一種混合動力的無人機的制作方法
【專利摘要】本實用新型適用于遙控機器人技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種混合動力的無人機，該無人機包括飛行裝置、遙控裝置、燃料發(fā)動機、同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱及同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳，所述飛行裝置通過無線通信連接所述飛行裝置，所述燃料發(fā)動機設(shè)于所述飛行裝置的頂面中心點，所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱設(shè)于所述燃料發(fā)動機上，所述燃料發(fā)動機的極軸置于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)與所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)的齒輪連接，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱上，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸分別連接所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)齒輪，所述燃料發(fā)動機的發(fā)電機輸出端連接所述供電裝置。結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維護(hù)方便，成本低廉。
【專利說明】
一種混合動力的無人機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型屬于遙控機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種混合動力的無人機?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]安全、綠色、環(huán)保是我國非常關(guān)注的奮斗目標(biāo)。
[0003]我國林業(yè)用地面積為26329.5萬公頃，森林面積15894.1萬公頃；2005年世界森林面積約為39.5億hm2，占陸地面積的30.3%
[0004]但因(1)燒荒;(2)煉山造林;(3)燒灰積肥;(4)燒田埂;(5)燒秸桿;(6)林區(qū)內(nèi)吸煙、亂丟煙蒂;(7)林區(qū)內(nèi)野炊、燒烤；(8)林區(qū)內(nèi)上墳燒紙、燒香點燭、燃放鞭炮;(9)林區(qū)內(nèi)使用槍械狩獵;(10)進(jìn)入林區(qū)的汽車漏火、噴火;(11)旅客和司乘人員亂丟煙蒂火種;(12)機械跑火;(13)雷擊起火等以上人為用火行為和自然災(zāi)害都會引發(fā)森林火災(zāi)。⑴森林火災(zāi)不僅能燒死許多樹本， 降低林分密度，破壞森林結(jié)構(gòu)；同時還引起樹種演替，向低價值的樹種、灌叢、雜草更替，降低森林利用價值。⑵由于森林燒毀，造成林地裸露，失去森林涵養(yǎng)水源和保持水土的作用， 將引起水澇、干旱、山洪、泥石流、滑坡、風(fēng)沙等其他自然災(zāi)害發(fā)生。⑶被火燒傷的林木，生長衰退，為森林病蟲害的大量衍生提供了有利環(huán)境，加速了林木的死亡。森林火災(zāi)后，促使森林環(huán)境發(fā)生急劇變化，使天氣、水域和土壤等森林生態(tài)受到干擾，失去平衡，往往需要幾十年或上百年才能得到恢復(fù)。⑷森林火災(zāi)能燒毀林區(qū)各種生產(chǎn)設(shè)施和建筑物，威脅森林附近的村鎮(zhèn)，危及林區(qū)人民生命財產(chǎn)的安全，同時森林火災(zāi)能燒死并驅(qū)走珍貴的禽獸。森林火災(zāi)發(fā)生時還會產(chǎn)生大量煙霧，污染空氣環(huán)境。此外，撲救森林火災(zāi)要消耗大量的人力、物力和財力，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。有時還造成人身傷亡，影響社會的安定。為了有效預(yù)防和撲救森林火災(zāi)，人們很是辛苦。一、組織落實，建立機構(gòu)。建立以領(lǐng)導(dǎo)帶頭的各級龐大的領(lǐng)導(dǎo)小組。 二、分片負(fù)責(zé)，明確任務(wù)三、落實撲救隊伍，備足撲救器械四、撲火預(yù)案，搶險措施。各級24 小時值班。這么復(fù)雜的工作，我們可以利用本項目的無人機來輕松解決。如發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，不用動員幾萬名群眾翻山越嶺跑個幾小時，利用原始工具撲火，甚至沒辦法滅火，只能眼睜睜看大火把一個個山頭全部燒掉。就用吊滅火劑的多旋翼無人機，每小時90公里，幾分鐘飛到， 在山火還是小苗頭下，直接在1米高度頂部投放100斤以上的滅火劑彈，一下子把100平方全部撲滅。
[0005]沈陽皇朝萬鑫起火，消防設(shè)備只能達(dá)到10層，10層到20層只能眼睜睜的看著燃燒， 難道建這樣的大高樓時沒人想到這個問題?又如，11.15上海膠州路高層大火，面對大火消防員束手無策，高層建筑火災(zāi)是全世界消防滅火隊伍最為頭疼的三大難題之一。我國城市建設(shè)發(fā)展太快，高樓越來越多，但消防能力不能與城市建設(shè)規(guī)模達(dá)到同樣水平。如能用吊滅火劑或免火彈的無人機，對火投放100斤以上的滅火劑彈，一下子把上百平方的火全部撲滅。
[0006]中國科學(xué)院已初步探明中國西北干旱氣候的成因主要是海陸分布的作用和青藏高原的隆升。龐大的人口對糧食需求量巨大，一旦發(fā)生干旱，糧食大面積減產(chǎn)，糧食安全受到極大威脅，產(chǎn)生的社會后果不堪設(shè)想;故糧食是國家經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的基礎(chǔ)。人工降雨是一種對抗干旱的有效方法。其方法有四種，降溫，結(jié)晶劑，吸濕劑和水霧。其基本方法，是根據(jù)云的性質(zhì)，分別向云體內(nèi)播撒制冷劑(如干冰、丙烷等)、結(jié)晶劑(如碘化銀、碘化鉛、間苯三酚、四聚乙醛、硫化亞鐵等)、吸濕劑(如食鹽、尿素、氯化鈣)和水霧等，以改變云滴的大小、分布和性質(zhì)，改變或加速其生長過程，達(dá)到降水或消云的目的。云是由水汽凝結(jié)而成；而云的厚度以及高度通常由云中水汽含量的多寡以及凝結(jié)核的數(shù)量、云內(nèi)的溫度所決定。一般來說，云中的水汽膠性狀態(tài)比較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生降水，而人工增雨就是要破壞這種膠性穩(wěn)定狀態(tài)。通常的人工降雨就是通過一定的手段在云霧厚度比較大的中低云系中播散催化劑(碘化銀)從而達(dá)到降雨目的。一是增加云中的凝結(jié)核數(shù)量，有利水汽粒子的碰并增大;二是改變云中的溫度，有利擾動并產(chǎn)生對流。而云中的擾動及對流的產(chǎn)生，將更加有利于水汽的碰并增大，當(dāng)空氣中的上升氣流承受不住水汽粒子的飄浮時，便產(chǎn)生了降雨。人工降雨是用飛機、火箭和火炮在冷云中撒下干冰、碘化銀、碘化鋁、硫化銅、間苯三酚和尿素等，或用飛機在暖云中播撒食鹽、氯化鈣、硝酸銨等吸濕性物質(zhì)或樟腦、矽膠等表面活性物質(zhì)，從而達(dá)成降雨的目的。本飛行裝置可以吊起制冷劑、結(jié)晶劑、吸濕劑等在云中噴灑，因其氣強微米級噴嘴和飛機本身氣流，達(dá)到最好的降雨效果。
[0007]我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物病蟲害的防治、施肥任重而道遠(yuǎn)，往往像水稻等類似的農(nóng)藥噴灑一直都是人力有所不及。多旋翼飛行器因其安全性和易用性、檢查維護(hù)簡單、起降條件很低，只要十平方米大的平地就夠了，操縱簡單，一個人只需半天就學(xué)會，穩(wěn)定飛行等特性，攜帶藥液、葉面肥進(jìn)行低空噴灑(比農(nóng)作物高2米)，也可進(jìn)行水稻、牧草、造林等飛播作業(yè)。也就是說對液體、粉劑、固體都可投放，還可以輔助授粉，甚至攜帶病蟲色譜攝影設(shè)備對大面積植被進(jìn)行病蟲害監(jiān)測和預(yù)警。因帶獨特噴頭設(shè)計的多旋翼無人機有以下突出優(yōu)點:便攜，投放準(zhǔn)確(比無人直升機更容易控制高度、速度、旋翼強大氣流、噴灑更均勻全覆蓋)、超低空作業(yè)、作業(yè)質(zhì)量好、無噪音、節(jié)約勞動力(相比人工提高功效1〇〇到500倍)，利用旋翼強大氣流作用于作物根部，而且促使作物葉片擺動，使得正反面均可著藥，大大提高施藥效果，穿透性好，提高農(nóng)藥利用率100倍以上，節(jié)約農(nóng)藥十分之九以上，對人員安全性好， 是實現(xiàn)統(tǒng)防統(tǒng)治和實施綠色植保，公共植保，創(chuàng)建人和環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)田間管理現(xiàn)存問題的重大突破，并順應(yīng)當(dāng)前農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)的不斷加速，從個人土地向規(guī)?；I(yè)化經(jīng)營轉(zhuǎn)變、農(nóng)村勞動力減小等社會主流。中國有水稻4.5億畝，一架飛機的防治面積為1000畝/蟲季，那么需要45萬架農(nóng)用無人機，到2025年將超過30萬架，超過500億元市場銷售額。但為何多旋翼植保機或農(nóng)藥噴灑無人機現(xiàn)在不能大規(guī)模推廣，農(nóng)民一提到它就皺眉頭，根本缺陷就是現(xiàn)有行業(yè)產(chǎn)品載重藥水在5公斤到10多公斤，遠(yuǎn)不能滿足實際大容量的 50公斤以上的需求。本機就能解決這個難題。
[0008]無人機送貨在關(guān)鍵時刻，它的作用遠(yuǎn)超過它的顧慮，如應(yīng)急搶險、救援物流，比方說一些搶救藥品，比較偏僻的地方，比方說中西部地區(qū)車輛壞了或路不通，如果用其他方式不方便的話，用無人機去送。而且物流由城市反攻農(nóng)村是大勢所趨，怪不得現(xiàn)在無人機物流快遞風(fēng)風(fēng)火火，但它的發(fā)展需要解決很多技術(shù)、法律、社會問題，但載重量不大、飛行時間短是它的最大問題。其他領(lǐng)域要廣泛使用無人機也有這個類似瓶頸，如消防(也可投送救生圈、滅火材料、救援)、軍事(偵查、武器、物資)等。
[0009]無人機在測繪、地質(zhì)勘探、輸油輸氣管道巡檢、公安、邊防巡檢、環(huán)保巡檢等監(jiān)測、 巡視工作，都要求飛機時間越長越好，載重能力越大越好；
[0010]而且在本產(chǎn)品坐上人或綁吊人，就可以在確保安全的前提下，實現(xiàn)載人飛行，這在小型無人機上是一次創(chuàng)新的飛躍。【實用新型內(nèi)容】
[0011]本實用新型的目的在于提供一種混合動力的無人機，旨在解決上述的技術(shù)問題。
[0012]本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種混合動力的無人機，該無人機包括飛行裝置、遙控裝置、燃料發(fā)動機、同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱及同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳，所述飛行裝置通過無線通信連接所述飛行裝置，所述燃料發(fā)動機設(shè)于所述飛行裝置的頂面中心點，所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱設(shè)于所述燃料發(fā)動機上，所述燃料發(fā)動機的極軸置于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)與所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)的齒輪連接，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱上，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸分別連接所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)齒輪，所述燃料發(fā)動機的發(fā)電機輸出端連接所述供電裝置。
[0013]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:該無人機還包括裝液體或固體的容器，所述容器與所述飛行裝置的底面連接。
[0014]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述飛行裝置包括無人機機架、電氣控制系統(tǒng)及若干動力裝置，所述電氣控制系統(tǒng)設(shè)于無人機機架上，若干所述動力裝置分別設(shè)于所述機架的四周，兩個相對的動力裝置呈中心點對稱。
[0015]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述動力裝置包括連接桿、螺旋槳及燃料發(fā)動機或電機，所述連接桿的一端連接所述無人機機架，所述連接桿的另一端內(nèi)設(shè)有燃料發(fā)動機或電機，所述燃料發(fā)動機或電機的極軸上設(shè)有螺旋槳，所述螺旋槳與所述連接桿平行。
[0016]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述電氣控制系統(tǒng)包括中央處理器、供電裝置、 遙控器接收模塊、陀螺儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及若干電子調(diào)速器或通道，所述中央處理器的輸入端分別連接所述遙控器接收模塊的輸出端、陀螺儀的輸出端及衛(wèi)星定位系統(tǒng)輸出端;若干所述電子調(diào)速器或通道的一端分別連接所述中央處理器的輸出端，每條所述電子調(diào)速器或通道的另一端連接一個所述動力裝置內(nèi)的燃料發(fā)動機或電機，所述電子調(diào)速器或通道與所述燃料發(fā)動機或電機一一對應(yīng)，所述中央處理器的輸出端通過電子調(diào)速器或通道連接燃料發(fā)動機或電機的動力控制端，所述供電裝置分別電性連接所述中央處理器、遙控器接收模塊、陀螺儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及若干電子調(diào)速器或通道，在其中一條中心點對稱的動力裝置的連接桿的另一端分別連接有相同的加長連桿，兩根所述加長連桿的前端分別安裝有燃料發(fā)動機或電機，所述燃料發(fā)動機或電機的極軸上裝有垂直螺旋槳，所述垂直螺旋槳與所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳垂直設(shè)置。
[0017]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述中央處理器根據(jù)陀螺儀和衛(wèi)星定位系統(tǒng)判斷無人機姿態(tài)和GPS位置控制電機或燃料發(fā)動機的輸出量平衡無人機姿態(tài)和位移。
[0018]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述供電裝置包括電源轉(zhuǎn)換單元、穩(wěn)壓單元、蓄電池及供電分配單元，所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接所述穩(wěn)壓單元的輸入端，所述穩(wěn)壓單元的輸出端分別連接所述蓄電池的充電端及供電分配單元的輸入端，所述蓄電池的放電端連接所述供電分配單元的輸入端。
[0019]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述供電裝置還包括微處理器及電壓電流檢測單元，所述電壓電流檢測單元的檢測端連接所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端，所述電壓電流檢測單元的輸出端連接所述微處理器的輸入端，所述微處理器的輸出端連接所述蓄電池的放電端。
[0020]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述微處理器根據(jù)電壓電流檢測單元的檢測數(shù)據(jù)控制蓄電池的放電端的狀態(tài)。
[0021]本實用新型的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括定位單元及天線，所述天線設(shè)于所述無人機機架上，所述天線的輸出端連接所述定位單元的輸入端。
[0022]本實用新型的有益效果是:可以讓無人機在前后運動時，突破多旋翼無人機必須傾斜角度來提供水平運動的分力才水平運動特性，達(dá)到水平不用傾斜，就能前后運動，從而提升20%以上無人機載大重物時的動力效率和穩(wěn)定性。通過燃料發(fā)動機給無人機提供動力， 能比純電的無人機十多分鐘續(xù)航時間提升到幾個小時。但純?nèi)剂习l(fā)動機的動力，控制不夠線性，導(dǎo)致無人機控制穩(wěn)定性不夠。本技術(shù)采用主拉力采用燃料發(fā)動機動力用直升機旋翼結(jié)構(gòu)。多旋翼動力采用電力動力，補充無人機的動力，并且發(fā)揮電動PID的精準(zhǔn)控制從而提高整體無人機的飛控穩(wěn)定性。電力的能量通過燃料發(fā)動機帶動發(fā)電機經(jīng)過穩(wěn)壓后給電池充電，再提供給各電子設(shè)備。燃料發(fā)動機的運營成本比純電的動力能源降低幾倍?！靖綀D說明】
[0023]圖1是本實用新型實施例提供的混合動力的無人機的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖2是本實用新型實施例提供的電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖?！揪唧w實施方式】[〇〇25]附圖標(biāo)記:10_燃料發(fā)動機20-同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱30-同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳 40-無人機機架50-容器60-連接桿70-加長連桿80-螺旋槳90-垂直螺旋槳。
[0026]如圖1-2所示，本實用新型提供的一種混合結(jié)構(gòu)和混合動力的無人機，該無人機包括飛行裝置、遙控裝置、燃料發(fā)動機10、同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱20及同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳30， 所述飛行裝置通過無線通信連接所述飛行裝置，所述燃料發(fā)動機10設(shè)于所述飛行裝置的頂面中心點，所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱20設(shè)于所述燃料發(fā)動機10上，所述燃料發(fā)動機10的機軸置于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱20內(nèi)與所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱20內(nèi)的齒輪連接，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳30的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱20上，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳30的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸分別連接所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱20內(nèi)的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)齒輪，所述燃料發(fā)動機10的發(fā)電機輸出端連接所述供電裝置。[〇〇27]該無人機還包括裝液體或固體的容器50,所述容器50與所述飛行裝置的底面連接。
[0028]所述飛行裝置包括無人機機架40、電氣控制系統(tǒng)及若干動力裝置，所述電氣控制系統(tǒng)設(shè)于無人機機架40上，若干所述動力裝置分別設(shè)于所述機架的四周，兩個相對的動力裝置呈中心點對稱。[〇〇29]所述動力裝置包括連接桿60、螺旋槳80及燃料發(fā)動機或電機，所述連接桿60的一端連接所述無人機機架40，所述連接桿60的另一端內(nèi)設(shè)有燃料發(fā)動機或電機，所述燃料發(fā)動機或電機的極軸上設(shè)有螺旋槳80,所述螺旋槳80與所述連接桿60平行。
[0030]所述電氣控制系統(tǒng)包括中央處理器、供電裝置、遙控器接收模塊、陀螺儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及若干電子調(diào)速器或通道，所述中央處理器的輸入端分別連接所述遙控器接收模塊的輸出端、陀螺儀的輸出端及衛(wèi)星定位系統(tǒng)輸出端，若干所述電子調(diào)速器或通道的一端分別連接所述中央處理器的輸出端，每條所述電子調(diào)速器或通道的另一端連接一個所述動力裝置內(nèi)的燃料發(fā)動機或電機，所述電子調(diào)速器或通道與所述燃料發(fā)動機或電機一一對應(yīng)， 所述中央處理器的輸出端通過電子調(diào)速器或通道連接燃料發(fā)動機的動力控制端，所述供電裝置分別電性連接所述中央處理器、遙控器接收模塊、陀螺儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及若干電子調(diào)速器或通道，在其中一條中心點對稱的動力裝置的連接桿的另一端分別連接有相同的加長連桿70,兩根所述加長連桿的前端分別安裝有燃料發(fā)動機或電機，所述燃料發(fā)動機或電機的極軸上裝有垂直螺旋槳90,所述垂直螺旋槳90與所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳30垂直設(shè)置 ，提供水平推力。[〇〇31]所述中央處理器根據(jù)陀螺儀和衛(wèi)星定位系統(tǒng)判斷無人機姿態(tài)和GPS位置控制電機或燃料發(fā)動機的輸出量平衡無人機姿態(tài)和位移。
[0032]所述供電裝置包括電源轉(zhuǎn)換單元、穩(wěn)壓單元、蓄電池及供電分配單元，所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接所述穩(wěn)壓單元的輸入端，所述穩(wěn)壓單元的輸出端分別連接所述蓄電池的充電端及供電分配單元的輸入端，所述蓄電池的放電端連接所述供電分配單元的輸入端。
[0033]所述供電裝置還包括微處理器及電壓電流檢測單元，所述電壓電流檢測單元的檢測端連接所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端，所述電壓電流檢測單元的輸出端連接所述微處理器的輸入端，所述微處理器的輸出端連接所述蓄電池的放電端。
[0034]所述微處理器根據(jù)電壓電流檢測單元的檢測數(shù)據(jù)控制蓄電池的放電端的狀態(tài)。
[0035]所述衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括定位單元及天線，所述天線設(shè)于所述無人機機架上，所述天線的輸出端連接所述定位單元的輸入端。
[0036]沿著無人機水平面再向中心對稱左右水平伸出2個垂直旋轉(zhuǎn)旋翼，提供前后方向的水平推力。突破多旋翼無人機必須傾斜角度來提供水平運動的分力才水平運動特性，達(dá)到水平不用傾斜，就能前后運動，從而提升20%以上無人機載大重物時的動力效率和穩(wěn)定性。
[0037]在飛行裝置的幾何中心的燃料發(fā)動機連接發(fā)電機。發(fā)電機發(fā)出電通過電源轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊給電池充電，確保電池一直不缺電。
[0038]該飛行裝置還包括若干個以飛行裝置的重心為中心的幾何對稱支腳架，或裝液體或固體如滅火劑、人工降雨劑(制冷劑、結(jié)晶劑、吸濕劑)、農(nóng)藥等容器，并設(shè)置于飛行裝置的下部。[〇〇39]該飛行裝置還包括機架或機殼，所述中央處理器、定位系統(tǒng)、遙控接收模塊、陀螺儀若干電調(diào)或通道、電機或燃料發(fā)動機及供電裝置均設(shè)于所述機架或機殼上，所述電機的機軸穿過所述機架或機殼。
[0040]( —)、總體設(shè)計
[0041]—種超大載重長時飛行及載人多旋翼無人機，充分考慮空氣動力學(xué)和電機技術(shù)， 具體為:[〇〇42]1、機身:增加載重，提高續(xù)航時間，必須降低本機的重量。首先機身框架設(shè)計，材料采用高強度碳纖維結(jié)構(gòu)，航空鋁材CNC，輕質(zhì)材料。
[0043]2、能源:無人飛機動力大致可分為燃油動力、電動和其它三類。其它主要有噴氣發(fā)動機、渦輪發(fā)動機和火箭發(fā)動機等幾種;而燃油動力是指用汽油、煤油和甲醇等燃料發(fā)動機做動力；電動則是指以電池推動電動機做動力的動力系統(tǒng)。相比較而言，前兩類是傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)，其發(fā)展幾近百年，而電動則是最近幾年才發(fā)展起來的而且是由于手機廠家為增加待機時間和減輕手機重量，不斷推出容量大、體積小、重量輕的鋰電池為前提而推廣起來的。因此，基于蓄電池的基本特點優(yōu)勢和便捷的可再充電模式，可靠、方便，體積小，故選擇蓄電池就是本實用新型設(shè)計所使用的一種動力，并給電機等部件工作提供能量。[〇〇44]3、動力系統(tǒng):目前，微型飛行器的動力裝置的機翼主要有:電動機或內(nèi)燃機帶動螺旋槳驅(qū)動、微型渦輪發(fā)動機驅(qū)動等。雖然內(nèi)燃機具有燃料效率高、輸出功率大等特點，但是它的調(diào)速不方便、啟動困難等缺點限制了它在微型飛行器上的應(yīng)用。微型渦輪發(fā)動機從理論上說是最理想的選擇，但是世界上對微型渦輪發(fā)動機的研究還不足以達(dá)到實際應(yīng)用的水平。而電動機雖然由于電池容量的限制、存在飛行時間短等特點，但是它具有極高的可靠性、低噪音和價格經(jīng)濟等優(yōu)點，使電動機裝螺旋槳在微型飛行器的動力裝置的機翼中使用最為普遍。
[0045]4、飛行控制系統(tǒng):由遙控(通過地面站遙控指令控制)和自主飛行控制(二維、三維或四維)兩種。在遙控方式下，地面操作手根據(jù)無人機的狀態(tài)信息和任務(wù)要求控制無人機的飛行。在自主控制方式下，飛行控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器獲取的飛行器狀態(tài)信息和任務(wù)規(guī)劃信息自動控制無人機的飛行。在半自主控制方式下，飛行控制系統(tǒng)一方面根據(jù)傳感器獲取的飛行器狀態(tài)信息和任務(wù)規(guī)劃信息自主控制無人機的飛行，另一方面，接收地面控制站的遙控指令，改變飛行狀態(tài)。
[0046](二)、分部設(shè)計
[0047]旋翼無人機是能量源自電池，經(jīng)過電調(diào)、傳給電機，直接帶動較長的葉片高速旋轉(zhuǎn)，使空氣相對葉片快速氣流，在翼面上下產(chǎn)生壓力差從而獲得升力，從而抵抗重力得到飛行。
[0048]1、螺旋槳:大載重的用碳纖維槳。載重很大的話可以選擇櫸木槳，不易變形。螺旋槳規(guī)格，一般由4位數(shù)字表示，前兩位數(shù)表示直徑，后兩位表示螺距。以1060漿為例，10表示槳的直徑是10英寸，60表示漿角(螺距，6.0英寸，也就是152.4_)。
[0049]根據(jù)流體力學(xué)，空氣和水不一樣，密度不同，水的密度是空氣的800倍?？諝饷芏刃?，為了加快空氣向后流動對飛行器的推力，飛行器螺旋槳的空隙是比較大的。如果飛行器槳葉太密，向后的空氣流動量就小了。三葉的效率會高，升力比同等兩葉要大，但發(fā)動機馬力要大，槳平衡也很難解決，兩葉槳做一次平衡就能配好一對，三葉槳做兩次平衡才能配好一組，8軸的話，兩葉做8次平衡;太麻煩，故一般采用兩葉槳。螺旋槳葉片表面積相對越大， 產(chǎn)生推力越大、效率越高。但相對較大的螺旋槳，飛行器飛行起來會很耗電，因為螺旋槳產(chǎn)生的阻力會比較大。所以，選擇什么型號的螺旋槳必須根據(jù)電機KV值和蓄電池提供的電壓及容量進(jìn)行搭配，尤其是不能選用較高KV值的電機，主要是避免電機連同電調(diào)燒掉。
[0050]螺旋槳拉力計算公式為:直徑(米)X螺距(米)X漿寬度(米)X轉(zhuǎn)速如P(轉(zhuǎn)/秒)X 1大氣壓力(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)X經(jīng)驗系數(shù)(0.25)=拉力(公斤)，前提是通用比例的漿，精度較好，大氣壓為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，如果高原地區(qū)，要考慮大氣壓力的降低，如西藏，壓力在0.6-0.7。1000米以下基本可以取1。例如:100X50的漿，最大寬度10左右，動力傘使用的，轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分，合50轉(zhuǎn)/秒，計算可得:100 X 50 X 10 X 50P X 1 X 0.00025=31.25公斤。如果轉(zhuǎn)速達(dá)到6000轉(zhuǎn)/分，那么拉力等于:100 X 50 X 10 X 100P X 1 X 0 ? 00025=125公斤[0051 ] 3、電調(diào):電調(diào)全稱電子調(diào)速器，英文electronic speed controller,簡稱ESC。針對電機不同，可分為有刷電子調(diào)速器和無刷電子調(diào)速器。它根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。本飛行器就是通過遙控對無刷電子調(diào)速器的控制以達(dá)到調(diào)整飛行器的各種飛行姿態(tài)和動作。電調(diào)參數(shù):輸出能力，例如:80A;電調(diào)的輸出為三?四個舵機供電是沒問題的[〇〇52]4、電池:模型動力的電池種類很多，鎳氫(N1-MH)、鎳錳(Ni0H-Mn02)、鋰金屬(Li)、鋰聚合物(L1-Poly)等電池都行。但為了減少重量，提高電量，我們采用高性能鋰離子聚合物電池組;它的參數(shù):電壓+容量+放電倍率，例如:3S(ll.lV)，4200mAh，30C[〇〇53] a、電池容量:舉例5200mAh，意味著以5.2A電流放電，可以放1小時。[〇〇54] b、放電能力:30C電池，指的是電池的放電能力。對于30C電池，最大持續(xù)放電電流為:電池容量X放電C。例如:5200MA，30C電池，則最大的持續(xù)電流就是=5.2X30=156A(安培)。 如果該電池長時間超過156安或以上電流工作，那么電池的壽命會變短。
[0055]C、電壓:對于電池的單片電壓，充滿電時應(yīng)為4.15-4.20較合適(3S電池，就是3個單片電壓串接，就是4.20 V *3個，對應(yīng)12.6V)，用后的最低電壓為單片3.7以上(3S對應(yīng) 11.1V，切記不要過放)，長期不用的保存電壓最好為3.9(3S對應(yīng)11.7V)。為了提高飛行器續(xù)航能力，我們會選擇電池容量大的，但本身電池的重量太重，反而降低續(xù)航時間。需要注意的是，電池的串聯(lián)和并聯(lián)要求單節(jié)電池或電池組的性能一致，這是因為在電路中如果有個別電池的電壓過低，其它電池就會為它充電，那總電壓或總電流就會低于我們的要求，同時也會造成好電池的損壞，這也是為什么鋰電池要用平衡充電的原因。充電過程對電池的壽命有相當(dāng)大的影響。一般來說，電池的充電時間是和充電器的電流相關(guān)聯(lián)的。所以，對于 16000mAH的電池，充電電壓是它的額定電壓，充電器的電流是5000毫安，那么充電時間就等于16000+ 5000=3.2小時。但這只是說從零電壓充起情況下的，屬于理想狀態(tài)，實際的充電時間還要看蓄電池的時間電量。但這不能說明使用大電流充電就能節(jié)約時間，實驗證明，大電流充電會對電池的性能造成一定程度的破壞。
[0056] 5、電機:傳統(tǒng)的有刷直流電動機具有刷換方向設(shè)備、是以機械方式進(jìn)行換向，存在噪聲、火花及壽命短等缺點。微型無刷直流電動機采用的是電子換向，其輸出功率和效率較高，同時噪音小、可控性強、壽命較長并無其他明顯缺點，本次設(shè)計所選定的是無刷直流電機。它的參數(shù):最大電流(A)，最大電壓(V)，KV值.例如:2860,最大電流80A，最大電壓 17V, 3400KV〇
[0057]相同的電機，不同的KV值，用的螺旋槳也不一樣，每個電機都會有一個推薦的螺旋槳。相對來說螺旋槳配得過小，不能發(fā)揮最大推力;螺旋槳配得過大，電機會過熱，會使電機退磁，造成電機性能的永久下降；
[0058]a、電機KV值:大KV配小槳，小KV配大槳。KV值是每IV的電壓下電機每分鐘空轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，例如KV800，在IV的電壓下空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是800轉(zhuǎn)每分鐘。10V的電壓下是8000轉(zhuǎn)每分鐘的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。[0059 ]?繞線匝數(shù)多的，KV值低，最高輸出電流小，但扭力大，可帶更大的槳，震動也??；
[0060]?繞線匝數(shù)少的，KV值高，最高輸出電流大，但扭力小，只能帶小槳，但效率高；[0061 ] b、電機型號:定子粗的，力氣大。電機型號，如2212，3508，4010，這些數(shù)字表示電機定子的直徑和高度。前面兩位是定子直徑，后面兩位是定子高度，單位是毫米。前兩位越大， 電機越肥，后兩位越大，電機越高。又大又高的電機，力氣大，效率高，價格貴，而且電機自重就會很大。為了驅(qū)動力增大，必須將每個單元輸出的力a變?yōu)閚*a，由安培力F=BIL可知，相當(dāng)于增大了電流或者導(dǎo)線長度，考慮到硅鋼片的磁化曲線，為了輸出同樣的轉(zhuǎn)速和扭矩，縮小電機的半徑，即使增加了響應(yīng)的定子高度，也會造成硅鋼片接近磁飽和導(dǎo)致的效率降低、電流增大導(dǎo)致效率降低和繞線困難等問題。所以我們設(shè)計采用盤式電機(又名鈴鐺電機)。電機的槽數(shù)在理論上是越多越好的。該電機的磁路長度非常短，采用扁平的外形，定子高度也非常小，這樣有利于用較小的電流產(chǎn)生較大的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速，才能與大直徑低轉(zhuǎn)速螺旋槳匹配。[〇〇62] c、電機效率:3?5A，效率高；效率的標(biāo)注方式是:g/W(克/每瓦)電機的功率和拉力并不是成正比的，也就是說50W的時候450g拉力，100W的時候就不是900g了，可能只有700g。 具體效率查電機的效率表。
[0063]電機能耗管理:為了節(jié)約能耗，提高效率。我們使用比較大直徑螺旋槳，從而提高螺旋槳效率和電機效率。現(xiàn)在行業(yè)使用的開環(huán)方案(飛行控制系統(tǒng)只管控制電調(diào)的PWM值， 不管電機轉(zhuǎn)速是否隨之升高，只是由陀螺儀來判別飛行器的姿態(tài))，電機頻繁做變速運動引起的額外能量損耗?，F(xiàn)在無人機多軸動力系統(tǒng)在微風(fēng)的時候這部分損耗高達(dá)25%左右，風(fēng)力風(fēng)向如果劇烈變化這部分損耗則變得更大。為此我們設(shè)計電調(diào)輸出的導(dǎo)線有6根，比較粗一點的應(yīng)該是電源線，其余四根應(yīng)為信號線，采用串口或者其他方式與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，飛行控制系統(tǒng)可以給電調(diào)發(fā)送指令，電調(diào)也可以將動力系統(tǒng)的信息(比如電機的轉(zhuǎn)速)反饋給飛行控制系統(tǒng)，這樣飛行控制系統(tǒng)對動力系統(tǒng)的控制就是閉環(huán)控制。[〇〇64]6、推進(jìn)系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)設(shè)計:[〇〇65]電池和電調(diào)的設(shè)計原則:
[0066]1)電池電壓不能超過電調(diào)最高承載電壓；
[0067]2)電池電流持續(xù)輸出大于電調(diào)最大持續(xù)電流輸出；
[0068]電機承受的電流由電機的負(fù)載決定，只要負(fù)載功率不超出電機額定，電機就不會有問題，而電池和電調(diào)僅提供到達(dá)這一負(fù)載的功率輸出，其能力超過該功率即可，并不代表能力大于該功率的電池電調(diào)組合一定會輸出最大功率。[〇〇69]電池和電機的原則:
[0070]1)電機工作電壓由電調(diào)決定，而電調(diào)電壓由電池輸出決定，所以電池的電壓要等于或小于電機的最大電壓；
[0071]2)電調(diào)最大電壓不能超過電機能承受的最大電壓；[〇〇72]7、機架的設(shè)計:
[0073]2kg以下的無人機可以選玻纖機架;2kg以上的用3K碳纖維。
[0074]碳纖維復(fù)合材料在無人戰(zhàn)斗機和直升機上主要應(yīng)用于戰(zhàn)機主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能。碳纖維應(yīng)宇航工業(yè)對耐燒蝕和輕質(zhì)高強材料的迫切需求發(fā)展起來，它主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是繼玻璃纖維之后出現(xiàn)的第二代纖維增強復(fù)合材料。碳纖維的含碳量在90%以上，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。在2000°C以上高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一的一種強度不下降的物質(zhì)，更可貴的是，碳纖維與其它材料具有很高的相容性，兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，并且容易復(fù)合， 具有很大的設(shè)計自由度。[〇〇75]由槳長度，計算出機架軸距=(槳的英寸*25.4/0.8/根號2)*2。[〇〇76] 機架軸距計算出槳的尺寸(英寸)=(機架軸距/2)*根號2*0.8/25.4。[〇〇77]下面是一些槳和軸距的搭配建議:
[0078]10寸槳搭配軸距450MM機架[〇〇79]11寸槳搭配軸距500MM機架[〇〇8〇] 12寸槳搭配軸距550MM機架 [0081 ]13寸槳搭配軸距600MM機架
[0082]14寸槳搭配軸距650MM機架
[0083]15寸槳搭配軸距680MM機架
[0084]16寸槳搭配軸距720MM機架[〇〇85]17寸槳搭配軸距780MM機架
[0086]18寸槳搭配軸距820MM機架
[0087]19寸槳搭配軸距860MM機架
[0088]20寸槳搭配軸距900MM機架 [〇〇89]機架的平衡設(shè)計:
[0090]特別是高腳架的無人機，一定要整機的重心落入到飛行器的幾何中心。
[0091]8、旋翼無人機的動力驅(qū)動及平衡設(shè)計(按四軸舉例說明:)
[0092]四軸飛行器其構(gòu)造特點是在它的四個角上各裝有一旋翼，由電機分別帶動，葉片可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，它還通過電調(diào)來保證其快速飛行。四個電機軸距幾何中心的距離相等，當(dāng)對角兩個軸產(chǎn)生的升力相同時能夠保證力矩的平衡，四軸不會向任何一個方向傾轉(zhuǎn)；而四個電機一對正轉(zhuǎn)，一對反轉(zhuǎn)，使得繞豎直軸方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡，保證了四軸航向的穩(wěn)定。根據(jù)四個輸入力和六個坐標(biāo)輸出的欠驅(qū)動動力學(xué)，四個電機的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實現(xiàn)四軸橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上的運動；飛行器實現(xiàn)空間6個自由度(分別沿3個坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)運動)的運動。在實際使用情況下，有用的主要運動為沿3個坐標(biāo)軸作平移運動和繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動，俯仰運動和翻滾運動為水平運動的誘導(dǎo)運動。四個槳產(chǎn)生的推力，超過或者低于四軸本身重力的時候能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向上升與下降的運動，當(dāng)槳的升力與四軸本身的重力相等的時候即實現(xiàn)懸停。
[0093]9、陀螺儀的原理就是一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，用它來保持方向，制造出來的儀器就叫陀螺儀。例如，騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。遙控飛機陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。[〇〇94]多旋翼無人機是一種安裝根據(jù)幾何對稱圖形來確定數(shù)量的動力軸和螺旋槳的可垂直起降的無人飛行系統(tǒng)，也叫多軸飛行器，常見的有4軸、6軸、8軸等無人機。決定多旋翼飛行器旋翼個數(shù)的，就是飛行器穩(wěn)定性、幾何尺寸和單發(fā)動力性能三者的平衡。數(shù)量越多越穩(wěn)定，而且可以承受雙發(fā)/單發(fā)失效，但相比較旋翼直徑的縮小，旋翼中心與飛行器幾何中心的距離增加得更快，飛行器的尺寸也就會做得越大。此飛行器可以外掛很多設(shè)備、儀器、 工具、武器等用于各種用途。當(dāng)然也可以外掛我們的載體，如各類運輸物資、藥水等。
[0095]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種混合動力的無人機，其特征在于:該無人機包括飛行裝置、遙控裝置、燃料發(fā)動 機、同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱及同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳，所述飛行裝置通過無線通信連接所述飛 行裝置，所述燃料發(fā)動機設(shè)于所述飛行裝置的頂面中心點，所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱設(shè)于所 述燃料發(fā)動機上，所述燃料發(fā)動機的極軸置于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)與所述同軸正反轉(zhuǎn) 齒輪箱內(nèi)的齒輪連接，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)于所述同軸正反轉(zhuǎn)齒 輪箱上，所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸分別連接所述同軸正反轉(zhuǎn)齒輪箱內(nèi)的 正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)齒輪，所述燃料發(fā)動機的發(fā)電機輸出端連接供電裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機，其特征在于，該無人機還包括裝液體或固體的容器， 所述容器與所述飛行裝置的底面連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無人機，其特征在于，所述飛行裝置包括無人機機架、電氣 控制系統(tǒng)及若干動力裝置，所述電氣控制系統(tǒng)設(shè)于無人機機架上，若干所述動力裝置分別 設(shè)于所述機架的四周，兩個相對的動力裝置呈中心點對稱。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無人機，其特征在于，所述動力裝置包括連接桿、螺旋槳及燃 料發(fā)動機或電機，所述連接桿的一端連接所述無人機機架，所述連接桿的另一端內(nèi)設(shè)有燃 料發(fā)動機或電機，所述燃料發(fā)動機或電機的極軸上設(shè)有螺旋槳，所述螺旋槳與所述連接桿 平行。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無人機，其特征在于，所述電氣控制系統(tǒng)包括中央處理器、供 電裝置、遙控器接收模塊、陀螺儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及若干電子調(diào)速器或通道，所述中央處理 器的輸入端分別連接所述遙控器接收模塊的輸出端、陀螺儀的輸出端及衛(wèi)星定位系統(tǒng)輸出 端;若干所述電子調(diào)速器或通道的一端分別連接所述中央處理器的輸出端，每條所述電子 調(diào)速器或通道的另一端連接一個所述動力裝置內(nèi)的燃料發(fā)動機或電機，所述電子調(diào)速器或 通道與所述燃料發(fā)動機或電機一一對應(yīng)，所述中央處理器的輸出端通過電子調(diào)速器或通道 連接燃料發(fā)動機或電機的動力控制端，所述供電裝置分別電性連接所述中央處理器、遙控 器接收模塊、陀螺儀、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及若干電子調(diào)速器或通道，在其中一條中心點對稱的動 力裝置的連接桿的另一端分別連接有相同的加長連桿，兩根所述加長連桿的前端分別安裝 有燃料發(fā)動機或電機，所述燃料發(fā)動機或電機的極軸上裝有垂直螺旋槳，所述垂直螺旋槳 與所述同軸上下正反轉(zhuǎn)螺旋槳垂直設(shè)置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無人機，其特征在于，所述供電裝置包括電源轉(zhuǎn)換單元、穩(wěn)壓 單元、蓄電池及供電分配單元，所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接所述穩(wěn)壓單元的輸入端，所 述穩(wěn)壓單元的輸出端分別連接所述蓄電池的充電端及供電分配單元的輸入端，所述蓄電池 的放電端連接所述供電分配單元的輸入端。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無人機，其特征在于，所述供電裝置還包括微處理器及電壓電 流檢測單元，所述電壓電流檢測單元的檢測端連接所述電源轉(zhuǎn)換單元的輸出端，所述電壓 電流檢測單元的輸出端連接所述微處理器的輸入端，所述微處理器的輸出端連接所述蓄電 池的放電端。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無人機，其特征在于，所述衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括定位單元及天 線，所述天線設(shè)于所述無人機機架上，所述天線的輸出端連接所述定位單元的輸入端。
【文檔編號】B64C27/08GK205602107SQ201620213859
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】吳李海
【申請人】吳李海