一種串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛行器，特別是一種串聯(lián)式油電混合動力的無人飛行器。
【背景技術】
[0002]近年，無刷電動無人機因其良好的機動性、靈活性和便捷性得到了廣泛的使用。大多數(shù)多旋翼飛行器由電池、電動機、電子調速器、飛行控制器四個主要部件組成。
[0003]目前絕大部分無刷電動無人機利用高分子鋰電池提供能源。被電池的能量密度所限，無人機的續(xù)航時間大多被限制在30分鐘以內。增加電池的掛載量并本能有效提高續(xù)航時間，因為更多的電池增加了起飛重量，從而要求電動機以更高的輸出來滯空，所以難以實現(xiàn)更長續(xù)航時間。
[0004]目前有兩種已知方案可以有效延長無人的續(xù)航時間，四種方法都可將無人機的續(xù)航時間提升到30分鐘以上，但是也各有缺點:第一種是以專利CN10251471 1 A和CN204473131 U為代表的并聯(lián)式油電混合動力方案;此方案利用燃油機和電動機分別帶動不同的旋槳，以燃油機為動力輸出主體，電動機為動力輸出輔助來實現(xiàn)延長續(xù)航時間；因為利用了燃油機對旋翼的直接輸出，此方案對旋槳布局和機體結構有特殊要求，所以在設計時難免要在氣動布局和結構布局的優(yōu)化上做必要的取舍;第二種是以一家德國公司Yeair的設計為代表的并聯(lián)式油電混合動力方案，與第一種方案不同之處在于其利用燃油發(fā)動機和電動機帶動同一個旋槳，即每一個旋槳配備兩個動力來源;這種方案雖然對續(xù)航有一定的提升，但是多個微型化的燃油發(fā)動機勢必會降低發(fā)動機的綜合熱效率和提高故障機率。第三種是一家美國公司Gen era tor Smart設計的適用于Walkera無人機的增程器；GeneratorSmart利用微型硝基發(fā)動機以極高的固定轉速帶動發(fā)電機。硝基發(fā)動機雖然有較高的功率重量比，但是燃燒效率較低;而且因為使用硝基甲烷作為燃料，使用成本遠遠高于汽油機。固定速度的運轉模式雖然可以達到增程目的，但是不能算作是真正意義上的混個動力，混合動力要求發(fā)動機可以對輸出和電量的變化做出油門調節(jié)。第四種方法是應用燃料電池來取代鋰電池為飛行器供能。燃料電池雖然有著很大的能量密度，但是現(xiàn)有技術的功率重量比遠低于微型內燃機而且其成本高昂，所以現(xiàn)有技術在無飛行器上的應用存在重重困難。
[0005]因此設計一款能夠突破電池能量密度低的瓶頸，大幅延長無人機的續(xù)航時間，同時克服上述現(xiàn)有技術方案的制約條件是本領域亟需解決的一個技術問題。

【發(fā)明內容】

[0006]為克服上述同類技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種油電混合無人飛行器，可以大幅延長由于電池能量密度所限制的飛行時間。
[0007]實施本發(fā)明所采用的技術方案是:
一種串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，包括機體、多個電動機和多個旋槳，還包括: 燃油發(fā)動機，用于提供動能； 交流發(fā)電機，用于將燃油發(fā)動機的動能轉化為交流電；
整流器，用于將交流發(fā)電機的交流電能轉化為直流電；
電池組，用于儲存交流發(fā)電機或外部的電能且為多個電動機提供電能；
油門伺服，用于調節(jié)燃油發(fā)動機進氣閥門角度，控制燃油發(fā)動機轉速；
包括控制電路，所述控制電路包括:
a、油門控制器，用于為油門控制伺服提供脈沖信號；
b、轉速誤差模塊，用于為油門控制器提供脈沖信號；
C、轉速PID控制器，用于設定轉速并為轉速誤差模塊提供脈沖信號；
d、電壓誤差模塊，用于為轉速PID控制器提供脈沖信號；
e、電壓換算模塊，用于設置飛行器運行電壓并為電壓誤差模塊提供輸入信號；
所述電壓誤差模塊的輸入信號還包括電池組的電壓信號；
所述轉速誤差模塊的輸入信號還包括交流發(fā)電機的反饋信號和發(fā)動機的轉速信號；
所述控制電路實時檢測電池組的電量和充放電狀態(tài)，并閉路控制所述燃油發(fā)動機的轉速，從而控制電池組的電量。
[0008]優(yōu)選地，所述整流器為包括多個N型金屬氧化物半導體場效應晶體管NMOSFET的同步整流器。
[0009]優(yōu)選地，所述燃油發(fā)動機為兩沖程汽油發(fā)動機，驅動或通過變速器驅動所述交流發(fā)電機。
[0010]優(yōu)選地，所述燃油發(fā)動機為轉子發(fā)動機;所述轉子發(fā)動機直接帶動或通過變速器間接帶動所述交流發(fā)電機。
[0011 ] 優(yōu)選地，本發(fā)明還包括啟動器，用于多個電動機平穩(wěn)啟動以及軟停車、制動、過載保護。
[0012]本發(fā)明的有益效果是，所需能源來源于燃油轉化成的電能，續(xù)航能力強，和全電力驅動相比，對機體的結構的無特別要求。電池組能起到緩沖作用，彌補交流發(fā)電機的輸出相對于無人機實時載荷相對誤差，控制電路實時調節(jié)發(fā)動機轉速，使飛行器運行平穩(wěn)，同時保持電池組的電量相對穩(wěn)定。應用于遠程的管線巡線、電力巡線，高密度起降的小型包裹速遞、急救、救災工作，大面積的植保作業(yè)，長時間的無人滯空攝影，空中監(jiān)視，應急現(xiàn)場信息反饋等等。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明多旋翼機身實施例結構示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明固定翼機身實施例結構示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的實施例中同步整流器示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的實施例中控制電路的原理圖。
[0017]圖5是本發(fā)明的實施例中供能單元的組裝示意圖。
[0018]圖6是本發(fā)明的實施例的總裝示意圖之一。
[0019]圖7是本發(fā)明的實施例的總裝示意圖之二。
【具體實施方式】
[0020]根據(jù)圖1至圖7，對本發(fā)明【具體實施方式】進行詳細的敘述。
[0021]參見圖1、圖3，本發(fā)明包括八軸機體10、供能系統(tǒng)9、飛行控制系統(tǒng)13、電子調速器
8、八個電動機11和八個旋槳12。供能系統(tǒng)9包括二沖程燃油發(fā)動機1、三相交流發(fā)電機2、整流器3(三相橋式同步整流器)、電池組4、控制電路5和啟動器6、油門伺服7。油門伺服7根據(jù)油門控制器103的脈沖信號來調節(jié)燃油發(fā)動機I進氣閥門角度，從而控制燃油發(fā)動機I轉速。
[0022]參見圖4，控制電路5主要包括油門控制器103、轉速誤差模塊104、轉速PID控制器112、電壓誤差模塊111、電壓換算模塊110。油門控制器103的脈沖信號寬度由轉速誤差模塊104依據(jù)轉速誤差計算產(chǎn)生;轉速誤差模塊104的輸出由轉速PID控制器112計算生成，其輸入是燃油發(fā)動機I的實時轉速和由轉速PID控制器112產(chǎn)生的設定轉速;轉速PID控制器112的設置轉速由控制程序111計算生成；電壓誤差模塊111的輸出由轉速PID控制器112生成，其輸入是電池組4的電壓和電壓換算模塊110設置的系統(tǒng)運行電壓;系統(tǒng)運行電壓為在運行過程中，燃油發(fā)動機和交流發(fā)電機的為保證穩(wěn)定輸出而設置的控制參照電壓。運行電壓一般為低于電池組最高電壓O到2.5伏；電池組4的電壓受到電流輸出113和整流器3輸出的影響。當輸出電流大于整流器輸出時，電池處于放電狀態(tài)，當輸出電流小于整流器輸出時，電池組4處于充電狀態(tài)。整流器3的輸入為交流發(fā)電機2的電流和電壓輸出;整流器3實時根據(jù)三相電壓的變化來改變N型金屬氧化物半導體場效應晶體管(NMOSFET)的導電狀態(tài)；由于金氧半場效晶體管可有極低的導流電阻，所以在整流效率上會高于傳統(tǒng)二極管整流器;發(fā)電機的電流輸出受電池組的電壓和發(fā)動機的輸出功率影響。
[0023]參見圖4，電壓換算模塊110由運轉電量109提供信號，電池組4輸入信號還包括初始電量108的信號和輸出電流113的信號。
[0024]以下列舉本實施主要部件所采用的電路原理或結構或具體型號和參數(shù):
機體1，大疆筋斗云S1000機體；對稱電機軸距:1045mm ；轉軸數(shù)量:8 ;中心架直徑:37.5mm;中心架總重量:1330g；機體結構材料:碳纖維；電動機KV值:400rpm/V;電動機最大功率:500W;電子調速器工作電流:40A;電子調速器工作電壓:6S鋰電池(22.2V);旋翼材料:高強度工程所料;旋翼尺寸:15 X 5.2英寸;旋翼重量:13g;整機重量:4.2kg;懸停功耗:1500W(9.5kg 起飛重量)。
[0025]燃油發(fā)動機1，DLE30兩沖程汽油發(fā)動機；3.7 HP/ 8500 rpm/ 2.76 kW;怠速:1600 rpm;排量:30.5 cc;潤滑比:30:1;重量:主機重910 g，總重1090 g。
[0026]交流發(fā)電機2,Scorp1nHKII1-5020-450KV;KV值:450rpm/V;總量:501g;極限功率:53201;(58);極限電流:12(^(58);最大持續(xù)功率:37701;最大持續(xù)電流:85八；
電池組4，DLG 20C 6S 3000mAh LiPo Battery;最大持續(xù)放電電流:60A;持續(xù)充電電流:3A;峰值放點電流:120A;最高電壓:25.2V;最低電壓:18V;重量:416g。
[0027]整流器3，電路原理參見附圖3。
[0028]控制電路5，原理圖參見附圖4，混合動力系統(tǒng)電路中，工作電壓:20-25V;控制芯片:ATmega3280
[0029]啟動器6，EME30-35cc電動啟動器;最大電流:60A;輸入電壓:7.4 - 15V;重量:560go
[0030]油門伺服7，Hitec HS 5645MG;重量:60g;輸入電壓:4.8_6V;控制脈沖:1100 -1900us;準確度:1usec。
[0031]組裝結構件及油箱，3D打印。
【主權項】
1.一種串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，包括機體、多個電動機和多個旋槳，其特征在于，還包括: 燃油發(fā)動機，用于提供動能； 交流發(fā)電機，用于將燃油發(fā)動機的動能轉化為交流電； 整流器，用于將交流發(fā)電機的交流電能轉化為直流電； 電池組，用于儲存或提供電能； 油門伺服，用于調節(jié)燃油發(fā)動機進氣閥門角度，控制燃油發(fā)動機轉速； 控制電路，所述控制電路包括: a、油門控制器，用于為油門控制伺服提供脈沖信號； b、轉速誤差模塊，用于為油門控制器提供脈沖信號； C、轉速PID控制器，用于設定轉速并為轉速誤差模塊提供脈沖信號； d、電壓誤差模塊，用于為轉速PID控制器提供脈沖信號； e、電壓換算模塊，用于設置飛行器運行電壓并為電壓誤差模塊提供輸入信號； 所述電壓誤差模塊的輸入信號還包括電池組的電壓信號； 所述轉速誤差模塊的輸入信號還包括交流發(fā)電機的反饋信號和發(fā)動機的轉速信號； 所述控制電路實時檢測電池組的電量和充放電狀態(tài)，并閉路控制所述燃油發(fā)動機的轉速，從而控制電池組的電量。2.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，其特征在于，所述整流器為包括多個N型金屬氧化物半導體場效應晶體管NMOSFET的同步整流器。3.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，其特征在于，所述燃油發(fā)動機為兩沖程汽油發(fā)動機，驅動或通過變速器驅動所述交流發(fā)電機。4.根據(jù)權利要求1或3所述的串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，其特征在于，所述燃油發(fā)動機為轉子發(fā)動機;所述轉子發(fā)動機直接帶動或通過變速器間接帶動所述交流發(fā)電機。5.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，其特征在于，還包括啟動器，用于多個電動機平穩(wěn)啟動以及軟停車、制動、過載保護。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種串聯(lián)式油電混合動力無人飛行器，它包括機體、多個電動機和多個旋槳，還包括燃油發(fā)動機、交流發(fā)電機、整流器、電池組、油門伺服、控制電路，所述控制電路實時檢測電池組的電量和充放電狀態(tài)，并閉路控制所述燃油發(fā)動機的轉速，從而控制電池組的電量。本發(fā)明續(xù)航能力強，飛行平穩(wěn)，可應用于遠程的管線巡線、電力巡線，高密度起降的小型包裹速遞、急救、救災工作，大面積的植保作業(yè)，長時間的無人滯空攝影，空中監(jiān)視，應急現(xiàn)場信息反饋等。
【IPC分類】B64D27/04, B64C27/12, B64D31/00, B64C27/08, B64D27/24
【公開號】CN105711826
【申請?zhí)枴緾N201610193877
【發(fā)明人】陳萌
【申請人】陳萌