一种混合动力的无人机 |
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| 申请号 | CN201610159972.4 | 申请日 | 2016-03-18 | 公开(公告)号 | CN105711825A | 公开(公告)日 | 2016-06-29 |
| 申请人 | 吴李海; | 发明人 | 吴李海; | ||||
| 摘要 | 本 发明 适用于遥控 机器人 技术领域，提供了一种混合动 力 的无人机，该无人机包括飞行装置、遥控装置、 燃料 发动机 、同轴正反转 齿轮 箱及同轴上下正反转螺旋桨，所述飞行装置通过无线通信连接所述飞行装置，所述燃料发动机设于所述飞行装置的顶面中心点，所述同轴正反转齿轮箱设于所述燃料发动机上，所述燃料发动机的极轴置于所述同轴正反转齿轮箱内与所述同轴正反转齿轮箱内的齿轮连接，所述同轴上下正反转螺旋桨的正反转旋 转轴 设于所述同轴正反转齿轮箱上，所述同轴上下正反转螺旋桨的正反转 旋转轴 分别连接所述同轴正反转齿轮箱内的正反转旋转齿轮，所述燃料发动机的发 电机 输出端连接所述供电装置。结构简单，操作方便，维护方便，成本低廉。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种混合动力的无人机，其特征在于：该无人机包括飞行装置、遥控装置、燃料发动机、同轴正反转齿轮箱及同轴上下正反转螺旋桨，所述飞行装置通过无线通信连接所述飞行装置，所述燃料发动机设于所述飞行装置的顶面中心点，所述同轴正反转齿轮箱设于所述燃料发动机上，所述燃料发动机的极轴置于所述同轴正反转齿轮箱内与所述同轴正反转齿轮箱内的齿轮连接，所述同轴上下正反转螺旋桨的正反转旋转轴设于所述同轴正反转齿轮箱上，所述同轴上下正反转螺旋桨的正反转旋转轴分别连接所述同轴正反转齿轮箱内的正反转旋转齿轮，所述燃料发动机的发电机输出端连接所述供电装置。 |
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| 说明书全文 | 一种混合动力的无人机技术领域背景技术[0002] 安全、绿色、环保是我国非常关注的奋斗目标。 [0003] 我国林业用地面积为26329.5万公顷，森林面积15894.1万公顷；2005年世界森林面积约为39.5亿hm2，占陆地面积的30.3%但因⑴烧荒；⑵炼山造林；⑶烧灰积肥；⑷烧田埂；⑸烧秸秆；⑹林区内吸烟、乱丢烟蒂； ⑺林区内野炊、烧烤； ⑻林区内上坟烧纸、烧香点烛、燃放鞭炮；⑼林区内使用枪械狩猎；⑽进入林区的汽车漏火、喷火；⑾旅客和司乘人员乱丢烟蒂火种；⑿机械跑火；⒀雷击起火等以上人为用火行为和自然灾害都会引发森林火灾。⑴森林火灾不仅能烧死许多树本，降低林分密度，破坏森林结构；同时还引起树种演替，向低价值的树种、灌丛、杂草更替，降低森林利用价值。⑵由于森林烧毁，造成林地裸露，失去森林涵养水源和保持水土的作用，将引起水涝、干旱、山洪、泥石流、滑坡、风沙等其他自然灾害发生。⑶被火烧伤的林木，生长衰退，为森林病虫害的大量衍生提供了有利环境，加速了林木的死亡。森林火灾后，促使森林环境发生急剧变化，使天气、水域和土壤等森林生态受到干扰，失去平衡，往往需要几十年或上百年才能得到恢复。⑷森林火灾能烧毁林区各种生产设施和建筑物，威胁森林附近的村镇，危及林区人民生命财产的安全，同时森林火灾能烧死并驱走珍贵的禽兽。森林火灾发生时还会产生大量烟雾，污染空气环境。此外，扑救森林火灾要消耗大量的人力、物力和财力，影响工农业生产。有时还造成人身伤亡，影响社会的安定。为了有效预防和扑救森林火灾，人们很是辛苦。 一、组织落实，建立机构。建立以领导带头的各级庞大的领导小组。 二、分片负责，明确任务 三、落实扑救队伍，备足扑救器械四、扑火预案，抢险措施。各级24小时值班。这么复杂的工作，我们可以利用本项目的无人机来轻松解决。如发现火灾，不用动员几万名群众翻山越岭跑个几小时，利用原始工具扑火，甚至没办法灭火，只能眼睁睁看大火把一个个山头全部烧掉。就用吊灭火剂的多旋翼无人机，每小时90公里，几分钟飞到，在山火还是小苗头下，直接在1米高度顶部投放100斤以上的灭火剂弹，一下子把100平方全部扑灭。 [0004] 沈阳皇朝万鑫起火，消防设备只能达到10层，10层到20层只能眼睁睁的看着燃烧，难道建这样的大高楼时没人想到这个问题？又如，11.15上海胶州路高层大火，面对大火消防员束手无策，高层建筑火灾是全世界消防灭火队伍最为头疼的三大难题之一。我国城市建设发展太快，高楼越来越多，但消防能力不能与城市建设规模达到同样水平。如能用吊灭火剂或免火弹的无人机，对火投放100斤以上的灭火剂弹，一下子把上百平方的火全部扑灭。 [0005] 中国科学院已初步探明中国西北干旱气候的成因主要是海陆分布的作用和青藏高原的隆升。庞大的人口对粮食需求量巨大，一旦发生干旱，粮食大面积减产，粮食安全受到极大威胁，产生的社会后果不堪设想；故粮食是国家经济发展和社会稳定的基础。人工降雨是一种对抗干旱的有效方法。其方法有四种, 降温,结晶剂, 吸湿剂和水雾。其基本方法，是根据云的性质，分别向云体内播撒制冷剂（如干冰、丙烷等）、结晶剂（如碘化银、碘化铅、间苯三酚、四聚乙醛、硫化亚铁等）、吸湿剂（如食盐、尿素、氯化钙）和水雾等，以改变云滴的大小、分布和性质，改变或加速其生长过程，达到降水或消云的目的。 云是由水汽凝结而成；而云的厚度以及高度通常由云中水汽含量的多寡以及凝结核的数量、云内的温度所决定。一般来说，云中的水汽胶性状态比较稳定，不易产生降水，而人工增雨就是要破坏这种胶性稳定状态。通常的人工降雨就是通过一定的手段在云雾厚度比较大的中低云系中播散催化剂（碘化银）从而达到降雨目的。一是增加云中的凝结核数量，有利水汽粒子的碰并增大；二是改变云中的温度，有利扰动并产生对流。而云中的扰动及对流的产生，将更加有利于水汽的碰并增大，当空气中的上升气流承受不住水汽粒子的飘浮时，便产生了降雨。人工降雨是用飞机、火箭和火炮在冷云中撒下干冰、碘化银、碘化铝、硫化铜、间苯三酚和尿素等，或用飞机在暖云中播撒食盐、氯化钙、硝酸铵等吸湿性物质或樟脑、矽胶等表面活性物质，从而达成降雨的目的。本飞行装置可以吊起制冷剂、结晶剂、吸湿剂等在云中喷洒，因其气强微米级喷嘴和飞机本身气流，达到最好的降雨效果。 [0006] 我国作为农业大国，农作物病虫害的防治、施肥任重而道远，往往像水稻等类似的农药喷洒一直都是人力有所不及。多旋翼飞行器因其安全性和易用性、检查维护简单、起降条件很低，只要十平方米大的平地就够了，操纵简单，一个人只需半天就学会，稳定飞行等特性，携带药液、叶面肥进行低空喷洒（比农作物高2米），也可进行水稻、牧草、造林等飞播作业。也就是说对液体、粉剂、固体都可投放，还可以辅助授粉，甚至携带病虫色谱摄影设备对大面积植被进行病虫害监测和预警。因带独特喷头设计的多旋翼无人机有以下突出优点：便携，投放准确（比无人直升机更容易控制高度、速度、旋翼强大气流、喷洒更均匀全覆盖）、超低空作业、作业质量好、无噪音、节约劳动力（相比人工提高功效100到500倍），利用旋翼强大气流作用于作物根部，而且促使作物叶片摆动，使得正反面均可着药，大大提高施药效果，穿透性好，提高农药利用率100倍以上，节约农药十分之九以上，对人员安全性好，是实现统防统治和实施绿色植保，公共植保，创建人和环境友好型社会，实现解决农业生产田间管理现存问题的重大突破，并顺应当前农村土地流转的不断加速，从个人土地向规模化工业化经营转变、农村劳动力减小等社会主流。中国有水稻4.5亿亩，一架飞机的防治面积为1000亩/虫季，那么需要45万架农用无人机，到2025年将超过30万架，超过500亿元市场销售额。但为何多旋翼植保机或农药喷洒无人机现在不能大规模推广，农民一提到它就皱眉头，根本缺陷就是现有行业产品载重药水在5公斤到10多公斤，远不能满足实际大容量的50公斤以上的需求。本机就能解决这个难题。 [0007] 无人机送货在关键时刻，它的作用远超过它的顾虑，如应急抢险、救援物流，比方说一些抢救药品，比较偏僻的地方，比方说中西部地区车辆坏了或路不通，如果用其他方式不方便的话，用无人机去送。而且物流由城市反攻农村是大势所趋，怪不得现在无人机物流快递风风火火，但它的发展需要解决很多技术、法律、社会问题，但载重量不大、飞行时间短是它的最大问题。其他领域要广泛使用无人机也有这个类似瓶颈，如消防（也可投送救生圈、灭火材料、救援）、军事（侦查、武器、物资）等。 [0008] 无人机在测绘、地质勘探、输油输气管道巡检、公安、边防巡检、环保巡检等监测、巡视工作，都要求飞机时间越长越好，载重能力越大越好；而且在本产品坐上人或绑吊人，就可以在确保安全的前提下，实现载人飞行，这在小型无人机上是一次创新的飞跃。 发明内容[0009] 本发明的目的在于提供一种混合动力的无人机，旨在解决上述的技术问题。 [0010] 本发明是这样实现的，一种混合动力的无人机，该无人机包括飞行装置、遥控装置、燃料发动机、同轴正反转齿轮箱及同轴上下正反转螺旋桨，所述飞行装置通过无线通信连接所述飞行装置，所述燃料发动机设于所述飞行装置的顶面中心点，所述同轴正反转齿轮箱设于所述燃料发动机上，所述燃料发动机的极轴置于所述同轴正反转齿轮箱内与所述同轴正反转齿轮箱内的齿轮连接，所述同轴上下正反转螺旋桨的正反转旋转轴设于所述同轴正反转齿轮箱上，所述同轴上下正反转螺旋桨的正反转旋转轴分别连接所述同轴正反转齿轮箱内的正反转旋转齿轮，所述燃料发动机的发电机输出端连接所述供电装置。 [0011] 本发明的进一步技术方案是：该无人机还包括装液体或固体的容器，所述容器与所述飞行装置的底面连接。 [0012] 本发明的进一步技术方案是：所述飞行装置包括无人机机架、电气控制系统及若干动力装置，所述电气控制系统设于无人机机架上，若干所述动力装置分别设于所述机架的四周，两个相对的动力装置呈中心点对称。 [0013] 本发明的进一步技术方案是：所述动力装置包括连接杆、螺旋桨及燃料发动机或电机，所述连接杆的一端连接所述无人机机架，所述连接杆的另一端内设有燃料发动机或电机，所述燃料发动机或电机的极轴上设有螺旋桨，所述螺旋桨与所述连接杆平行。 [0014] 本发明的进一步技术方案是：所述电气控制系统包括中央处理器、供电装置、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道，所述中央处理器的输入端分别连接所述遥控器接收模块的输出端、陀螺仪的输出端及卫星定位系统输出端；若干所述电子调速器或通道的一端分别连接所述中央处理器的输出端，每条所述电子调速器或通道的另一端连接一个所述动力装置内的燃料发动机或电机，所述电子调速器或通道与所述燃料发动机或电机一一对应，所述中央处理器的输出端通过电子调速器或通道连接燃料发动机或电机的动力控制端，所述供电装置分别电性连接所述中央处理器、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道，在其中一条中心点对称的动力装置的连接杆的另一端分别连接有相同的加长连杆，两根所述加长连杆的前端分别安装有燃料发动机或电机，所述燃料发动机或电机的极轴上装有垂直螺旋桨，所述垂直螺旋桨与所述同轴上下正反转螺旋桨垂直设置。 [0016] 本发明的进一步技术方案是：所述供电装置包括电源转换单元、稳压单元、蓄电池及供电分配单元，所述电源转换单元的输出端连接所述稳压单元的输入端，所述稳压单元的输出端分别连接所述蓄电池的充电端及供电分配单元的输入端，所述蓄电池的放电端连接所述供电分配单元的输入端。 [0017] 本发明的进一步技术方案是：所述供电装置还包括微处理器及电压电流检测单元，所述电压电流检测单元的检测端连接所述电源转换单元的输出端，所述电压电流检测单元的输出端连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接所述蓄电池的放电端。 [0018] 本发明的进一步技术方案是：所述微处理器根据电压电流检测单元的检测数据控制蓄电池的放电端的状态。 [0019] 本发明的进一步技术方案是：所述卫星定位系统包括定位单元及天线，所述天线设于所述无人机机架上，所述天线的输出端连接所述定位单元的输入端。 [0020] 本发明的有益效果是：可以让无人机在前后运动时，突破多旋翼无人机必须倾斜角度来提供水平运动的分力才水平运动特性，达到水平不用倾斜，就能前后运动，从而提升20%以上无人机载大重物时的动力效率和稳定性。通过燃料发动机给无人机提供动力，能比纯电的无人机十多分钟续航时间提升到几个小时。但纯燃料发动机的动力，控制不够线性，导致无人机控制稳定性不够。本技术采用主拉力采用燃料发动机动力用直升机旋翼结构。 多旋翼动力采用电力动力，补充无人机的动力，并且发挥电动PID的精准控制从而提高整体无人机的飞控稳定性。电力的能量通过燃料发动机带动发电机经过稳压后给电池充电，再提供给各电子设备。燃料发动机的运营成本比纯电的动力能源降低几倍。 附图说明 [0021] 图1是本发明实施例提供的混合动力的无人机的结构图。 [0022] 图2是本发明实施例提供的电气控制系统的结构框图。 具体实施方式[0023] 附图标记：10-燃料发动机 20-同轴正反转齿轮箱 30-同轴上下正反转螺旋桨40-无人机机架 50-容器 60-连接杆 70-加长连杆 80-螺旋桨 90-垂直螺旋桨。 [0024] 如图1-2所示，本发明提供的一种混合结构和混合动力的无人机，该无人机包括飞行装置、遥控装置、燃料发动机10、同轴正反转齿轮箱20及同轴上下正反转螺旋桨30，所述飞行装置通过无线通信连接所述飞行装置，所述燃料发动机10设于所述飞行装置的顶面中心点，所述同轴正反转齿轮箱20设于所述燃料发动机10上，所述燃料发动机10的机轴置于所述同轴正反转齿轮箱20内与所述同轴正反转齿轮箱20内的齿轮连接，所述同轴上下正反转螺旋桨30的正反转旋转轴设于所述同轴正反转齿轮箱20上，所述同轴上下正反转螺旋桨30的正反转旋转轴分别连接所述同轴正反转齿轮箱20内的正反转旋转齿轮，所述燃料发动机10的发电机输出端连接所述供电装置。 [0025] 该无人机还包括装液体或固体的容器50，所述容器50与所述飞行装置的底面连接。 [0026] 所述飞行装置包括无人机机架40、电气控制系统及若干动力装置，所述电气控制系统设于无人机机架40上，若干所述动力装置分别设于所述机架的四周，两个相对的动力装置呈中心点对称。 [0027] 所述动力装置包括连接杆60、螺旋桨80及燃料发动机或电机，所述连接杆60的一端连接所述无人机机架40，所述连接杆60的另一端内设有燃料发动机或电机，所述燃料发动机或电机的极轴上设有螺旋桨80，所述螺旋桨80与所述连接杆60平行。 [0028] 所述电气控制系统包括中央处理器、供电装置、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道，所述中央处理器的输入端分别连接所述遥控器接收模块的输出端、陀螺仪的输出端及卫星定位系统输出端，若干所述电子调速器或通道的一端分别连接所述中央处理器的输出端，每条所述电子调速器或通道的另一端连接一个所述动力装置内的燃料发动机或电机，所述电子调速器或通道与所述燃料发动机或电机一一对应，所述中央处理器的输出端通过电子调速器或通道连接燃料发动机的动力控制端，所述供电装置分别电性连接所述中央处理器、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道，在其中一条中心点对称的动力装置的连接杆的另一端分别连接有相同的加长连杆70，两根所述加长连杆的前端分别安装有燃料发动机或电机，所述燃料发动机或电机的极轴上装有垂直螺旋桨90，所述垂直螺旋桨90与所述同轴上下正反转螺旋桨30垂直设置 ，提供水平推力。 [0029] 所述中央处理器根据陀螺仪和卫星定位系统判断无人机姿态和GPS位置控制电机或燃料发动机的输出量平衡无人机姿态和位移。 [0030] 所述供电装置包括电源转换单元、稳压单元、蓄电池及供电分配单元，所述电源转换单元的输出端连接所述稳压单元的输入端，所述稳压单元的输出端分别连接所述蓄电池的充电端及供电分配单元的输入端，所述蓄电池的放电端连接所述供电分配单元的输入端。 [0031] 所述供电装置还包括微处理器及电压电流检测单元，所述电压电流检测单元的检测端连接所述电源转换单元的输出端，所述电压电流检测单元的输出端连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接所述蓄电池的放电端。 [0032] 所述微处理器根据电压电流检测单元的检测数据控制蓄电池的放电端的状态。 [0033] 所述卫星定位系统包括定位单元及天线，所述天线设于所述无人机机架上，所述天线的输出端连接所述定位单元的输入端。 [0034] 沿着无人机水平面再向中心对称左右水平伸出2个垂直旋转旋翼，提供前后方向的水平推力。突破多旋翼无人机必须倾斜角度来提供水平运动的分力才水平运动特性，达到水平不用倾斜，就能前后运动，从而提升20%以上无人机载大重物时的动力效率和稳定性。 [0035] 在飞行装置的几何中心的燃料发动机连接发电机。发电机发出电通过电源转换和稳压模块给电池充电，确保电池一直不缺电。 [0037] 该飞行装置还包括机架或机壳，所述中央处理器、定位系统、遥控接收模块、陀螺仪若干电调或通道、电机或燃料发动机及供电装置均设于所述机架或机壳上，所述电机的机轴穿过所述机架或机壳。 [0038] （一）、总体设计一种超大载重长时飞行及载人多旋翼无人机，充分考虑空气动力学和电机技术，具体为： 1、机身：增加载重，提高续航时间，必须降低本机的重量。首先机身框架设计，材料采用高强度碳纤维结构，航空铝材CNC，轻质材料。 [0039] 2、能源：无人飞机动力大致可分为燃油动力、电动和其它三类。其它主要有喷气发动机、涡轮发动机和火箭发动机等几种；而燃油动力是指用汽油、煤油和甲醇等燃料发动机做动力；电动则是指以电池推动电动机做动力的动力系统。相比较而言，前两类是传统的动力系统，其发展几近百年，而电动则是最近几年才发展起来的而且是由于手机厂家为增加待机时间和减轻手机重量，不断推出容量大、体积小、重量轻的锂电池为前提而推广起来的。因此，基于蓄电池的基本特点优势和便捷的可再充电模式，可靠、方便，体积小，故选择蓄电池就是本发明设计所使用的一种动力，并给电机等部件工作提供能量。 [0040] 3、动力系统：目前，微型飞行器的动力装置的机翼主要有：电动机或内燃机带动螺旋桨驱动、微型涡轮发动机驱动等。虽然内燃机具有燃料效率高、输出功率大等特点，但是它的调速不方便、启动困难等缺点限制了它在微型飞行器上的应用。微型涡轮发动机从理论上说是最理想的选择，但是世界上对微型涡轮发动机的研究还不足以达到实际应用的水平。而电动机虽然由于电池容量的限制、存在飞行时间短等特点，但是它具有极高的可靠性、低噪音和价格经济等优点，使电动机装螺旋桨在微型飞行器的动力装置的机翼中使用最为普遍。 [0041] 4、飞行控制系统 ：由遥控（通过地面站遥控指令控制）和自主飞行控制（二维、三维或四维）两种。在遥控方式下，地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行。在自主控制方式下，飞行控制系统根据传感器获取的飞行器状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。在半自主控制方式下，飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞行器状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行，另一方面，接收地面控制站的遥控指令，改变飞行状态。 [0042] （二）、分部设计旋翼无人机是能量源自电池，经过电调、传给电机，直接带动较长的叶片高速旋转，使空气相对叶片快速气流，在翼面上下产生压力差从而获得升力，从而抵抗重力得到飞行。 [0043] 1、螺旋桨：大载重的用碳纤维桨。载重很大的话可以选择榉木桨，不易变形。螺旋桨规格，一般由4位数字表示，前两位数表示直径，后两位表示螺距。以1060浆为例，10表示桨的直径是10英寸，60表示浆角（螺距，6.0英寸，也就是152.4mm)。 [0044] 根据流体力学，空气和水不一样，密度不同，水的密度是空气的800倍。空气密度小，为了加快空气向后流动对飞行器的推力，飞行器螺旋桨的空隙是比较大的。如果飞行器桨叶太密，向后的空气流动量就小了。三叶的效率会高，升力比同等两叶要大，但发动机马力要大，桨平衡也很难解决，两叶桨做一次平衡就能配好一对，三叶桨做两次平衡才能配好一组，8轴的话，两叶做8次平衡；太麻烦，故一般采用两叶桨。螺旋桨叶片表面积相对越大，产生推力越大、效率越高。但相对较大的螺旋桨，飞行器飞行起来会很耗电，因为螺旋桨产生的阻力会比较大。所以，选择什么型号的螺旋桨必须根据电机KV值和蓄电池提供的电压及容量进行搭配，尤其是不能选用较高KV值的电机，主要是避免电机连同电调烧掉。螺旋桨拉力计算公式为：直径（米)×螺距(米）×浆宽度（米）×转速如P（转/秒）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.25）=拉力（公斤），前提是通用比例的浆，精度较好，大气压为1标准大气压，如果高原地区，要考虑大气压力的降低，如西藏，压力在0.6-0.7。1000米以下基本可以取1。例如：100×50的浆，最大宽度10左右，动力伞使用的，转速3000转/分，合50转/秒，计算可得：100×50×10×50P×1×0.00025=31.25公斤。如果转速达到6000转/分，那么拉力等于：100×50×10×100P×1×0.00025=125公斤 3、电调：电调全称电子调速器，英文electronic speed controller,简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器。它根据控制信号调节电动机的转速。本飞行器就是通过遥控对无刷电子调速器的控制以达到调整飞行器的各种飞行姿态和动作。 电调参数：输出能力，例如：80A；电调的输出为三～四个舵机供电是没问题的 4、电池：模型动力的电池种类很多，镍氢(Ni-MH)、镍锰(NiOH-MnO2)、锂金属(Li)、锂聚合物（Li-Poly）等电池都行。但为了减少重量，提高电量，我们采用高性能锂离子聚合物电池组；它的参数：电压+容量+放电倍率，例如：3S(11.1V),4200mAh,30C a、电池容量：举例5200mAh，意味着以5.2A电流放电，可以放1小时。 [0045] b、放电能力：30C电池，指的是电池的放电能力。对于30C电池，最大持续放电电流为：电池容量X放电C。例如:5200MA,30C电池，则最大的持续电流就是=5.2X30=156A（安培）。如果该电池长时间超过156安或以上电流工作，那么电池的寿命会变短。 [0046] C、电压：对于电池的单片电压，充满电时应为4.15-4.20较合适（3S电池，就是3个单片电压串接，就是4.20 V *3个，对应12.6V），用后的最低电压为单片3.7以上（3S对应11.1V，切记不要过放），长期不用的保存电压最好为3.9（3S对应11.7V）。为了提高飞行器续航能力，我们会选择电池容量大的，但本身电池的重量太重，反而降低续航时间。需要注意的是，电池的串联和并联要求单节电池或电池组的性能一致，这是因为在电路中如果有个别电池的电压过低，其它电池就会为它充电，那总电压或总电流就会低于我们的要求，同时也会造成好电池的损坏，这也是为什么锂电池要用平衡充电的原因。充电过程对电池的寿命有相当大的影响。一般来说，电池的充电时间是和充电器的电流相关联的。所以，对于 16000mAH的电池，充电电压是它的额定电压，充电器的电流是5000毫安，那么充电时间就等于16000÷5000=3.2小时。但这只是说从零电压充起情况下的，属于理想状态，实际的充电时间还要看蓄电池的时间电量。但这不能说明使用大电流充电就能节约时间，实验证明，大电流充电会对电池的性能造成一定程度的破坏。 [0047] 5、电机：传统的有刷直流电动机具有刷换方向设备、是以机械方式进行换向，存在噪声、火花及寿命短等缺点。微型无刷直流电动机采用的是电子换向，其输出功率和效率较高，同时噪音小、可控性强、寿命较长并无其他明显缺点，本次设计所选定的是无刷直流电机。它的参数：最大电流(A),最大电压(V), KV值. 例如：2860，最大电流80A, 最大电压17V, 3400KV。 [0048] 相同的电机,不同的KV值，用的螺旋桨也不一样，每个电机都会有一个推荐的螺旋桨。相对来说螺旋桨配得过小，不能发挥最大推力；螺旋桨配得过大，电机会过热，会使电机退磁，造成电机性能的永久下降；a、电机KV值：大KV配小桨，小KV配大桨。KV值是每1V的电压下电机每分钟空转的转速，例如KV800,在1V的电压下空转转速是800转每分钟。10V的电压下是8000转每分钟的空转转速。 [0049] •绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，可带更大的桨，震动也小;•绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，只能带小桨，但效率高; b、电机型号：定子粗的，力气大。电机型号，如2212，3508，4010，这些数字表示电机定子的直径和高度。前面两位是定子直径，后面两位是定子高度，单位是毫米。前两位越大，电机越肥，后两位越大，电机越高。又大又高的电机，力气大，效率高，价格贵，而且电机自重就会很大。为了驱动力增大，必须将每个单元输出的力a变为n*a，由安培力F=BIL可知，相当于增大了电流或者导线长度，考虑到硅钢片的磁化曲线，为了输出同样的转速和扭矩，缩小电机的半径，即使增加了响应的定子高度，也会造成硅钢片接近磁饱和导致的效率降低、电流增大导致效率降低和绕线困难等问题。所以我们设计采用盘式电机（又名铃铛电机）。电机的槽数在理论上是越多越好的。该电机的磁路长度非常短，采用扁平的外形，定子高度也非常小，这样有利于用较小的电流产生较大的扭矩和较低的转速，才能与大直径低转速螺旋桨匹配。 [0050] c、电机效率：3~5A，效率高;效率的标注方式是：g/W(克/每瓦）电机的功率和拉力并不是成正比的，也就是说50W的时候450g拉力，100W的时候就不是900g了，可能只有700g。具体效率查电机的效率表。 [0051] 电机能耗管理：为了节约能耗，提高效率。我们使用比较大直径螺旋桨，从而提高螺旋桨效率和电机效率。现在行业使用的开环方案(飞行控制系统只管控制电调的PWM值，不管电机转速是否随之升高，只是由陀螺仪来判别飞行器的姿态），电机频繁做变速运动引起的额外能量损耗。现在无人机多轴动力系统在微风的时候这部分损耗高达25%左右，风力风向如果剧烈变化这部分损耗则变得更大。为此我们设计电调输出的导线有6根，比较粗一点的应该是电源线，其余四根应为信号线，采用串口或者其他方式与飞行控制系统进行双向通信，飞行控制系统可以给电调发送指令，电调也可以将动力系统的信息（比如电机的转速）反馈给飞行控制系统，这样飞行控制系统对动力系统的控制就是闭环控制。 [0052] 6、推进系统各部件协调设计：电池和电调的设计原则： 1）电池电压不能超过电调最高承载电压； 2）电池电流持续输出大于电调最大持续电流输出； 电机承受的电流由电机的负载决定，只要负载功率不超出电机额定，电机就不会有问题，而电池和电调仅提供到达这一负载的功率输出，其能力超过该功率即可，并不代表能力大于该功率的电池电调组合一定会输出最大功率。 [0053] 电池和电机的原则：1）电机工作电压由电调决定，而电调电压由电池输出决定，所以电池的电压要等于或小于电机的最大电压； 2）电调最大电压不能超过电机能承受的最大电压； 7、机架的设计： 2kg以下的无人机可以选玻纤机架；2kg以上的用3K碳纤维。 [0054] 碳纤维复合材料在无人战斗机和直升机上主要应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强复合材料。碳纤维的含碳量在90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一的一种强度不下降的物质，更可贵的是，碳纤维与其它材料具有很高的相容性，兼备纺织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大的设计自由度。 [0055] 由桨长度，计算出机架轴距 = （桨的英寸*25.4/0.8/根号2）*2。 [0056] 机架轴距计算出 桨的尺寸（英寸） = （机架轴距/2）*根号2*0.8/25.4。 [0057] 下面是一些桨和轴距的搭配建议：10寸桨搭配轴距450MM机架 11寸桨搭配轴距500MM机架 12寸桨搭配轴距550MM机架 13寸桨搭配轴距600MM机架 14寸桨搭配轴距650MM机架 15寸桨搭配轴距680MM机架 16寸桨搭配轴距720MM机架 17寸桨搭配轴距780MM机架 18寸桨搭配轴距820MM机架 19寸桨搭配轴距860MM机架 20寸桨搭配轴距900MM机架 机架的平衡设计： 特别是高脚架的无人机，一定要整机的重心落入到飞行器的几何中心。 [0058] 8、旋翼无人机的动力驱动及平衡设计（按四轴举例说明：）四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电调来保证其快速飞行。四个电机轴距几何中心的距离相等, 当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡, 四轴不会向任何一个方向倾转; 而四个电机一对正转,一对反转，使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡, 保证了四轴航向的稳定。根据四个输入力和六个坐标输出的欠驱动动力学，四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动；飞行器实现空间 6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转运动)的运动。在实际使用情况下,有用的主要运动为沿3个坐标轴作平移运动和绕垂直轴的旋转运动，俯仰运动和翻滚运动为水平运动的诱导运动。四个桨产生的推力, 超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动, 当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。 [0059] 9、陀螺仪的原理就是一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，用它来保持方向，制造出来的仪器就叫陀螺仪。例如，骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。遥控飞机陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 [0060] 多旋翼无人机是一种安装根据几何对称图形来确定数量的动力轴和螺旋桨的可垂直起降的无人飞行系统，也叫多轴飞行器，常见的有4轴、6轴、8轴等无人机。决定多旋翼飞行器旋翼个数的，就是飞行器稳定性、几何尺寸和单发动力性能三者的平衡。数量越多越稳定，而且可以承受双发/单发失效，但相比较旋翼直径的缩小，旋翼中心与飞行器几何中心的距离增加得更快，飞行器的尺寸也就会做得越大。此飞行器可以外挂很多设备、仪器、工具、武器等用于各种用途。当然也可以外挂我们的载体，如各类运输物资、药水等。 |
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