一种多能量复合推进的混联式无人机及其控制方法与流程

专利2022-05-09  2


本发明属于无人机推进和传动技术领域,具体涉及一种多能量复合推进的混联式无人机及其控制方法。



背景技术:

随着无人机技术应用的普及,无人机在民用与军用领域大放异彩,涌现了一批批优秀的无人机制造企业,无人机市场也在不断地扩张,推动着无人机技术向前发展。

目前石油能源日益紧缺,全球气候变暖、环境污染等问题亟待解决。传统的无人机油耗大,且随着无人机技术的发展,人们对无人机的续航能力、隐蔽性以及机动性提出了更高的要求,混合动力无人机应运而生。

无人机混合动力结构主要有串联式、并联式和混联式,混联式可以综合串联式和并联式的优点,因此许多研究致力于混联式混合动力无人机的开发设计。然而,目前混联式混合动力无人机的技术还不够完善,具体体现在以下几个方面:

1)现有的混联式混合动力无人机无法从根本上解决动力与能耗的矛盾。通常混联式混合动力无人机需要通过发动机更大的输出来获得较充足的动力,但是同时大大增加了其油耗和排放;相反地,若要达到良好的节能减排效果,混联式混合动力无人机又面临动力不足的严峻问题,其机动性、鲁棒性大打折扣;

2)现有的混联式混合动力无人机通常为发动机与螺旋桨通过轴直接相连,发动机受外界环境干扰较大,无法保证其以最大效益持续运转;

3)现有的混联式混合动力无人机的推进与传动系统优化不足,无人机并不能够显著地节省燃料、极大地减少污染物质的排放,并且现有的混联式推进与传动系统相比串并联推进与传动系统往往制造成本更高、占用空间更大。

另外,单一电机的设计使得电机在特定需要下充当电动机时无法回收多余的能量。



技术实现要素:

针对于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种多能量复合推进的混联式无人机及其控制方法,以解决现有技术中混合动力无人机发动机与电机功率需求大、发动机不能保持在最佳工作区域的问题。本发明中无人机的发动机与螺旋桨独立,能够在最大效率的条件下运转,且无人机能够显著地节省燃料、极大地减少污染物质的排放,同时确保整个推进系统具有最大效益。

为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:

本发明的一种多能量复合推进的混联式无人机,包含:机身、第一机翼、第二机翼、尾翼、控制模块、传感器模块、混合动力推进和传动系统;

所述第一机翼、第二机翼分别设置在所述机身中部的两侧,所述尾翼设置于机身尾部的两侧,所述控制模块、传感器模块均设置在所述机身内;

所述混合动力推进和传动系统,包含:设置于机身内的活塞发动机、第一驱动电机、第二驱动电机、机械联接器、电气连接装置、蓄电池装置、离合器,及设置于机身尾部的螺旋桨;

所述活塞发动机刚性固定于所述机身的框架上;所述活塞发动机与所述第一驱动电机的安装位置在同一水平面上,且活塞发动机的输出轴与第一驱动电机的定子相连;

所述第一驱动电机的转子通过第一驱动电机的输出轴与所述机械联接器相连;

所述机械联接器通过所述第二驱动电机的输出轴与所述第二驱动电机的转子相连;

所述第二驱动电机安装在所述第一驱动电机的下方;第二驱动电机的定子刚性固定于所述机身的框架上;第二驱动电机的转子还通过第二驱动电机的输出轴与所述离合器相连;

所述离合器通过所述离合器的输出轴与所述螺旋桨的转轴相连;

所述电气连接装置与蓄电池装置安装在所述第二驱动电机所在平面上;

所述第一驱动电机、第二驱动电机均通过所述电气连接装置与所述蓄电池装置连接;

所述传感器模块用于实时采集加速度、高度及气压信号,并将采集到的信号发送给与其电气连接的控制模块;

所述控制模块分别与所述传感器模块、第一驱动电机、第二驱动电机、信号对活塞发动机及离合器电气相连,并根据接收到的信号对活塞发动机、第一驱动电机、第二驱动电机、离合器进行控制。

进一步地,所述离合器通过控制模块传递的控制信号实现闭合与断开,以完成传递或切断发动机输出的动力。

进一步地,所述尾翼上铰接有升降舵,用于实现无人机的俯仰控制,保持无人机在飞行中的稳定性和控制无人机的飞行姿态。

进一步地,所述第一驱动电机和第二驱动电机均在特定条件下逆转为发电机。

进一步地,所述机械联接器由连杆/同步带与减速器组成。

进一步的,所述减速器是齿轮减速器、蜗杆减速器或行星齿轮减速器。

进一步地,所述电气连接装置为二极管电桥、逆变器或其它等效的电气装置。

进一步地,所述蓄电池装置由超级电容器或基于pb、pb-gel、ni-mh、li-ion的电池构成;该蓄电池装置回收第一驱动电机和第二驱动电机产生的剩余电能,从而将剩余电能供给至无人机的其他设备,或调节两个驱动电机的运转。

本发明还公开了一种多能量复合推进的混联式无人机的控制方法,基于上述混联式无人机,包含以下步骤:

1)无人机启动控制:控制模块控制第一驱动电机或第二驱动电机启动,带动活塞发动机启动;

2)获取飞行环境信息,并估计蓄电池装置的soc信号;

3)无人机起飞控制:控制模块根据蓄电池装置的soc信号和设定的soc阈值,调控活塞发动机和第一驱动电机、第二驱动电机的运行状态;

4)无人机巡航控制:控制模块根据蓄电池装置的soc信号和设定的soc阈值,调控发动机和电机的运行状态;

5)无人机降落控制:控制模块控制发动机和电机的运行。

进一步地,所述步骤2)中通过传感器模块获取无人机的实时加速度、高度、气压信号,并估计飞行速度,调整活塞发动机、第一驱动电机和第二驱动电机的输出功率需求。

进一步地,所述步骤2)中的蓄电池装置soc信号估算采用扩展卡尔曼滤波(ekf)算法,基于一阶rc等效电路模型的状态方程和观测方程如下所示:

uk=g(sock)-uk-r0ik vi

式中,sock-1表示蓄电池装置k-1时刻soc估算值,sock表示蓄电池装置k时刻下soc估计值,uk-1为蓄电池装置k-1时刻极化电压,uk为蓄电池装置k时刻极化电压,r0为欧姆内阻,ik为流过电池的电流,ηi表示充放电库仑效率,cmax表示蓄电池装置的最大可用容量,c和r为二阶rc电路的极化容值和极化阻值,δt为采样时间,wk为过程噪声,g(soc(k))为拟合得到的ocv-soc关系函数,vi为量测噪声;

采用的扩展卡尔曼滤波算法具体步骤如下:

扩展卡尔曼滤波算法模型的输入为无人机蓄电池装置工况电流、电池实测端电压;对非线性观测方程在滤波值处进行一阶泰勒展开,得到扩展卡尔曼滤波方程,由soc初始值通过迭代公式计算得到k-1时刻soc估算值;

p(k|k-1)=a(k-1)p(k-1)a(k-1)t q

k(k)=p(k|k-1)c(k)t[c(k)p(k|k-1)c(k)t r]-1

p(k)=[i-k(k)c(k)]p(k|k-l)

式中,表示k时刻的一步状态预测;p(k|k-1)是k时刻的一步协方差预测p(k)是k时刻对应的协方差矩阵,表示状态估计的不确定性;k(k)为k时刻的卡尔曼增益矩阵,代表实际观测值y(k)在修正预测值时所占比重。

进一步地,所述步骤3)中的soc阈值选择为0.4、0.6和0.9,保证蓄电池装置的工作电压不会因电量过低而出现大的波动。

进一步地,所述步骤3)中发动机和电机的调控步骤如下:

31)当蓄电池装置的soc大于0.4时,控制模块控制离合器闭合,控制模块控制活塞发动机增大功率,活塞发动机达到其最大转速,第一驱动电机运转为推进器,第二驱动电机运转为发电机,此时第一驱动电机的转速ω2大于活塞发动机的转速ω1,第一驱动电机由蓄电池装置通过电气连接装置供电,第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电;

32)当蓄电池装置的soc小于0.4时,控制模块控制离合器断开,控制模块控制活塞发动机增大功率,活塞发动机达到其最大转速,第一驱动电机、第二驱动电机运转为发电机,此时ω1大于ω2,第一驱动电机、第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电。

所述步骤4)中无人机巡航时空中飞行环境情况不良,如遇强风、强气流,控制模块还能在活塞发动机处于稳定和特定的转速下,控制第一驱动电机运转为推进器,使无人机获得比原先更加强劲的动力。进一步地,所述步骤4)中发动机和电机的调控步骤如下:

41)当蓄电池装置的soc大于0.6时,控制模块控制活塞发动机的转速ω1,使其维持在小于850转每分钟,此时发动机实现怠速运转,第一驱动电机运转为电磁联接器,第二驱动电机运转为发电机,此时ω1等于第一驱动电机的转速ω2,第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电;

42)当蓄电池装置的soc小于0.6时,控制模块控制活塞发动机的转速ω1,使其维持在6000转每分钟,第一驱动电机运转为发电机,第二驱动电机运转为推进器,此时ω1大于ω2,第一驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电,第二驱动电机由蓄电池装置通过电气连接装置供电,当蓄电池装置的soc等于0.9时,控制模块控制活塞发动机的转速ω1,使其重新维持在小于850转每分钟,第一驱动电机紧接着运转为电磁联接器。

进一步地,通过所述步骤41)和42)使得无人机在巡航阶段蓄电池装置的soc值维持在0.6以上。

由于步骤41)和42)使得无人机在巡航阶段蓄电池装置的soc值维持在0.6以上,无人机在启动阶段蓄电池装置的soc值通常不低于0.4,无人机久置可能会导致无人机在启动阶段蓄电池装置的soc值低于0.4,所以步骤32)通常不会被执行,更证明无人机在通常情况下从启动到起飞的整个过程是流畅的。

进一步地,所述步骤5)中控制模块控制活塞发动机熄火,第一驱动电机运转为推进器,第二驱动电机运转为发电机,第一驱动电机由蓄电池装置通过电气连接装置供电,第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电,此时无人机实现纯电驱动。

所述步骤5)中无人机降落时空中飞行环境情况不良,如遇强风、强气流,控制模块还能控制第一驱动电机,使得其获得更高的转速,使无人机获得比原先更加强劲的动力。

本发明的有益效果:

本发明的活塞发动机与其螺旋桨独立,能够使该活塞发动机在污染物质排放量和能源消耗量均有效减少的前提条件下以怠速水平运转,降低了在能量从活塞发动机传递至螺旋桨的过程中的消散,并且还能够以连续的方式改变传动比,更加高效地实现对无人机飞行速度和动力输出的控制;

本发明的无人机能够以安静的方式起动活塞发动机,当无人机停止工作时能够迅速切断该活塞发动机,并且能够仅仅在借助安装在无人机自身上的两个电机之一达到预设速度的情况下重新起动该活塞发动机;

本发明的无人机能够在各工作状态下对两个电机的转速进行灵活调整,使得两个电机能够在推进器、发电机、电磁联接器三种功能中迅速切换,在整个飞行过程中回收能量,提高无人机的续航里程,实现节能减排;

本发明的无人机能够适应恶劣飞行环境,其在活塞发动机保持较恒定转速的同时能够迅速通过电机加持输出获得更加强劲的动力,以应对各种突发环境状况如强风、强气流等,极大地增强无人机的机动能力,使无人机的控制更具鲁棒性;

本发明的无人机电气推进还能使得其环境噪声排放大大减少。

附图说明

图1是本发明的多能量复合推进的混联式无人机结构俯视图;

图2是本发明的多能量复合推进的混联式无人机结构侧视图;

图3是本发明的混合推进和传动系统的结构图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1-图3所示,本发明的一种多能量复合推进的混联式无人机,包含:机身1、第一机翼2、第二机翼3、尾翼4、控制模块5、传感器模块6、混合动力推进和传动系统7;

所述第一机翼2、第二机翼3分别设置在所述机身1中部的两侧,所述尾翼4设置于机身1尾部的两侧,所述控制模块5、传感器模块6均设置在所述机身1内;

所述混合动力推进和传动系统,包含:设置于机身内的活塞发动机21、第一驱动电机24、第二驱动电机25、机械联接器26、电气连接装置23、蓄电池装置22、离合器27,及设置于机身尾部的螺旋桨28;

所述活塞发动机21刚性固定于所述机身的框架上;所述活塞发动机21与所述第一驱动电机24的安装位置在同一水平面上,且活塞发动机21的输出轴33与第一驱动电机的定子31相连;

所述第一驱动电机的转子32通过第一驱动电机24的输出轴36与所述机械联接器26相连;

所述机械联接器26通过所述第二驱动电机25的输出轴37与所述第二驱动电机的转子34相连;所述机械联接器由连杆/同步带与减速器组成;所述减速器是齿轮减速器、蜗杆减速器或行星齿轮减速器等常用减速器。

所述第二驱动电机25安装在所述第一驱动电机21的下方;第二驱动电机的定子35刚性固定于所述机身的框架上;第二驱动电机的转子34还通过第二驱动电机25的输出轴与所述离合器27相连;

所述第一驱动电机和第二驱动电机均在特定条件下逆转为发电机;所述特定条件具体参见下述步骤41)和步骤42)。

所述离合器27通过所述离合器27的输出轴与所述螺旋桨28的转轴相连;所述尾翼4上铰接有升降舵,用于实现无人机的俯仰控制,保持无人机在飞行中的稳定性和控制无人机的飞行姿态;所述离合器27通过控制模块传递的控制信号实现闭合与断开,以完成传递或切断发动机输出的动力。

所述电气连接装置23与蓄电池装置22安装在所述第二驱动电机25所在平面上;所述电气连接装置为二极管电桥、逆变器或其它等效的电气装置。

所述第一驱动电机24、第二驱动电机25均通过所述电气连接装置23与所述蓄电池装置22连接;

所述传感器模块6用于实时采集加速度、高度及气压信号,并将采集到的信号发送给与其电气连接的控制模块5;

所述控制模块5分别与所述传感器模块6、第一驱动电机、第二驱动电机、信号对活塞发动机21及离合器27电气相连,并根据接收到的信号对活塞发动机21、第一驱动电机、第二驱动电机、离合器27进行控制。

所述蓄电池装置由超级电容器或基于pb、pb-gel、ni-mh、li-ion的电池构成;该蓄电池装置回收第一驱动电机和第二驱动电机产生的剩余电能,从而将剩余电能供给至无人机的其他设备,或调节两个驱动电机的运转。

本发明还公开了一种多能量复合推进的混联式无人机的控制方法,包含以下步骤:

1)无人机启动控制:控制模块控制第一驱动电机或第二驱动电机启动,带动活塞发动机启动。

2)获取飞行环境信息,并估计蓄电池装置的soc信号;所述步骤2)中通过传感器模块获取无人机的实时加速度、高度、气压信号,并估计飞行速度,调整活塞发动机、第一驱动电机和第二驱动电机的输出功率需求;

蓄电池装置soc信号估算采用扩展卡尔曼滤波(ekf)算法,基于一阶rc等效电路模型的状态方程和观测方程如下所示:

uk=g(sock)-uk-r0ik vi

式中,sock-1表示蓄电池装置k-1时刻soc估算值,sock表示蓄电池装置k时刻下soc估计值,uk-1为蓄电池装置k-1时刻极化电压,uk为蓄电池装置k时刻极化电压,r0为欧姆内阻,ik为流过电池的电流,ηi表示充放电库仑效率,cmax表示蓄电池装置的最大可用容量,c和r为二阶rc电路的极化容值和极化阻值,δt为采样时间,wk为过程噪声,g(soc(k))为拟合得到的ocv-soc关系函数,vi为量测噪声;

采用的扩展卡尔曼滤波算法具体步骤如下:

扩展卡尔曼滤波算法模型的输入为无人机蓄电池装置工况电流、电池实测端电压;对非线性观测方程在滤波值处进行一阶泰勒展开,得到扩展卡尔曼滤波方程,由soc初始值通过迭代公式计算得到k-1时刻soc估算值;

p(k|k-1)=a(k-1)p(k-1)a(k-1)t q

k(k)=p(k|k-1)c(k)t[c(k)p(k|k-1)c(k)t r]-1

p(k)=[i-k(k)c(k)]p(k|k-l)

式中,表示k时刻的一步状态预测;p(k|k-1)是k时刻的一步协方差预测p(k)是k时刻对应的协方差矩阵,表示状态估计的不确定性;k(k)为k时刻的卡尔曼增益矩阵,代表实际观测值y(k)在修正预测值时所占比重。

3)无人机起飞控制:控制模块根据蓄电池装置的soc信号和设定的soc阈值,调控活塞发动机和第一驱动电机、第二驱动电机的运行状态;

所述步骤3)中的soc阈值选择为0.4、0.6和0.9,保证蓄电池装置的工作电压不会因电量过低而出现大的波动。

其中,发动机和电机的调控步骤如下:

31)当蓄电池装置的soc大于0.4时,控制模块控制离合器闭合,控制模块控制活塞发动机增大功率,活塞发动机达到其最大转速,第一驱动电机运转为推进器,第二驱动电机运转为发电机,此时第一驱动电机的转速ω2大于活塞发动机的转速ω1,第一驱动电机由蓄电池装置通过电气连接装置供电,第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电;

32)当蓄电池装置的soc小于0.4时,控制模块控制离合器断开,控制模块控制活塞发动机增大功率,活塞发动机达到其最大转速,第一驱动电机、第二驱动电机运转为发电机,此时ω1大于ω2,第一驱动电机、第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电。

所述步骤4)中无人机巡航时空中飞行环境情况不良,如遇强风、强气流,控制模块还能在活塞发动机处于稳定和特定的转速下,控制第一驱动电机运转为推进器,使无人机获得比原先更加强劲的动力。

4)无人机巡航控制:控制模块根据蓄电池装置的soc信号和设定的soc阈值,调控发动机和电机的运行状态;

发动机和电机的调控步骤如下:

41)当蓄电池装置的soc大于0.6时,控制模块控制活塞发动机的转速ω1,使其维持在小于850转每分钟,此时发动机实现怠速运转,第一驱动电机运转为电磁联接器,第二驱动电机运转为发电机,此时ω1等于第一驱动电机的转速ω2,第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电;

42)当蓄电池装置的soc小于0.6时,控制模块控制活塞发动机的转速ω1,使其维持在6000转每分钟,第一驱动电机运转为发电机,第二驱动电机运转为推进器,此时ω1大于ω2,第一驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电,第二驱动电机由蓄电池装置通过电气连接装置供电,当蓄电池装置的soc等于0.9时,控制模块控制活塞发动机的转速ω1,使其重新维持在小于850转每分钟,第一驱动电机紧接着运转为电磁联接器。

通过所述步骤41)和42)使得无人机在巡航阶段蓄电池装置的soc值维持在0.6以上。

由于步骤41)和42)使得无人机在巡航阶段蓄电池装置的soc值维持在0.6以上,无人机在启动阶段蓄电池装置的soc值通常不低于0.4,无人机久置可能会导致无人机在启动阶段蓄电池装置的soc值低于0.4,所以步骤32)通常不会被执行,更证明无人机在通常情况下从启动到起飞的整个过程是流畅的。

5)无人机降落控制:控制模块控制发动机和电机的运行。

控制模块控制活塞发动机熄火,第一驱动电机运转为推进器,第二驱动电机运转为发电机,第一驱动电机由蓄电池装置通过电气连接装置供电,第二驱动电机通过电气连接装置给蓄电池装置充电,此时无人机实现纯电驱动;

所述步骤5)中无人机降落时空中飞行环境情况不良,如遇强风、强气流,控制模块还能控制第一驱动电机,使得其获得更高的转速,使无人机获得比原先更加强劲的动力。

本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。

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