一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机

摘要

本发明涉及一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机，包括：起落架(1)、机舱(2)、机臂(3)、飞行控制系统(4)、大旋翼(5)、小旋翼(6)、燃油发动机(7)、油泵与油箱(8)、燃油发动机转速控制系统(9)、齿轮组及传动系统(10)、锂电池(11)、电调(12)、电动机(13)。大旋翼(5)提供无人机的主要升力，小旋翼(6)提供无人机的剩余升力以及负责无人机的姿态控制。本发明提出无人机能够在增加载荷的同时增加飞行时间，同时减小无人机的整体外形尺寸，可应用于农业航空、林业航空、物流运输等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及到一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机。

背景技术

无人机已广泛应用于多种行业领域，面向物流的无人机需要大的载荷与长的飞行时间。

目前，多旋翼无人机有三种动力方式：一种是采用电池作为无人机的能源，直接驱动旋翼，其缺点是飞行时间短，同时携带负载能力弱；另外一种方式是，采用燃油发动机驱动，虽然克服了飞行时间短和携带负载能力弱的缺点，但是燃油发动机驱动调速精确性差导致飞行稳定性不足；最后一种是通过燃油发动机发电，将燃油的能量转化为电能，然后再用电来直接驱动旋翼，这种方式稳定性、控制性能和可靠性提高了，但是先通过发电，再采用电动机驱动旋翼，导致了能源转化利用率低，而且发电设备的重量减小了载荷质量。

现有的类似的油电混合动力系统，通过燃油发动机以及减速器带动两个大旋翼提供升力，增加了载荷的同时增加了飞行时间。然而，面向物流的无人机进一步的要求是：增加载荷仓的尺寸，现有的混合动力无人机无法满足面向物流的大载荷的需求。

一旦将现有的混合动力无人机应用于物流运输领域，当载荷仓的尺寸增大时，其中的两个大旋翼产生的风场全部吹向自身的载荷仓，构成了内力，消耗了功率。载荷仓的尺寸越大，功率消耗越明显。如果为了克服这问题，势必需要拉开两个大旋翼的间距，让风场覆盖机身自身的面积尽可能的减小，其结果是无人机的整体外形尺寸非常大。因此，本领域中迫切需要一种能够承载大载荷、功效消耗低、航时长、结构紧凑的无人机。

发明内容

本发明提供一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机，其能够面向物流运输时，针对大尺寸载荷仓的大载重长航时的需求，本发明的无人机能够实现大载重、长航时、减小内力功率损耗、减小外形尺寸。

为了实现本发明的上述发明目的，本技术发明所采用的技术方案为：

本发明一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机，其包括：起落架(1)、机舱(2)、机臂(3)、飞行控制系统(4)、大旋翼(5)、小旋翼(6)、燃油发动机系统(7、8、9)、传动系统(10)、电池(11)、电调(12)、电动机(13)以及载荷仓(14)，其中：

所述起落架(1)固定连接在所述机臂(3)上，或者所述起落架(1)与所述机舱(2)固定连接；所述机臂(3)与所述机舱(2)连接，每个机臂上分别安装一个小旋翼(6)；燃油发动机(7)通过传动系统(10)将燃油发动机(7)的动力输出到所述大旋翼(5)，并带动所述大旋翼(5)旋转。优选地，所述机臂(3)呈十字架方式与所述机舱(2)连接。

所述燃油发动机系统(7、8、9)包括所述燃油发送机(7)、所述油泵与油箱(8)以及所述燃油发动机转速控制系统(9)；所述电池(11)为锂电池。

优选地，仅仅使用一个燃油发动机(7)通过所述传动系统(10)同时驱动两个大旋翼(5)转动。

优选地，所述燃油发动机(7)通过具有减速功能的所述传动系统(10)分别驱动两个所述大旋翼(5)的减速转动，两个所述大旋翼(5)的转速相同，旋转方向相反。

所述传动系统(10)包括齿轮组和传动装置，其包括两级传动，第一级为主动小齿轮(10-1)带动从动大齿轮(10-2)构成的减速器，实现减速增扭输出；第二级为方向变换齿轮组(10-3,10-4,10-5)，实现共轴反转。

所述方向变换齿轮组包括主动伞齿轮(10-3)、过渡伞齿轮(10-4)、从动伞齿轮(10-5)，所述主动伞齿轮(10-3)与所述从动伞齿轮(10-5)转速相同，方向相反，

四个所述小旋翼(6)分别对应由四个所述电调(12)、四个所述电动机(13)控制转动。

所述飞行控制系统(4)将无人机系统所需要一半以上的升力分配给两个所述大旋翼(5)，将无人机系统所需要升力的剩余部分分配给四个所述小旋翼(6)。优选地，所述飞行控制系统(4)将无人机系统所需要的升力的90％以上分配给两个所述大旋翼(5)。

所述飞行控制系统(4)提供五路PWM控制信号，其中四路PWM控制信号分别通过四个所述电调(12)控制对应的所述电机(13)的转速，另外的一路PWM信号传递给所述燃油发动机转速控制系统(9)实现燃油发动机的转速控制。

所述飞行控制系统(4)通过控制四个所述小旋翼(6)以实现无人机的姿态控制。

两个所述大旋翼的直径相等，都大于所述载荷仓(14)在水平面内的最大尺寸。两个所述大旋翼的中间部分不产生升力，仅仅是靠近外端部分产生升力。

两个所述大旋翼是一种特殊的气动外形螺旋桨，所述大旋翼靠近远端部分存在桨距而且产生升力，中间部分没有桨距，不产生升力，仅仅是传递拉力。优选地，所述大旋翼与所述小旋翼在水平方向上形成的旋转面不重合，以避免形成扰流，影响无人机姿态控制的精确性。

本发明燃油发动机通过齿轮组及传动系统实现功率、扭矩平均分配到两个大旋翼产生主要的拉力，承担无人机90％以上的主要载荷，剩余的载荷由电动机带动小旋翼产生的拉力承担，而且姿态控制所需要的扭矩也都由电动机带动小旋翼实现控制。大旋翼与小旋翼都由统一的飞控实现控制。本发明克服了油动发动机的转速控制精度差，无人机在高度方向上的位置精度则完全由燃油发动机控制精度差的不足，本发明在高度方向由电机带动小旋翼提供剩余的升力，实现高精度的飞行高度控制。

现有技术中，油动无人机每一个大旋翼都需要一个油动发动机直接驱动，因此油动发动机的总重量为单个油动发动机重量的整数倍。以某型号172cc排量的油动发动机为例，功率为12.3马力，重量为7公斤左右。6个发动机总量为42公斤左右。另外的某型号360cc排量的油动发动机功率为38马力，重量为9公斤左右。从功率上讲，后者的功率相当于前者的3倍，即3个172cc排量的油动发动机的功率总和,但是3个172cc排量的油动发动机的总重量为21公斤，远远超过了单个360cc排量的油动发动机重量9公斤。也就是说，单个大功率燃油发动机的功率/重量比值远远大于多个燃油发动机系统的总功率/总重量比值，因此本发明大大减轻了无人机的空载重量。

本发明由于采用了减速器驱动大桨，在力效不降低的前提情况下大大提升了载荷。因此本发明同样功率油动发动机情况下的负载能力大。

本发明可以节省发电机部分的重量，而且减小了效率损失。这也是油电混动方案无人机整体功率不大，载荷不大的原因。本发明则没有发电机部分，大大减轻了无人机的自重。

本发明采用了共轴反桨技术，两个大旋翼旋转轴重合，转速相同，旋转方向相反，实现了扭矩抵消的同时，也大幅度减小了整体的外形尺寸。

本发明采用特殊的气动外形的螺旋桨，浆距设置在螺旋桨靠近远端，中间部分不设置浆距，减小了风场内力损耗。

附图说明

图1为本发明一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机立体图。

图2为本发明齿轮组及传动系统放大图。

图3为本发明一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面的描述，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，本发明附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的标记可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。

如图1和3所示，本发明一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机，其结构紧凑，可广泛适用于物流运输，其包括：起落架1、机舱2、四个机臂3、飞行控制系统4、两个大旋翼5、四个小旋翼6、燃油发动机7、油泵与油箱8、燃油发动机转速控制系统9、传动系统10、锂电池、四个电调12、四个电动机13以及载荷仓14。所述起落架1固定连接在所述机臂3上，可选择地，所述起落架1与所述机舱2固定连接；所述机臂3呈十字架方式与所述机舱2连接，每个机臂上分别安装一个小旋翼6；燃油发动机7通过减速功能的传动系统10将燃油发动机7的动力输出到所述大旋翼5，并带动所述大旋翼5旋转。

如图2所示，所述燃油发动机系统包括所述燃油发送机7、所述油泵与油箱8以及所述燃油发动机转速控制系统9；燃油发动机7与油泵与油箱8放在机舱2里面或周围。带减速功能的传动系统10实现燃油发动机7的动力输出到两个大旋翼5并且带动两个大旋翼5共轴反向旋转，两个大旋翼5共轴，轴线处于无人机的几何中心位置，垂直方向。带减速功能的传动系统10包括连接燃油发动机7的第一级主动小齿轮10-1、第一级传动减速器的从动齿轮10-2、差速器结构的第二级传动的主动伞齿轮10-3、差速器结构的第二级传动的过渡伞齿轮10-4、差速器结构的第二级传动的从动伞齿轮10-5，主动伞齿轮10-3与从动伞齿轮10-5转速相同，方向相反，而且都是经过减速之后的。减速比由第一级主动小齿轮10-1与第一级传动减速器的从动齿轮10-2的齿数比决定。

图3表示了两个大旋翼5的结构，其包括能够产生升力的桨叶部分5-1以及不能够产生升力的桨柄部分5-2。桨叶部分5-1有桨距，桨柄部分5-2无桨距。桨叶部分5-1与桨柄部分5-2部分通过前期一体化的方式一次设计与制造或者后期连接的方式固定在一起。桨叶部分设置在靠近大旋翼的远端，大旋翼的中间部分为无浆距的浆柄部分。

本发明一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机控制过程如下：

C1:油箱装油，油泵把油箱里面的油吸出来送至电喷系统。

C2:燃油发动机转速控制系统接收来自飞行控制系统4输出的PWM信号，再给电喷系统，改变发动机的转速。转速控制采用反馈控制技术，采用发动机转速传感器实时检测发动机的转速，然后与代表指令转速的PWM信号进行比较，形成转速误差，然后根据转速误差采用PID控制策略控制电喷系统里面油门量的大小实现发动机的转速控制。

C3:飞行控制系统里面包含了惯性传感器、卫星导航传感器、磁传感器、气压高度计等各种导航传感器，还包括了导航算法模块在飞行控制系统中运行，最终可以得到实时的无人机位置、速度、姿态等信息。

C4:飞行控制系统根据控制算法得到无人机位置指令、速度指令、姿态指令、姿态角速率指令等。最终根据这些指令得到控制旋翼转动速度相关联的动力学控制量(以无人机体坐标系为例)：X轴滚转力矩值、Y轴俯仰力矩值、Z轴偏航力矩值、总升力值。

C5:飞行控制系统把总升力值90％以上分配给燃油发动机所带动的两个旋翼，把总升力值剩余的部分分配给四个电机。四个电机同时还要分配来自X轴滚转力矩值、Y轴俯仰力矩值、Z轴偏航力矩值的控制量。分配的结果是各自的PWM输出量，脉宽最高值代表了系统的最大转速输出值。燃油发动机转速控制系统根据飞行控制系统输出的PWM脉冲宽度控制燃油发动机的转速，四个电调同样根据飞行控制系统输出的PWM脉冲宽度控制电动机的转速。

本发明提出一种油电混合动力的大载荷多旋翼无人机能够在增加载荷的同时增加飞行时间，同时减小无人机的整体外形尺寸，可应用于农业航空、林业航空、物流运输等领域。