一種無人機(jī)供電系統(tǒng)的制作方法

本實(shí)用新型涉及飛行器智能供電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無人機(jī)供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著控制技術(shù)、硬件技術(shù)等的發(fā)展，固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和四旋翼無人機(jī)等產(chǎn)品技術(shù)漸趨成熟，許多產(chǎn)品已投入市場(chǎng)，但其功能單一，航時(shí)短，帶負(fù)載能力差，無法滿足大負(fù)載、長(zhǎng)航時(shí)的需要。

自誕生以來，無人機(jī)主要應(yīng)用于軍事方面，作為智能化和信息化的武器，無人機(jī)在偵察、監(jiān)視、通信、遠(yuǎn)距離攻擊等方面發(fā)揮了重要的作用。近年來，無人機(jī)在民用方面的應(yīng)用也越來越多，各國(guó)在無人機(jī)的民用方面逐漸開放，無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個(gè)領(lǐng)域。毫無疑問，隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，民用無人機(jī)將迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，應(yīng)用前景十分廣闊。

而現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的無人機(jī)中以固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和四旋翼無人機(jī)最為廣泛，但不足之處也很明顯。普通的固定翼無人機(jī)雖然速度快，但起飛需要跑道，降落時(shí)以跑道或者撞網(wǎng)回收為主，因此常常受制于場(chǎng)地影響，不能對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)，適應(yīng)能力差。普通的旋翼無人機(jī)或無人直升機(jī)雖然可以垂直起降，但其由于受本身設(shè)計(jì)影響，無法高速飛行，航程較短，且負(fù)載很低，純電動(dòng)旋翼機(jī)還受制電池的性能，無法長(zhǎng)時(shí)間飛行。這些種種不足，大大限制了無人機(jī)的應(yīng)用范圍。因此，當(dāng)前市場(chǎng)上的無人機(jī)還是以“能看”為主，只是針對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察，而隨著無人機(jī)應(yīng)用的深入，人們已經(jīng)不滿足于僅僅“能看”，還要求“能摸”、“能操作”，如飛行平臺(tái)搭載機(jī)械臂對(duì)電路巡檢中損壞部位進(jìn)行簡(jiǎn)單的修理，或者進(jìn)行線路除冰工作，甚至進(jìn)行搶險(xiǎn)救援中搭救生命等。因此，當(dāng)前社會(huì)急需一種大負(fù)載、長(zhǎng)航時(shí)的空中作業(yè)平臺(tái)來解決傳統(tǒng)無人機(jī)無法解決的問題，也即需要一種能夠持續(xù)穩(wěn)定地為無人機(jī)續(xù)航的供電系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實(shí)用新型提出一種無人機(jī)供電系統(tǒng)，所述供電系統(tǒng)包括主電源、二次電源、輔助電源；主電源、二次電源、輔助電源依次連接；所述主電源包括：電子控制單元ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、油門、整流單元、編碼器、濾波單元；所述ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，發(fā)動(dòng)機(jī)分別與發(fā)電機(jī)及油門連接，控制器與油門連接并對(duì)油門進(jìn)行控制， 發(fā)電機(jī)輸出至整流單元，所述整流單元分別與發(fā)電機(jī)及濾波單元連接，濾波單元輸出至二次電源的智能充電單元；所述ECU用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻；所述油門采用舵機(jī)拉桿結(jié)構(gòu)，控制器通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來調(diào)整油門的大小，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)速輸出；所述編碼器與發(fā)電機(jī)同軸連接，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)經(jīng)過編碼器輸入至控制器，控制器按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的油門來以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述二次電源包括：智能充電單元、恒壓?jiǎn)卧?；所述主電源中的濾波單元分別與智能充電單元及恒壓?jiǎn)卧噙B；所述輔助電源包括蓄電池；所述蓄電池與智能充電單元相連。

其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)采用活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)電機(jī)采用永磁無刷直流發(fā)電機(jī)。

其中，所述整流單元采用由二極管所組成的不可控型整流結(jié)構(gòu)，或采用開關(guān)管同步整流結(jié)構(gòu)。

其中，當(dāng)采用開關(guān)管同步整流結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)電機(jī)的三相輸出作為整流單元的輸入，通過硬件電路檢測(cè)三相電勢(shì)的狀態(tài)來控制各開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。

其中，所述的濾波單元采用多級(jí)濾波器形式，或采用多種濾波器復(fù)合形式。

本實(shí)用新型的無人機(jī)供電系統(tǒng)能為各類無人機(jī)供電，適用于多旋翼飛行器、直升飛行器、可傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等，功率可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行整定，方便靈活，科技性強(qiáng)，滿足各類大負(fù)載長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的供電需求。

本實(shí)用新型具有以下有益效果：

(1)本實(shí)用新型涉及的發(fā)電技術(shù)、不可控整流技術(shù)、恒壓技術(shù)已比較成熟，將其與濾波技術(shù)以及多階段智能充電技術(shù)有機(jī)的融合，對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新性的集成，理論可行且能夠?qū)崿F(xiàn)，使得無人飛行器能夠進(jìn)行大負(fù)載長(zhǎng)航時(shí)飛行；

(2)本實(shí)用新型的智能充電技術(shù)不僅能夠使電池充足電，避免蓄電池的過充電，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了蓄電池電量與溫度的關(guān)系，從而使蓄電池充足電并延長(zhǎng)其使用壽命。此充電技術(shù)不僅可以對(duì)飛行器蓄電池進(jìn)行充電，還可應(yīng)用于日常生活中的各類蓄電池，使蓄電池能夠發(fā)揮其最大效用。

(3)本實(shí)用新型作為一種新型的智能供電系統(tǒng)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，不僅可以為國(guó)內(nèi)外無人飛行器提供一個(gè)設(shè)計(jì)指南，運(yùn)用于各種無人飛行器，還可以用于各種小功率、大功率場(chǎng)合，具有廣闊的軍用和民用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的無人機(jī)供電系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例的無人機(jī)供電系統(tǒng)的示意圖；

圖3為本實(shí)用新型的一種整流單元示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型提出一種無人機(jī)供電系統(tǒng)，要求達(dá)到無人機(jī)能夠進(jìn)行垂直起降，能夠攜帶10kg凈負(fù)載，系統(tǒng)能夠輸出穩(wěn)定的直流供電電壓為各用電設(shè)備供電。

如圖1所示，本實(shí)用新型提出一種無人機(jī)供電系統(tǒng)，包括主電源、二次電源、輔助電源。所述主電源、二次電源、輔助電源依次連接。

如圖2所示，本實(shí)用新型的一種無人機(jī)供電系統(tǒng)，包括主電源、二次電源、輔助電源。

所述主電源包括電子控制單元ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、油門、整流單元、濾波單元、編碼器。所述ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，發(fā)動(dòng)機(jī)分別與發(fā)電機(jī)及油門連接，控制器與油門連接對(duì)油門進(jìn)行控制，發(fā)電機(jī)輸出至整流單元，所述整流單元分別與發(fā)電機(jī)及濾波單元連接，濾波單元輸出至二次電源的智能充電單元。編碼器與發(fā)電機(jī)同軸連接，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)經(jīng)過編碼器輸入至控制器，控制器按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的油門來以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所述主電源由發(fā)動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)發(fā)電機(jī)，是機(jī)上全部用電設(shè)備的電力來源。

所述ECU用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻。

所述油門采用舵機(jī)拉桿結(jié)構(gòu)，控制器通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來調(diào)整油門的大小，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)速輸出。

所述發(fā)動(dòng)機(jī)采用活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，它是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，是一種以汽油作為燃料，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于汽油粘性小，蒸發(fā)快，可以用汽油噴射系統(tǒng)將汽油噴入氣缸，經(jīng)過壓縮達(dá)到一定的溫度和壓力后，用火花塞點(diǎn)燃，使氣體膨脹做功。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、造價(jià)低廉、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用維修方便。由于電動(dòng)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油動(dòng)的響應(yīng)速度，故利用發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能為發(fā)電機(jī)提供源動(dòng)力，由發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能為整個(gè)系統(tǒng)供電。

所述發(fā)電機(jī)采用永磁無刷直流發(fā)電機(jī)，作為永磁發(fā)電機(jī)的一種，它具備永磁發(fā)電機(jī)的 所有優(yōu)點(diǎn)。(1)體積小，重量輕：轉(zhuǎn)子部分采用高磁場(chǎng)的永磁體取代電磁線圈，永磁體的體積要小得多，因此發(fā)電機(jī)的體積和重量要小于常規(guī)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；(2)效率高，節(jié)能效果顯著：由于永磁體能產(chǎn)生恒定不變的磁場(chǎng)，這樣就省去了勵(lì)磁耗能；(3)電壓波形質(zhì)量好，適用于各種負(fù)載情況：由于采用機(jī)電一體化技術(shù)，發(fā)電機(jī)在各種不同負(fù)載(包括感性和容性負(fù)載)情況下都可使電壓波形畸變率保持在較小的范圍內(nèi)；(4)電機(jī)過載能力強(qiáng)，適合于在惡劣環(huán)境下工作：電機(jī)的損耗小，溫升低，過載能力強(qiáng)，更適合于在各種惡劣環(huán)境下工作；(5)無電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)：這種發(fā)電機(jī)無電刷和滑環(huán)，同時(shí)轉(zhuǎn)子上既無線圈，也無電子元器件，轉(zhuǎn)子上的永磁磁體和鐵芯固定成為一個(gè)剛性整體，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，其可靠性和使用壽命都遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；(6)電磁干擾小，電磁兼容性好：電機(jī)的電磁噪聲極小，對(duì)通訊設(shè)備和電子儀器的干擾非常微小，其影響幾乎可忽略不計(jì)。

所述整流單元可以采用由二極管所組成的不可控型整流結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是可自行判斷零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向，不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)；也可采用開關(guān)管同步整流結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，發(fā)電機(jī)的三相輸出作為整流單元的輸入，通過硬件電路檢測(cè)三相電勢(shì)的狀態(tài)來控制各開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)管可采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT以及其他可控型晶體管，這種整流方法帶負(fù)載能力強(qiáng)，電壓降、功率損耗較低，能夠滿足各類場(chǎng)合。

所述的濾波單元采用多級(jí)濾波器形式，或多種濾波器復(fù)合形式。多級(jí)濾波器的第一級(jí)濾除基波的三次諧波，第二級(jí)濾除由整流單元輸出的直流電壓信號(hào)七次諧波；多種濾波器為τ型濾波器和π型濾波器的復(fù)合，從而使輸出電壓為一恒定的直流電壓信號(hào)；

所述二次電源包括智能充電單元、恒壓?jiǎn)卧?。所述主電源中的濾波單元分別與智能充電單元及恒壓?jiǎn)卧噙B。二次電源是將主電源電能變換為另一種規(guī)格的電能，以滿足各部分的供電需求。由于主電源的電壓與用電設(shè)備的供電電壓值以及蓄電池充電電壓值不匹配，所以需要將主電源電壓經(jīng)過恒壓?jiǎn)卧椭悄艹潆妴卧儞Q為和用電設(shè)備以及電池充電電壓所匹配的電壓值。

所述智能充電單元采用四階段充電方法，當(dāng)電池的電壓低于預(yù)定的閾值電壓時(shí)，可采用一個(gè)小的涓流電流充電，使電壓上升到和電池零容量相對(duì)應(yīng)的電壓，避免由于大的充電電流而引起短路；當(dāng)電池電壓超過了涓流充電的閾值電壓，這時(shí)充電器電路轉(zhuǎn)入大電流充電工作狀態(tài)，在這個(gè)充電狀態(tài)，電池的主要電量被恢復(fù)；接著充電器轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)，以 確保存在較短時(shí)間內(nèi)使電池充足電；在經(jīng)歷了過充階段后，電池進(jìn)入浮充工作狀態(tài)，此時(shí)電池的充電電壓為一個(gè)恒定值，這時(shí)充電器為維持電池電壓不變所需一個(gè)充電電流，并且可以利用這個(gè)充電電流補(bǔ)償由電池的漏電流而引起的電池電量減少。

所述恒壓?jiǎn)卧捎霉趴ㄗ儞Q技術(shù)與軟諧振變換技術(shù)融合，古卡變換技術(shù)既可以進(jìn)行升壓變換也可以進(jìn)行降壓變換，同時(shí)經(jīng)過與磁集成技術(shù)的結(jié)合，可以大大減小輸出電壓的紋波；而將古卡變換技術(shù)與軟諧振變換技術(shù)的融合，則可大大降低功率電源的開關(guān)損耗，減小噪聲污染和電磁干擾；經(jīng)過精確的參數(shù)整定可將輸出電壓維持在目標(biāo)值，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。所述恒壓?jiǎn)卧敵鲋劣秒娫O(shè)備。在本實(shí)施例中，只采用了兩個(gè)恒壓?jiǎn)卧M(jìn)行示例，而實(shí)際中，恒壓?jiǎn)卧梢杂卸鄠€(gè)，可以按照實(shí)際工作需要配置，本實(shí)用新型并不局限于此。

所述輔助電源包括蓄電池。所述蓄電池與智能充電單元相連。所述輔助電源作為主電源的備份電源，主要為無人機(jī)航前/后做準(zhǔn)備、啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)等。

本實(shí)用新型的無人機(jī)使用電動(dòng)旋翼為整機(jī)提供升力、前進(jìn)動(dòng)力以及實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的穩(wěn)定控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的特性匹配發(fā)揮各自的長(zhǎng)處。本設(shè)計(jì)的電動(dòng)旋翼采用傾轉(zhuǎn)旋翼，使無人機(jī)可垂直起降，不受地形限制，可在平地或交通工具上起飛降落，并且有傾轉(zhuǎn)旋翼和固定翼的搭配，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的大負(fù)載長(zhǎng)航時(shí)飛行。

利用發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能為發(fā)電機(jī)提供源動(dòng)力，并與發(fā)電機(jī)同軸連接拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電，三相交流電經(jīng)整流單元將交流電整定為直流電，此諧波較為嚴(yán)重的直流電壓經(jīng)濾波單元成為一干擾較小的電壓信號(hào)，此電壓一方面經(jīng)由智能充電單元為系統(tǒng)的備用電源(蓄電池)充電，另一方面經(jīng)由恒壓?jiǎn)卧獮橛秒娫O(shè)備供電；

本實(shí)用新型的無人機(jī)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先需要考慮供電電壓和供電功率，因此需要計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的功率，根據(jù)供電功率和供電電壓來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及無人機(jī)旋翼電機(jī)的選型。由于發(fā)電機(jī)的輸出電壓與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，而發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸連接，故發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到發(fā)電機(jī)的輸出電壓，而發(fā)動(dòng)機(jī)采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，通過調(diào)整油門來控制其轉(zhuǎn)速輸出，油動(dòng)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電動(dòng)的響應(yīng)速度，所以需要進(jìn)行油電特性的匹配。由于發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電，與旋翼電機(jī)控制器-電調(diào)的供電電壓為直流電壓，所以必須要將發(fā)電機(jī)輸出的交流電通過整流單元轉(zhuǎn)換為直流電，但是轉(zhuǎn)換完成的直流電壓諧波比較嚴(yán)重，并且一般不與電調(diào)的供電電壓相匹配，所以需要經(jīng)濾波單元濾除其諧波，再經(jīng)恒壓?jiǎn)卧敵雠c電調(diào)供電電壓相匹配的直流電壓。

值得注意的是，所述的供電功率和供電電壓是與旋翼電機(jī)和螺旋槳直接相關(guān)的，無人機(jī)所能攜帶的凈負(fù)載與無人機(jī)的凈重量(即除凈負(fù)載之外的整機(jī)重量)和旋翼電機(jī)所能提供的最大升力直接相關(guān)，而旋翼電機(jī)所提供的升力則與其所消耗功率直接相關(guān)，所以系統(tǒng)的功率就取決于能夠使旋翼電機(jī)帶動(dòng)設(shè)定凈負(fù)載量所消耗的功率，考慮到效率問題，在選擇發(fā)電機(jī)時(shí)需要考慮一定的裕量，在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)也需要留足裕量。

本實(shí)用新型具體實(shí)施方式的工作過程：首先將凈負(fù)載固定于無人機(jī)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過編碼器的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)按照設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的油門來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，啟動(dòng)旋翼電機(jī)并逐漸增加旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速、升力逐漸增加，當(dāng)旋翼電機(jī)總升力大于機(jī)身凈重與凈負(fù)載的總重量時(shí)，無人機(jī)開始垂直上升，當(dāng)無人機(jī)達(dá)到一定高度時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼開始傾轉(zhuǎn)，旋翼電機(jī)的輸出力水平分力提供前進(jìn)推力，垂直分力與固定翼共同提供升力，此時(shí)由于主要由固定翼提供升力，故可適當(dāng)降低旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)消耗功率降低。當(dāng)發(fā)生異常情況，系統(tǒng)無法檢測(cè)到輸出電壓，將母線供電切換至蓄電池供電，以防止無人機(jī)的墜落。

雖然通過實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本實(shí)用新型有許多變形和變化而不脫離本實(shí)用新型的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本實(shí)用新型的精神。