小型混合式无人机动力系统研究

摘要

目前无人机的动力供应方式多种多样，其中小型民用无人机主要以锂电池进行供电，由于目前锂电池的能量密度已经达到相对成熟的阶段，小型无人机的发展受到电池能量密度的制约，新能源的研发与安全性问题有待发展和观望，因此研究者们只能够在节能和动力供应方面进行整合改进和对动力系统进行优化。目前有很多针对系统性能进行优化，通过电源管理技术使电能被更高效合理的分配到用电设备中，其目的在于提升无人机的续航能力。本文主要是针对小型无人机续航能力不足的问题进行分析，设计了一种可持续飞行的混合式无人机动力供应方案，并以此为基础进行了相应的动力管理系统方案的设计。本文的主要研究内容如下:
　　1.基于现有小型无人机存在的不足之处结合固定翼无人机、旋翼无人机、多旋翼无人机设计了一种混合式无人机平台的搭建方案，该混合式无人机能够达到长时间载重续航的要求。
　　2.针对无人机的续航能力不足、载重能力弱的问题进行深入分析，总结出其根本原因在于目前小型无人机采用的锂电池供电方式。由于锂电池电量仅能够维持无人机短时间的飞行，因此本文设计了一种混合式的动力供应方案。动力系统采用燃油和电池混合供电的方式，针对动力供应的不同方案进行研究并分析论证了该方案的可行性。
　　3.在动力供应方案基础之上设计了相应的动力管理系统。该动力管理系统主要通过实时监测用电设备的耗电情况、电池的放电量和系统给定输入与发电机实时输出功率进行比较调整动力系统的工作方式。
　　4.针对动力管理系统各模块进行了软硬件的设计与分析。最后采用SIMULINK对动力管理系统建立了一阶惯性模型，将模糊PID控制算法与PID控制算法引入到控制系统中，针对阶跃响应与正弦响应的结果进行分析研究得出模糊PID算法对于动力管理系统的控制调节效果比较不错，为今后的研究工作提供了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究现状

1．4 本文结构

第二章 混合式无人机布局及续航能力分析

2．1 设计背景

2．1．1 无人机种类

2．2．2 不同类型无人机优缺点

2．2 混合式无人机设计要求

2．3 混合式无人机外形布局

2．3．1 总体布局

2．3．2 主要部件选取原则

2．3．3 机翼翼型选取

2．3．4 吊舱固定方式

2．3．5 动力供应方式

2．4 电动无人机平台续航能力分析

2．4．1 续航时间估算分析

2．4．2 锂电池剩余容量分析

2．4．3 锂电池性能分析

2．4．4 目前电动无人机存在的不足

2．5 本章小结

第三章 混合式无人机动力系统方案设计

3．1 混合式无人机机电系统组成

3．1．1 飞行控制系统

3．1．2 无线通信系统

3．1．3 机电混合动力系统

3．1．4 动力管理系统

3．2 动力管理系统设计

3．2．1 动力管理系统结构

3．2．2 动力管理系统工作原理

3．3 发动机选型及转速调节原理

3．3．1 发动机选型

3．3．2 发动机转速调节原理

3．4 发电机控制原理

3．4．1 发电机基本结构及原理

3．4．2 发电机输出特性

3．5 本章小结

第四章 混合式无人机动力管理系统硬件设计

4．1 动力管理系统工作原理

4．2 控制器外围模块设计

4．3 无刷直流电机调速控制模块设计

4．4 供电控制开关模块设计

4．5 数据采集模块设计

4．6 发电机输出控制模块设计

4．7 本章小结

第五章 混合式无人机动力管理系统软件设计及仿真

5．1 编译软件简介

5．2 系统软件设计

5．2．1 控制器工作模式设定

5．2．2 供电模式切换软件设计

5．2．3 数据采集转换软件设计

5．2．4 无刷电机调速模块设计

5．2．5 发动机控制模块软件设计

5．2．6 锂电池充电流程软件设计

5．3 电池充电过程验证分析

5．4 动力管理系统仿真控制设计

5．4．1 动力管理系统数学模型建立

5．4．2 动力管理系统模糊PID控制器设计

5．4．3 动力管理系统仿真结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间研究成果