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原文传递轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法

专利名称：	轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法
摘要：	本发明提供了一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，其主要涉及无人机设备技术领域，用于总重60~70kg级别的固定翼无人机。所述方法包括将混合动力推进分为四种不同的工作模式，分别为：最速、标准（最效）、节能、静音，均可以实现起飞、爬升、平飞、降落等飞行动作。混动输出分配通过学习型算法实现，并可以完成对发动机与电动机输出特性的修正。混合动力推进系统主要包含混推控制器、动力电池、主、辅驱动电机及发动机系统。本发明实现了60~70kg级混动无人机在不同的任务平面以不同的功率模式的正常飞行，合理分配混合动力输出，该系统还具有响应迅捷、高效低能耗及支持静音飞行等特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	李玉芳;娄百川;宋迎东;赵万忠
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910001816.9
公开号：	CN110001973A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	B64D27/02(2006.01);B;B64;B64D;B64D27
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统，其特征在于：包括混合动力输出模块，具体为沿无人机对称轴线布置的驱动电机和发动机系统，其中驱动电机包括一台位于无人机前进方向机身前部轴线中央的主驱动电机以及若干相对于无人机轴线左右对称分布的辅助驱动电机，每个驱动电机均连接有位于无人机前进方向机身前部的螺旋桨；所述的发动机系统连接有位于无人机前进方向机身后部的螺旋桨。 2.根据权利要求1所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进系统，其特征在于：所述的无人机还包括飞控模块、混推控制器模块以及为各模块供电的电源模块，其中所述飞控模块包含多种传感器，判断无人机当前姿态，处理输入信号，并将结果信号传递至混推控制器；混推控制器模块的通过分析不同工况下的飞行状态数据确定混合动力输出的分配，并控制混合动力输出模块达到期望功率的输出，实现无人机在不同的任务平面实现多种飞行动作。 3.根据权利要求2所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进系统，其特征在于：所述的混推控制器模块利用学习型算法对从飞控模块获取的数据进行分类，在接收到来自飞控的飞行模式选择信号时选择对应的混合推进模式，分配控制混合动力输出模块输出。 4.根据权利要求2所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进系统，其特征在于：所述的驱动电机的输出功率由混推控制器输出不同占空比的PWM信号通过电子调速器控制，发动机系统的输出功率由混推控制器输出不同占空比的PWM信号控制舵机实现不同的节气门开度控制。 5.根据权利要求2所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进系统，其特征在于：所述的电源模块包含稳压滤波电路。 6.一种轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于包括以下步骤： 1）飞控模块通过其传感器判断无人机当前姿态，处理输入信号，并将结果信号传递至混推控制器； 2）混推控制器接收无人机飞控系统的动力需求，根据选定的工作模式，调节发动机与电动机系统的功率输出；工作模式包括最速、最效、节能和静音四种，其中，最速模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，不限制电动机与发动机的输出；最效模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，限制电动机与发动机的输出，以达到各自或者该混动系统整体的较高效率；节能模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，限制电动机与发动机的输出，以达到各自或者该混动系统整体的较高经济性；静音模式下电动机与发动机均采用负反馈控制，起飞、爬升、平飞、降落均可由电动机独立完成。 7.根据权利要求6所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于：步骤2）中，混合推进系统具体的功率输出分配通过学习型算法实现。 8.根据权利要求7所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于：所述的学习型算法如下， 1）将发动机输出上限与电动机输出上限作为两个变量限值，无人机的学习过程即在两个变量取不同值时完成同一动作的飞行，并记录过程中的电量消耗、燃油消耗以及时间； 2）通过设定不同的发动机输出上限与电动机输出上限两个变量限值，得到不同的电量消耗与燃油消耗，并利用聚类算法将所有的点分为节能与不节能两个分组； 3）通过发动机输出上限与电动机输出上限两个变量取不同的值，得到不同的动作完成时间，并利用聚类算法将所有的点分为最速与不最速两个分组； 4）将电量消耗、燃油消耗与动作完成时间作为三个变量，并利用分类算法将所有的点分为最效与不最效两个分组。 9.根据权利要求8所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于：无人机不同模式下的电动机与发动机的输出限值均基于无人机的学习结果的分组。 10.根据权利要求6所述的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法，其特征在于：步骤1）中，所述的无人机当前姿态包含起飞、爬升、平飞、降落四种，起飞阶段驱动电机以及发动机同时运转以保证足够的起飞速度，此时机翼可以提供足够的升力，同时来自发动机的大推力可以支持无人机完成起飞后的迅速爬升；无人机做平飞动作以巡航速度飞行时，发动机保持在经济转速并中断负反馈控制，由电动机独立在扰动下通过负反馈控制、响应以保持巡航速度，并无输出限制；降落阶段混推控制器首先控制发动机通过离合器与旋翼断开，主驱动电机与辅助驱动电机逐渐减小动力输出，无人机空速降低，升力减小，飞机逐渐下降直至顺利降落；最效模式与节能模式下的平飞速度均为飞行器的巡航速度，发动机系统配合驱动电机实现飞行器的最低功耗巡航飞行；平飞阶段发动机停止运行时、驱动电机全部运转时提供的推力即可满足无人机的正常平飞，可以实现平飞状态下的静音。
所属类别：	发明专利