结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器

摘要

本发明涉及一种结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器，包括螺旋桨、数块太阳能电池板、动力控制单元、平衡控制单元，数块太阳能电池板以旋转轴中心对称架设，每块太阳能板的边缘架固定置于碳纤维环上，每块太阳能板的间隙均匀并与飞行器底部圆形骨架连接，螺旋桨轴线与数块太阳能电池板架设的旋转轴重合，螺旋桨位于上方，架设后数块太阳能电池板的面积大于螺旋桨的桨面，数块太阳能电池板架设在螺旋桨产生的气流区域之外，动力控制单元和平衡控制单元中电机的总质心与机架对称线重合。全太阳能续航；体积小、重量轻；在运行过程中发热量少；飞行平稳，空中长时间悬停，可进行人流量、车流量的实时传输。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行器，特别涉及一种结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器。

背景技术

目前能完成悬停和垂直起降的飞行器的结构主要有单旋翼直升机、双旋翼直升机、倾转旋翼机、多轴飞行器等。均为大型飞行器，需要飞行员驾驶，并且续航能力受到油箱容量的限制。

现有的四轴飞行器续航能力差，飞行器在飞行中不断消耗存储的能量,而且在飞行过程中能量不能得到补充，飞行器电池的容量决定了飞行器的最大飞行距离。

目前市面上小型飞行器大致有三种，固定翼机型，侦查范围不大，续航时间较短。旋翼机型，动力能源无法解决高效利用，发动机所占比重较大。扑翼仿生机型，低雷诺数下的空气动力学特性问题尚处于研究探索阶段，抗干扰能力尚未很好解决，且续航能力差，大多飞行时长20分钟左右。

吉林大学的太阳能飞行器与本申请提案最为接近，但是他的飞行器结构过于复杂、操作困难、拼装极不方便，整套飞行器价格昂贵。

发明内容

本发明是针对现在小型飞行器存在的问题，提出了一种结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器，是一种全太阳能供电，可在空中长时间悬停，并可进行人流量、车流量的实时传输，隐蔽性能好，价格低廉的微型侦察飞行器。

本发明的技术方案为：一种结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器，包括螺旋桨、数块太阳能电池板、动力控制单元、平衡控制单元，数块太阳能电池板以旋转轴中心对称架设，每块太阳能板的边缘架固定置于碳纤维环上，每块太阳能板的间隙均匀并与飞行器底部圆形骨架连接，螺旋桨轴线与数块太阳能电池板架设的旋转轴重合，螺旋桨位于上方，架设后数块太阳能电池板的面积大于螺旋桨的桨面，数块太阳能电池板架设在螺旋桨产生的气流区域之外，动力控制单元和平衡控制单元中电机的总质心与机架对称线重合。

所述动力控制单元包括无刷电机、六通道接收机、电子调速器和蓄电池，六通道接收机与遥控器无线通讯，六通道接收机输出通过电子调速器控制无刷电机工作，太阳能板给蓄电池充电，蓄电池给动力控制单元中各个部件供电。

所述平衡控制单元包括陀螺仪、带自平衡程序的arduino pro mini芯片、放大器和四个空心杯电机，陀螺仪信号送arduino pro mini芯片，arduino pro mini芯片输出控制信号通过放大器控制对称放置的四个空心杯电机的转速。

所述太阳能电池板采用轻薄可弯曲的太阳能电池板。

所述结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器，还包括摄像头和图像传系统，摄像头采集图像通过图像传系统将图像信息送出。

本发明的有益效果在于：本发明结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器，全太阳能能源续航；结合柯恩达效应减少无用功消耗以及利用压差增大飞行器的升力；节能减排，有效减少了现实中道路监测、地理勘测、战术侦察的不可再生能源消耗、生物质能消耗以及人力财力消耗，同时相对于多轴飞行器有效减少了废声；体积小、重量轻、隐蔽性好。在运行过程中发热量少，可降低被红外探测仪发现的概率；飞行平稳。自行设计辅助平衡系统，具有自平衡功能。

附图说明

图1为本发明结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器原理示意图；

图2为本发明柔性太阳能板铺设俯视图；

图3为本发明电路接线图；

图4为本发明飞行高度平稳测试走势图；

图5为本发明升力测试走势图。

具体实施方式

柯恩达效应是指平顺地流动的流体经过具有一定弯度的凸表面的时候，有向凸表面吸附的趋向。如图1所示结合柯恩达效应的微型太阳能侦察飞行器原理示意图，采用新型轻薄可弯曲的太阳能电池板对称铺设在飞行器表面，并且采用八块电压为2V的电池板串联共同提供整个飞行器所需能量来源，同时结合科恩达效应使得8*6尺寸的螺旋桨产生的升力得到最大化利用。

如图1由于螺旋桨产生的升力气流之中很大一部分被下方载物阻挡，外表曲面便由于柯恩达效应改变升力气流方向，使气流沿着曲率较小的外表面改变方向，巧妙地绕过下方载物的阻碍。如图2所示柔性太阳能板铺设俯视图，太阳能电池板在螺旋桨的下面，太阳能电池板的面积大于螺旋桨的桨面，并且架设在气流区域之外，极大地减少了升力气流的阻碍，减少内力做功。同时由于外壳外表面气流流速快，内表面流速几乎为零，因此也额外产生了压力差，提供了额外升力。

将无刷电机、蓄电池和六通道接收机相连，通过遥控器对FLY-30A电子调速器的控制以达到调整飞行器的各种飞行姿势和动作。

柔性太阳能板的架设参照图2，采用8块18cm*4cm*0.1cm(2V)太阳能板1中心对称架设，方便重心平稳，不堵住风口，太阳能板的边缘架2设于碳纤维环3之上，使之做够牢固但又够灵活柔软，方便弯曲，以减少飞行上升时的阻力，同时不折损有效受光面积。八块太阳能电池板1均匀架设在飞行器底部圆形骨架4上，面积相对螺旋桨较大，有利于重心平稳，同时减少升力气流阻碍。采用共轴5反向螺旋桨也解决了反扭等问题。

采用图传系统：图传的信号线与摄像头的信号线相连接，图传和摄像头的电源线分别接12V电源的正负极，摄像头通过镜头采集图像由图传发射图像信息，接受装置接受图像信息，由采集器采集图像信息并对图像信息进行优化处理并输出到显示屏上。

如图3所示电路接线图，基于C语言编写自平衡程序，通过arduino pro mini芯片实现对陀螺仪模块反馈的信号处理,判断飞行器是否达到平衡状态，再由放大器放大信号输出到arduino pro mini板上的四个输出管脚，控制对称放置的四个空心杯电机的转速,达到使飞行器平衡的功能，利用空心杯电机（无铁芯转子直流、永磁、伺服微特电机）提供的升力足以控制飞行器的平衡。

太阳能供电系统的设计计算：

由于8*6尺寸的浆翼展应在60CM以上，所以加太阳能电池板后的翼展定为60CM。选用与3s蓄电池的参数相匹配的柔性太阳能电池（参数为2V，0.37AH-0.40AH，尺寸为18CM*4CM*0.1CM）实验测得，正午太阳光下电流450MA-470MA。太阳能板正常工作电流为350MA，八块太阳能板串联提供功率：

P=8*2V*350MA=5.6W>4.59W（电机所需功率）。

另外，2V(太阳能电池板电压)*8(太阳能板数)> 11.1V(蓄电电池电压)*1.4(蓄电池充电倍率)充电电压在3S蓄电池充电倍率之内，符合条件。

微化简化模型的设计计算：

当把所有部件缩小尺寸后，可使用新西达A1510电机，其尺寸参数为：

KV：2200；尺寸：Φ18mm x 17.5mm (不含轴)；重量：16.1g/0.57oz；输出轴直径：Φ2mm；输出轴长度：8mm；内阻: 0.52 Ω；最大效率电流: 2A to 6A, >70%；

最大工作电流: 8.5A；IO: 0.5A/10V；计算出保守功率（按电流为4A,效率为70%）则功率P=4*4*0.52*70%=5.824W。

太阳能供电电路设计计算：

由太阳能电池板U_Max≈2V，I≈370mA-400mA，得：

a.              3*680kΩ两端电压≈16V

b.              由于串联分压原理得

c.              中间两电位点分别获压16/3V、32/3V

d.              满足之上3S锂电池等电压平衡充电原理

e.              由于3*680kΩ>>R_3S内

f.              电阻分流较小，减小了电量的损耗

g.              因为电池内阻<25mΩ，所以电流损耗不到1/27.2_*10⁶

h.              若停转时以太阳能充电，约1300mAh/400 mA=3.25h

i.              可以充满

j.              但电池本身不会放电到过于10.6V，则充电时间不到2h。

IN5399 MIC 可采用更多种类的二极管替换，因为充电电流和反向电压并不大，并不需要5399那么大的电流通量和反向峰值电压，同时也可以减小管压降。

升力计算：

公式：拉力（公斤）=直径(米)×螺距(米)×浆宽度(米)×转速2(转/秒)×1大气压力(1标准大气压)×经验系数(0.25)

此飞行器参数代入F=0.2032×0.1524(几何螺距)/1.2×0.02×(16000*0.45/60)2(转/秒)×1×0.25×0.45(修正阻力系数)=0.836127(公斤)与试验数值830克相差不多，足以证明数据合理。

采用新型轻薄可弯曲的太阳能电池板封装工艺，铺设在飞行器表面，减少了对飞行器气动外形的影响，同时减轻了重量。

以太阳能作为续航动力来源，机上载有蓄能装置以储存太阳能电池板的富余能量，实现低空长航时飞行。满足飞行器所有部件的正常运转。

材料性能分析：组件封装采用了UV固化聚合物而且该封装聚合物主要包括EVA和含氟聚合物ETEE（高耐力的ETEE是具有很强透光性的聚合物），优点在于重量轻、耐摔耐踩、可折叠、便携、易配置、柔韧性好。具有良好的缓冲性能，保证了飞行器结构的安全性能；另一方面很高的耐用性使得太阳能电板的使用寿命大大加长，缩短更换电池的周期，最终可实现电脑终端控制。

电机性能分析：无刷电机速度范围宽，可以在任何转速下全功率运行；效率高，尤其是在轻载状况下仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动机提高效率10％以上，比Y系列电动机提高效率20％以上；体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。

经过一系列的实验测试，飞行器飞行高度随着改进的过程逐步提高并趋于稳定，实验测得飞行高度如图4所示。

经过一系列的实验测试，飞行器载重随着改进的过程逐步提高并趋于稳定，实验测得载重量如图5所示。

稳定性能分析：通过遥控器控制飞行器的起降。通过蓝牙模块控制陀螺仪参数实现对飞行器的平衡微调，极大的提高了飞行器的抗风性。辅助平衡系统在不同的风向风速的情况下，会自动调整四个空心杯电机的转速，达到平衡的效果，从而保证飞行器的稳定飞行。