔和后侧面开设空气出气孔，基于仿真和实验实现氢燃料电池系统的散热和热管理。

较佳地，无人机还可以和远处操作设备控制，如遥控设备；无人机的能量管控器通过导线与机载电池40电性连接，电动机、氢燃料电池发电组件30、光伏发电组件20分别通过导线与控制器电性连接，该控制器能够与外界的远程遥控配合使用，通过外界遥控向无人机主体发送信号，基于能量管控策略给电动机供电使电动机转动，电动机转动能够带动旋翼转动，通过四个旋翼同步转动，使无人机实现上升飞行。

在一具体实施例中，夜晚长航时巡航飞行时，采用高比能量的氢燃料电池系统供电；白天长航时任务飞行时，采用分布式太阳能机翼上的太阳能电池供电，剩余能量存在储能电池中；储能电池用于白天和夜晚飞行中的大电流和功率供电。高比能量的氢燃料电池、高比能量的机载电池40和无限发电的太阳能电池供电三种能源充分利用各自的优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞。

此外，本发明实施例还提供一种混合动力无人机的动力控制方法，如图3和图5所示，包括：

S1、获取无人机的当前飞行状态信息。

S2、当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用机载电池单独供能，或者采用光伏发电组件以及氢燃料电池发电组件之中的任意一种和机载电池进行组合供能。

S3、当处于巡航阶段时，在巡航阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用机载电池40、光伏发电组件20、氢燃料电池发电组件30之中的一种进行供能。其中，供电优先级依次为光伏发电组件20、氢燃料电池发电组件30以及机载电池40。

S4、在光伏发电组件20不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航；若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作。

S5、当处于下降阶段时，存在机载电池40、光伏发电组件20以及氢燃料电池发电组件30任意一种满足各自的可用条件时，执行下降工作。

进一步地，步骤S2包括：

当处于起飞阶段时，判断机载电池是否满足第一可用条件，若是满足则采用机载电池供能包括：

判断机载电池是否满足第一可用条件。

若机载电池满足第一可用条件，则采用机载电池进行供能；

若机载电池不满足第一可用条件，则判断光伏发电组件是否满足第二可用条件。

若光伏发电组件满足第二可用条件，则采用光伏发电组件和机载电池同时进行供能。

若光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件。

若氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用氢燃料电池发电组件和机载电池同时进行供能。

进一步地，如图4所示，步骤S3包括：

S31、判断光伏发电组件20是否满足第二可用条件。

S32a、若光伏发电组件20满足第二可用条件，则采用光伏发电组件20供能。

S32b、若光伏发电组件20不满足第二可用条件，则判断氢燃料电池发电组件30是否满足第三可用条件。

S33a、在氢燃料电池发电组件30满足第三可用条件时，则采用氢燃料电池发电组件30供能。

S33b、在氢燃料电池发电组件30不满足第三可用条件时，判断机载电池40是否满足第一可用条件。

S34、若此时满足第一可用条件则采用机载电池40供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略。

其中，

第一可用条件为：机载电池40的实时荷电状态≥25％；

第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥AM1.5；

第三可用条件为：氢燃料电池发电组件30的氢气罐压强≥1.5pa。

进而，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

对无人机进行重量平衡分析，得到以下重量平衡模型：

其中，m为无人机总质量，机载电池40质量m_L、太阳能电池重量m_SC、燃料电池质量m_FC、有效载荷m₁以及机身质量m₂，L为全机升力(N),ρ为空气密度(kg/m³)，取500m高空密度值1.1655kg/m³；v为设计飞行速度，C_L为全机升力系数，一般采用0.8。

继而，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

在起飞阶段，无人机起飞阶段发动机推力与阻力和自身重力的和相等，因此依据无人机的起飞阶段发动机推力、阻力以及自身重力，确定起飞阶段的无人机的需求功率为： D为上升状态空气阻力(N)，G是自身重力。

在巡航阶段，无人机巡航状态下发动机推力与阻力相等，依据无人机的巡航状态下发动机推力与阻力，确定巡航阶段的无人机的需求功率为：D₁为巡航状态空气阻力(N)。

依据无人机的下降状态下发动机推力、阻力以及自身重力，下降阶段的无人机的需求功率为：

以及，

依据机载电池40的输出电压和电流，求解机载电池40的输出功率为：P_L＝U_LI_L；

依据氢燃料电池发电组件30的输出电压和电流，求解氢燃料电池发电组件30的输出功率为：P_FC＝U_FCI_FC；

光伏发电组件20的输出功率为：P_SC＝A_SCIη₁η_scη₂。

上述式中，C_D为全机阻力系数，C_L为全机升力系数，F₁为起飞阶段的发动机推力，v₁为起飞阶段的速度，F₂为巡航阶段的发动机推力，v₂为巡航阶段的速度，F₃为下降阶段的发动机推力，v₃为下降阶段的速度；U_L为机载电池40的输出电压，I_L为机载电池40的输入电流；Asc为光伏发电组件20的太阳能电池阵列面积，I为光照强度，η₁为天气因素影响因数，η_sc为太阳能电池转换效率，η₂翼型曲面引起的效率损失因数；I_FC为氢燃料电池发电组件30的输入电流,U_FC为氢燃料电池发电组件30的输出电压。

综上所述，本发明提供一种混合动力无人机，其无人机包括：呈阵列设置的光伏发电组件20、氢燃料发电组件、能量管控器、机翼、尾翼以及起落架60。无人机通过机载电池40组为电动机进行供电，使电动机带动旋翼转动，进而实现无人机飞行，同时能够通过光伏发电组件20和氢燃料电池发电组件30为电池组充电，使无人机具备混合动力，有效的延长无人机的续航飞行时长机身身内部空间装载储能电池、氢燃料电池系统以及机载设备。

借助于上述结构，本发明通过将光伏发电组件20分布式设置在机翼与尾翼上，不仅能够节省结构质量，同时能够为混合动力无人机在光线满足发电条件下带来源源不断的能量。动力组件50由旋翼、电驱动器和固定件组成固定于无人机上，旋翼的根部与电驱动器进行紧固连接，接受到多种能源供应时带动旋翼一起转动而产生拉力，实现无人机整剖面、全包线的长航时飞行；由此，本发明通过合理调度机载电池40、氢燃料电池发电组件30和光伏发电组件20为无人机提供能量。

本发明兼顾了无人机的动力性、经济性从而实现了飞行滞空能力的极致续航。同时，无人机还能够通过机载电池40为电动机进行供电，使电动机带动旋翼转动，进而实现无人机飞行，同时能够通过光伏发电组件20和氢燃料电池发电组件30为电池组充电，使无人机具备混合动力，有效的延长无人机的续航飞行时长。

由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种混合动力无人机，其特征在于，包括：无人机本体以及设置在所述无人机本体上的动力组件、机载电池、光伏发电组件、氢燃料电池发电组件以及能量控制器；

所述机载电池与所述动力组件连接；

所述光伏发电组件分别与所述动力组件和所述机载电池连接，且所述光伏发电组件阵列设置在所述无人机本体的机翼和/或尾翼上；

所述氢燃料电池发电组件分别与所述动力组件和所述机载电池连接；

所述能量控制器分别与所述动力组件、所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件连接，用于依据当前飞行状态和预先配置的能量管控策略在起飞阶段和巡航阶段调用所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及所述机载电池之中的一种或者多种为所述动力组件供能，同时依据当前的所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及所述机载电池的状态信息来执行下降控制策略和/或返航控制策略判断；

所述能量控制器包括：

起飞控制模块，用于执行如下起飞控制策略：在起飞阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能；

巡航控制模块，用于执行如下巡航控制策略：在巡航阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能；

下降控制模块，用于执行如下下降控制策略：在下降阶段判断所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件是否满足各自的可用条件，在存在至少一个满足可用条件时，执行下降工作；

返航控制模块，用于执行如下返航控制策略：在所述光伏发电组件不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航，若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作；

所述起飞控制模块包括：

起飞第一判断单元，用于判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

起飞第一供能判定单元，用于若所述机载电池满足第一可用条件，则采用所述机载电池进行供能；

起飞第二判断单元，用于若所述机载电池不满足第一可用条件，则判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

起飞第二供能判定单元，用于若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件和所述机载电池同时进行供能；

起飞第三判断单元，用于若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

起飞第三供能判定模块，用于若所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用所述氢燃料电池发电组件和所述机载电池同时进行供能；

所述巡航控制模块包括：

巡航第一判断单元，用于判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

巡航第一供能判定单元，用于若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件供能；

巡航第二判断单元，用于若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

巡航第二供能判定单元，用于在所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件时，则采用所述氢燃料电池发电组件供能；

巡航第三判断单元，用于在所述氢燃料电池发电组件不满足第三可用条件时，判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

巡航第三供能判定单元，用于若此时满足第一可用条件则采用所述机载电池供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略；

其中，

第一可用条件为：所述机载电池的实时荷电状态≥25％；

第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥AM1.5；

第三可用条件为：所述氢燃料电池发电组件的氢气罐压强≥1.5pa；

所述无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业。

2.如权利要求1所述的一种混合动力无人机，其特征在于，

所述起飞阶段的无人机的需求功率为：

所述巡航阶段的无人机的需求功率为：

所述下降阶段的无人机的需求功率为：

相应地，

所述机载电池的输出功率为：P_L＝U_LI_L；

所述光伏发电组件的输出功率为：P_SC＝A_SCIη₁η_scη₂；

所述氢燃料电池发电组件的输出功率为：P_FC＝U_FCI_FC；

其中，m为包含机载电池质量、太阳能电池重量、燃料电池质量、有效载荷以及机身质量的无人机总质量，C_D为全机阻力系数，C_L为全机升力系数，F₁为起飞阶段的发动机推力，v₁为起飞阶段的速度，F₂为巡航阶段的发动机推力，v₂为巡航阶段的速度，F₃为下降阶段的发动机推力，v₃为下降阶段的速度；U_L为机载电池的输出电压，I_L为机载电池的输出电流；A_sc为光伏发电组件的太阳能电池阵列面积，I为光照强度，η₁为天气因素影响因数，η_sc为太阳能电池转换效率，η₂为翼型曲面引起的效率损失因数；I_FC为氢燃料电池发电组件的输入电流，U_FC为氢燃料电池发电组件的输出电压。

3.如权利要求1所述的一种混合动力无人机，其特征在于，所述机载电池在非飞行阶段通过自身设置的充电接口进行充电，在飞行阶段接收来自所述光伏发电组件和/或所述氢燃料电池发电组件的在满足需求功率之外的额外电能并加以存储，得到所述机载电池的存储总能量为：

式中，E_L为机载电池储存的总电能；p_night为无人机夜间飞行需用总功率；T_night为夜间飞行总时长；η_L为机载电池的放电效率。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种混合动力无人机，其特征在于，

所述无人机本体的机身四周对称设置有至少两个用于连接机翼与尾翼的支臂；

所述动力组件包括：旋翼、电驱动器以及固定件，所述旋翼通过所述固定件与所述电驱动器固定连接，所述电驱动器接收到一种或多种能源供应时带动所述旋翼一起转动而产生拉力；

所述电驱动器包括：用于给无人机提供拉升力的拉升电动机，所述拉升电动机设置在两个所述支臂上呈四个对角的位置；用于给无人机提供前进推力的推动发动机，所述推动发动机设置在无人机机身的尾端；

所述旋翼包括：拉升用旋翼，所述拉升用旋翼套设在所述拉升电动机的转动端；推动用旋翼，所述推动用旋翼套设在所述推动发动机的转动端。

5.一种混合动力无人机的动力控制方法，所述混合动力无人机包括机载电池、光伏发电组件以及氢燃料电池发电组件，其特征在于，所述方法包括：

获取无人机的当前飞行状态信息；

当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能；

当处于巡航阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能；

在所述光伏发电组件不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航；若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作；

当处于下降阶段时，存在所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件任意一种满足各自的可用条件时，执行下降工作；

当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能包括：

判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

若所述机载电池满足第一可用条件，则采用所述机载电池进行供能；

若所述机载电池不满足第一可用条件，则判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件和所述机载电池同时进行供能；

若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

若所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用所述氢燃料电池发电组件和所述机载电池同时进行供能；

以及，当处于巡航阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能包括：

判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件供能；

若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

在所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件时，则采用所述氢燃料电池发电组件供能；

在所述氢燃料电池发电组件不满足第三可用条件时，判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

若此时满足第一可用条件则采用所述机载电池供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略；

其中，

第一可用条件为：所述机载电池的实时荷电状态≥25％；

第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥AM1.5；

第三可用条件为：所述氢燃料电池发电组件的氢气罐压强≥1.5pa；

供电优先级依次为光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及机载电池；所述无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业。

6.如权利要求5所述的一种混合动力无人机的动力控制方法，其特征在于，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

对无人机进行重量平衡分析，得到以下重量平衡模型：

其中，m为无人机总质量，m_L为机载电池质量、m_SC为太阳能电池重量、m_FC为燃料电池质量、m₁为有效载荷以及m₂为机身质量，L为全机升力,ρ为空气密度，v为预设的飞行速度，C_L为全机升力系数。

7.如权利要求6所述的一种混合动力无人机的动力控制方法，其特征在于，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

依据无人机的起飞阶段发动机推力、阻力以及自身重力，确定所述起飞阶段的无人机的需求功率为：

依据无人机的巡航状态下发动机推力与阻力，确定所述巡航阶段的无人机的需求功率为：

依据无人机的下降状态下发动机推力、阻力以及自身重力，所述下降阶段的无人机的需求功率为：

以及，

依据机载电池的输出电压和电流，求解所述机载电池的输出功率为：P_L＝U_LI_L；

依据氢燃料电池发电组件的输出电压和电流，求解所述氢燃料电池发电组件的输出功率为：P_FC＝U_FCI_FC；

依据获取的光伏发电组件的太阳能电池阵列面积、光照强度、天气因素影响因数、太阳能电池转换效率以及翼型曲面引起的效率损失因数，求解所述光伏发电组件的输出功率为：P_SC＝A_SCIη₁η_scη₂；

其中，m为包含机载电池质量、太阳能电池重量、燃料电池质量、有效载荷以及机身质量的无人机总质量，C_D为全机阻力系数，C_L为全机升力系数，F₁为起飞阶段的发动机推力，v₁为起飞阶段的速度，F₂为巡航阶段的发动机推力，v₂为巡航阶段的速度，F₃为下降阶段的发动机推力，v₃为下降阶段的速度；U_L为机载电池的输出电压，I_L为机载电池的输出电流；A_sc为光伏发电组件的太阳能电池阵列面积，I为光照强度，η₁为天气因素影响因数，η_sc为太阳能电池转换效率，η₂为翼型曲面引起的效率损失因数；I_FC为氢燃料电池发电组件的输入电流，U_FC为氢燃料电池发电组件的输出电压。