[发明专利]一种串联式油电混合动力无人飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行器，特别是一种串联式油电混合动力的无人飞行器。

背景技术

近年，无刷电动无人机因其良好的机动性、灵活性和便捷性得到了广泛的使用。大多数多旋翼飞行器由电池、电动机、电子调速器、飞行控制器四个主要部件组成。

目前绝大部分无刷电动无人机利用高分子锂电池提供能源。被电池的能量密度所限，无人机的续航时间大多被限制在30分钟以内。增加电池的挂载量并本能有效提高续航时间，因为更多的电池增加了起飞重量，从而要求电动机以更高的输出来滞空，所以难以实现更长续航时间。

目前有两种已知方案可以有效延长无人的续航时间，四种方法都可将无人机的续航时间提升到30分钟以上，但是也各有缺点：第一种是以专利CN102514711A和CN204473131U为代表的并联式油电混合动力方案；此方案利用燃油机和电动机分别带动不同的旋桨，以燃油机为动力输出主体，电动机为动力输出辅助来实现延长续航时间；因为利用了燃油机对旋翼的直接输出，此方案对旋桨布局和机体结构有特殊要求，所以在设计时难免要在气动布局和结构布局的优化上做必要的取舍；第二种是以一家德国公司Yeair的设计为代表的并联式油电混合动力方案，与第一种方案不同之处在于其利用燃油发动机和电动机带动同一个旋桨，即每一个旋桨配备两个动力来源；这种方案虽然对续航有一定的提升，但是多个微型化的燃油发动机势必会降低发动机的综合热效率和提高故障机率。第三种是一家美国公司GeneratorSmart设计的适用于Walkera无人机的增程器；GeneratorSmart利用微型硝基发动机以极高的固定转速带动发电机。硝基发动机虽然有较高的功率重量比，但是燃烧效率较低；而且因为使用硝基甲烷作为燃料，使用成本远远高于汽油机。固定速度的运转模式虽然可以达到增程目的，但是不能算作是真正意义上的混个动力，混合动力要求发动机可以对输出和电量的变化做出油门调节。第四种方法是应用燃料电池来取代锂电池为飞行器供能。燃料电池虽然有着很大的能量密度，但是现有技术的功率重量比远低于微型内燃机而且其成本高昂，所以现有技术在无飞行器上的应用存在重重困难。

因此设计一款能够突破电池能量密度低的瓶颈，大幅延长无人机的续航时间，同时克服上述现有技术方案的制约条件是本领域亟需解决的一个技术问题。

发明内容

为克服上述同类技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种油电混合无人飞行器，可以大幅延长由于电池能量密度所限制的飞行时间。

实施本发明所采用的技术方案是：

一种串联式油电混合动力无人飞行器，包括机体、多个电动机和多个旋桨，还包括：

燃油发动机，用于提供动能；

交流发电机，用于将燃油发动机的动能转化为交流电；

整流器，用于将交流发电机的交流电能转化为直流电；

电池组，用于储存交流发电机或外部的电能且为多个电动机提供电能；

油门伺服，用于调节燃油发动机进气阀门角度，控制燃油发动机转速；

包括控制电路，所述控制电路包括：

a、油门控制器，用于为油门控制伺服提供脉冲信号；

b、转速误差模块，用于为油门控制器提供脉冲信号；

c、转速PID控制器，用于设定转速并为转速误差模块提供脉冲信号；

d、电压误差模块，用于为转速PID控制器提供脉冲信号；

e、电压换算模块，用于设置飞行器运行电压并为电压误差模块提供输入信号；

所述电压误差模块的输入信号还包括电池组的电压信号；

所述转速误差模块的输入信号还包括交流发电机的反馈信号和发动机的转速信号；

所述控制电路实时检测电池组的电量和充放电状态，并闭路控制所述燃油发动机的转速，从而控制电池组的电量。

优选地，所述整流器为包括多个N型金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET的同步整流器。

优选地，所述燃油发动机为两冲程汽油发动机，驱动或通过变速器驱动所述交流发电机。

优选地，所述燃油发动机为转子发动机；所述转子发动机直接带动或通过变速器间接带动所述交流发电机。

优选地，本发明还包括启动器，用于多个电动机平稳启动以及软停车、制动、过载保护。