技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
飞行器的能源供给系统，具体涉及一种系留无人机能源供给系统。
背景技术
[0002] 随着无人机行业的火爆发展，各种各样的
无人飞行器系统被发明出来，用于实现不同的任务作业。无人飞行器按照外形和飞行原理分类，主要有三种类型：固定翼、
直升机、多旋翼。其中固定
翼型无人机无法垂直起降和
悬停，直升飞机和多旋翼无人机都可以垂直起降和悬停。本发明即为可以垂直起降和悬停的系留式空中飞行器的混合氢能源系统。
[0003] 经过理论分析，多旋翼无人机，包括4旋翼无人机、6旋翼无人机及8旋翼无人机等，其特征是多个完全一样的旋翼，成对相向旋转，产生升
力。同时，不同旋翼之间的速度差，产生无人机对地的倾
角，从而产生旋转和向前、向后飞行。因此，多旋翼无人机结构简单，控制简单，容易实现。但多旋翼无人机的根本问题是其升力来自于多个较小的旋翼，旋翼的总和面积有限。从而造成
载荷太小，难以实现高载荷、长航程或长航时、高抗
风能力的飞行。另外，要增加多旋翼飞机的载荷，只能增加旋翼的尺寸，而多旋翼飞机简单的运动控制完全依赖于螺旋桨及时的速度和方向的改变，以调整力和力矩，该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼，因为桨叶尺寸越大，越难迅速改变其速度和倾角。因此，目前多旋翼无人机的
起飞重量在20公斤以下，有效载荷大多在五、六公斤以下。相应地，其所载的供飞行用的
锂离子电池重量也十分有限。由于
锂离子电池的
能量重量比不高，从而使得多旋翼飞行器的飞行时间一般少于30分钟，主要用于无载荷的玩具，及用于航拍等低载荷和低续航需求的领域。
[0004] 无人直升机的基本特征是具有一个或一对大型的旋翼，其旋翼的面积远大于多旋翼无人机的旋翼的总面积，因此，其载荷能力和续航能力远大于多旋翼无人机。无人直升机可以相对方便地增加旋翼尺寸，直径大，效率高，能实现大载荷和高
稳定性。但直升机的控制系统复杂、造价高。自驾仪
控制器设计和实现都相当困难。因此降低直升机的能源载荷就能提高直升机的有效载荷。即在相同载荷下，降低直升机的机翼尺寸，从而降低复杂度和整机造价。
[0005] 所有这些旋翼型的垂直起降飞行器，其共同特点是由旋翼的高速旋转来提供飞行器的升力，无论是在飞行还是在悬停时，都需要消耗大量的能量。目前旋翼型飞行器的能源主要有各种蓄能电池(如锂电池等)及燃油(如
汽油、航空
煤油等)。由于这些能源的能量
质量比有限，因此，所有的旋翼型飞行器都面临着的有效载荷低、飞行时间短、续航里程短、飞行速度慢等共性的
瓶颈问题。
[0006] 上述问题的解决方案之一是系留式无人直升机或多旋翼飞行器，统称为系留式飞行器。其特征为普通垂直起降飞行器，包括单旋翼和多旋翼飞行器，加装地面能源供应系统，使得飞行器可以长时间地悬停在空中，但其飞行距离和高度受限于地面能源系统，不能飞得太高或太远。现有的系留飞行器采用由地面能源系统通过
电缆向飞行器供电的方法，实现飞行器的长时间系留飞行。上述地面能源系统可以是固定式的，也可以是车载发电系统。这种地面供应能源的方法，理论上可以进行不限时的飞行。
[0007] 现有的电系留飞行器中，比较成功的是以色列skysapience公司的多旋翼电系留无人机。该电系留飞行器的最大飞行高度为50米，有一根系留电缆连接到地面能源系统，飞行器本身不带有长时间飞行所需要的能源。其中地面能源系统为车载的小型汽油/柴油发
电机，从而解决了系留飞行器的机动问题。
[0008] 电系留多旋翼飞行器的主要问题是飞行器上的电机一般都是低压直流电机，该电机易于通过调节电机的转速而实现多旋翼飞行器的飞行控制。这类电机的
电压一般都小于50伏特。相对于3-5千瓦的多旋翼飞行器来说，供电的
电流达到50-100安培。这种大电流供电的系留电缆的自重很大，以
导电性最好的
镀银电缆计算，其重量高达100-300克每米。以中间数计，50米系留缆的自重达到10公斤。因此，这类飞行器的高效飞行高度在20-30米，但难以实现高于50米的飞行需求。
[0009] 目前也有一些用于飞行器的高压直流或交流电机的出现，但要同时做到重量轻、稳定、高效并不容易。如最近测试的工作电压为400V的直流电机，理论上能够在相同功率下，有效地降低传输的电流，从而减少系留电缆的单位重量和传输压降，提高系留无人机的飞行高度。但高压直流电在传输使用中，需要很好的绝缘材料，从而提高了系留缆的重量，且大大地提高了飞行器整个系统的防
水要求，更为重要的是，高压电机的调速需要专用的高压调速器，所有这些，不但增加了系留系统的总重量。而且增加了对操作人员的危险性，使得其只能停留在理论阶段而难以实际使用。这类系留飞行器的另一个问题是其地面供电设备需要提高数千瓦的
电能，体积大、油耗高，实际上也难以持久运行。
发明内容
[0010] 本发明提供一种单旋翼和多旋翼系留无人机能源供给系统，由机载
燃料电堆、机载
蓄电池或超级电容、机载电源控制系统、复合燃料气输送管、燃料气储存容器或燃料气发生器、地面控制系统等部分组成。其中燃料气储存容器或燃料气发生器位于地面，为机载的燃料电堆提供发电用的燃料气，复合
燃料气体输送管连接机载燃料电堆和地面的燃料气储存容器或燃料气发生器。如整套系统用于车载或船载，则燃料气储存容器或发生器位于相应的运输工具上。燃料电堆是将燃料气体，如氢气、甲烷气、丙烷气、
丁烷气等和
氧气的结合放能过程转化为电能的发电系统。例如常用的氢燃料电堆就是将氢气和氧气隔离于质子膜的两边，这两种气体在质子膜上发生反应生成水并释放出电能。燃料电堆已经有用于多旋翼飞行器的实例，但是并没有基于燃料电堆的系留式飞行器。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明采用的如下技术方案：
[0012] (1)一种系留无人机能源供给系统,包括燃料电堆、蓄电池或超级电容、电源控制器、复合燃料气体输送管、燃料气体储存装置和地面控制系统，所述燃料电堆、蓄电池或超级电容、电源控制器安装在无人机上，所述复合燃料气体输送管的一头连接在燃料电堆上，另一头连接在燃料气体储存装置上。
[0013] (2)根据(1)所述的系留无人机能源供给系统，所述复合燃料气体输送管上设有通讯光纤，连接地面控制系统、无人机飞控系统和无人机载荷系统，用于
信号传输。
[0014] (3)根据(1)或(3)所述的系留无人机能源供给系统，在所述复合燃料气体输送管的外面设有增强
纤维，缠绕管子，以增强轻质管子的抗拉力、弹性、强度等。
[0015] (4)根据(1)-(3)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述的电源控制器至少包括蓄电池或超级电容
温度监控模
块、蓄电池或超级电容电量监控模块、蓄电池或超级电容充
放电管理模块、燃料电堆温度监控模块、燃料电堆发电控
制模块、燃料电堆气体压力检测模块和综合电源管理模块。
[0016] (5)根据(1)-(4)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述蓄电池或超级电容温度监控模块：蓄电池或超级电容一般由多个电池或超级电容单元所组成，所述的温度监控模块是在蓄电池或超级电容的内部，即在多个电池单元或超级电容单元之间设置多个温度
传感器，温度监控模块根据多个温度传感器传获取的蓄电池或超级电容的温度，监控蓄电池或超级电容是否正常运行，并在温度过高异常时报警及降低输出功率。
[0017] (6)根据(1)-(5)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述蓄电池或超级电容电量监控模块，获取蓄电池或超级电容各单元的电压，监控蓄电池或超级电容是否正常运行，并在电量过低异常时报警及降低输出功率，同时电量监控模块将在蓄电池或超级电容电量快速下降时，通过电源管理模块，增加氢电堆的发电功率以对蓄电池或超级电容进行充电。
[0018] (7)根据(1)-(6)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述蓄电池或超级电容充放电管理模块：通过调节燃料电堆的发电功率，来调节蓄电池或超级电容的充放电电流，同时，所述的充放电管理模块通过监控充电电流和充电时间，计算当前充电所需的电流，并在电量监控模块反馈的达到电量要求后，及时调节氢电堆的发电功率，停止充电。
[0019] (8)根据(1)-(7)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述燃料电堆温度监控模块：通过燃料电堆内设置的多个温度传感器，监控燃料电堆在运行过程中电堆内部的温度，监控模块根据电堆内温度的高低，调节电堆的
散热风扇的转速，在温度过高时，增强主动散热风扇的功率，在温度较低或在合理的温度范围内时，降低主动散热风扇的功率，节约电能消耗。
[0020] (9)根据(1)-(8)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述燃料电堆发电
控制模块：根据充放电管理模块和无人机飞控系统提供的功率需求，燃料电堆发电控制模块通过调节燃料电堆的可燃气体的进气量，综合调节燃料电堆的发电功率，并在需要最大功率发电时，增加主动散热风扇的功率，以提高更多的氧气和更好的散热。
[0021] (10)根据(1)-(9)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述燃料电堆气体压力检测模块：通过燃料电堆内设置的一个或多个
压力传感器，监控燃料电堆在运行过程中电堆内部的可燃气体的压力，气体压力监控模块根据电堆内气体压力的高低，调节电堆的压力释放
阀，在压力过高时，主动释放压力，从而维持燃料电堆的正常运行。
[0022] (11)根据(1)-(10)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述综合电源管理模块：根据飞行器飞控系统提供的飞行功率参数、蓄电池或超级电容当前的充电需求、燃料电堆的当前发电功率、蓄电池或超级电容的当前电量等参数，综合计算电源各模块的最佳运行参数，从而通过各管理模块，管理燃料电堆的发电功率、充放电功率等。
[0023] (12)根据(1)-(11)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述复合燃料气体输送管的地面端设有三通或多通阀
门，用于连接复合燃料气体输送管和燃料气体储气装置或燃料气体产生装置，其中多通阀门用于连接多个燃料气体储气装置或产气装置，以便更换储气装置或产气装置而不影响燃料气体的输送，使得燃料电堆具有稳定的气源。
[0024] (13)根据(1)-(12)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述复合燃料气体输送管的无人机端设有电控阀门，用于连接复合燃料气体输送管和燃料电堆，其中电控阀门接受燃料电堆发电控制模块的控制，调节进入燃料电堆的燃料气体的流量，使得燃料电堆根据综合电源管理模块的计算的发电需求而进行发电。
[0025] (14)根据(1)-(13)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述燃料电堆为把燃料气体中的
化学能通过
氧化还原反应转
化成电能的电化学发电装置，又称为
燃料电池；燃料气体为氢气、丁烷气、丙烷气或甲烷气。
[0026] (15)根据(1)-(14)任一项所述的系留无人机能源供给系统，所述的蓄电池或超级电容组内至少安装温度、电压传感器，用于调节蓄电池或超级电容的充放电性能；所述的燃料电堆内安装有温度、气压传感器，进气阀和泄水阀，用于调节燃料电堆的发电功率，保障电堆的发电安全。
[0027] 本发明的基于燃料电堆的系留无人机和现有的电缆系留的飞行器的区别在于，本发明的系留无人机的能源是从地面向飞行器传输的燃料气体，如氢气、甲烷、丙烷、丁烷气体等，且该燃料气体是通过复合管道输送的。燃料气体在机载的燃料电堆内通过电化学反应转化为电能作为无人机的能源，而传统的电缆系留的飞行器从地面向飞行器传输的能源是通过电缆输送的电能。因此，本发明为系留式飞行器提供了一整套的基于燃料电堆的能源系统，其中连接飞行器和地面的系留缆是轻质中空复合软管，包括轻质中空软管、
信号传输光纤及增强纤维。例如经过
碳纤维增强的、复合有光纤的轻型、柔软的塑料管子。复合气体系留管的特点是轻，当燃料是氢气的时候，考虑到氢气管子在空气中的
浮力，充满氢气的复合燃料气体输送管在系统中的重量可以是微重力。由于这个特点，基于燃料电堆的系留飞行器可以升到数百米以上的高空。
[0028] 燃料气体储存容器根据燃料气体的储存方法，可以为多种。燃料气体的储存方式一般包括如下三种：高压气体储存、
液化气储存、化合物或复合物储存等，分别说明如下：(1)气体最常见的储存方法为高压储存，相应地，其储存容器即为高压储气罐，中国的国家标准规定其中所储存的氢气压力最大35MPa，欧洲有些国家采用70MPa的国家标准，也有
70MPa的储气罐；(2)气体液化也是气体储存的一种重要方式，例如丁烷气体的
临界温度为0℃，因此，丙烷、丁烷气等就可以在临界温度以下，以液体的形式储存，相应地，其储存容器即为低压液化储气装置；(3)最后，气体化合物或复合物也是气体储存的一种重要的方式。
例如，可燃
冰是甲烷的水合物，加热可放出甲烷气体。而金属氢化物、氢化复合物等可以通过氢和特定金属反应，生产储氢
合金，可以在常温下储存大量的氢，相应地，所述的燃料气体储存容器就是填充有特殊金属的
储氢合金反应装置。
[0029] 为了应对应急和飞行器起飞、降落等方面的需要，飞行器还配备一个备用的大容量蓄电池或超级电容及相应的电源管理系统，用于提供瞬时大功率电源及后续的充电管理。蓄电池或超级电容的容量以蓄电池或超级电容保障飞行器飞行1～5分钟为标准。所述的1～5分钟飞行的时间可以根据系留式飞行器的设计飞行高度及飞行参数而估计得到。例如，一个飞行器的设计飞行高度为100米，在应急情况下，其自动降落所需的时间为90秒；飞行器的总功率为3KW，工作电压为30伏特，则配备的锂电池的电压为30V，容量为2000～5000mAH。该电池用于在紧急情况下，如氢气管漏气所造成的不能供气，支持飞行器安全可控地降落。
附图说明
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 图1为无人机能源供给系统结构示意图；
[0032] 图2为无人机能源供给系统电源控制器模块示意图。
[0033] 图中，10为无人机本体，11为复合燃料气体输送管，12为光纤，13为地面控制系统，14为蓄电池或超级电容，15为泄水阀，16为燃料电堆，17为进气阀，18为电源控制器，19为传感器，20为换气装置，21为燃料气体储存装置。
具体实施方式
[0034] 如图1所示，一种系留无人机能源供给系统，包括燃料电堆16、蓄电池或超级电容14、电源控制器18、复合燃料气体输送管11、燃料气体储存装置21、换气装置20、地面控制系统13等。所述燃料电堆16、蓄电池或超级电容14、电源控制器18等安装在无人机本体10上，所述复合燃料气体输送管11的一头连接在燃料电堆上16，另一头连接在地面的换气装置20和燃料气体储存装置21上，所述换气装置20设有两个接头，在使用过程中可以更换燃料气体储存装置21，延长飞行器在空中的飞行时间。所述复合燃料气体输送管11上设有通讯光纤12，所述光纤12连接地面控制系统13和无人机飞控系统、无人机载荷系统等，用于信号传输。在所述复合燃料气体输送管11的外面设有增强纤维，包裹管子，用于增加复合燃料气体输送管的强度。
[0035] 所述的蓄电池或超级电容组14内至少安装有多个温度、电压等多种传感器19，用于调节蓄电池或超级电容的充放电性能。所述的燃料电堆内至少安装有多个温度、气压等多种传感器19，进气阀17，泄水阀15用于调节燃料电堆的发电功率，保障电堆的发电安全。所述的燃料气体存储或发生装置21可以和换气装置20联合使用，通过打开或关闭换气装置中的
换气阀，可以在无人机运行时更换供气装置，以保障飞行过程中供气的连续性。
[0036] 所述的燃料气体为氢气、丁烷气、丙烷气、甲烷气，以及氢气等，所述的燃料电堆的功率目前一般为2-10千瓦，无人机的起飞重量在10-50公斤，无人机的有效载荷为2-20公斤。
[0037] 如图2所示，所述的电源控制器18至少包括蓄电池或超级电容温度监控模块、蓄电池或超级电容电量监控模块、蓄电池或超级电容充放电管理模块、燃料电堆温度监控模块、燃料电堆发电控制模块、燃料电堆气体压力检测模块和综合电源管理模块。所述的温度监控模块接受燃料电堆、蓄电池或超级电容内多个温度传感器的输出为本模块的输入，即在燃料电堆、蓄电池或超级电容内部设置多个温度传感器，温度监控模块根据多个温度传感器传获取的燃料电堆、蓄电池或超级电容组内部的温度，监控是否正常运行，并在温度过高异常时报警并及时降低输出功率、充放电功率等。所述的蓄电池或超级电容电量监控模块、蓄电池或超级电容充放电管理模块接受蓄电池或超级电容内电压传感器的输出为本模块的输入，其中充放电管理模块的输出为对充放电
开关的
控制信号，这些模块通过蓄电池或超级电容内部的多个电压传感器监控蓄电池或超级电容的电量，并在蓄电池或超级电容电量下降或过低时，降低其放电速度，同时增加燃料电堆的发电功率以对蓄电池或超级电容组进行充电。所述的燃料电堆气体压力检测模块接受燃料电堆内气体压力传感器的输出为本模块的输入，所述的燃料电堆发电控制模块接受综合电源管理模块的输出为本模块的输入，其输出为对燃料气体调节阀的控制信号，通过控制氢气的进气量、催化速度等方法，调节氢电堆的发电功率。
[0038] 基于燃料电堆的系留无人机能源系统的工作原理及过程如下：
[0039] 无人机储存时需要对蓄电池或超级电容组14保持不低于30％的电量，无人机开始工作前，需要先对蓄电池或超级电容组14充电超过90％的电量。无人机初始开启阶段，蓄电池或超级电容组14即开始为整个电源控制器18及飞控系统供电。在飞控系统接到起飞指令后，电源控制器18首先通过发电控制模块启动燃料电堆16，开始发电。同时，电源控制器18通过电量监控模块监控燃料电堆16的发电状况，当燃料电池16达到额定发电功率后，
飞行控制系统控制无人机起飞，并继续增加燃料电堆16的发电功率；在无人机达到
指定高度稳定飞行后，电源控制器18根据蓄电池或超级电容组14的电量监控模块的输出，自适应地调节燃料电池16的发电功率为蓄电池或超级电容组14充电。整个飞行过程中，能源系统通过复合中空轻质复合燃料气体输送管11对系统供应燃料气体，并通过通讯光纤12传递系统信息及机载传感器所获得的信息至地面控制系统13。
[0040] 无人机系统收到下降指令后，飞控系统逐步降低无人机的功率，电源控制器18降低燃料电池16的发电的输出功率，无人机开始下降，直至停稳。燃料电池16继续逐步降低发电功率，直至停止发电，无人机的旋翼停止转动。无人机在飞行过程中如遇意外情况，例如复合燃料气体输送管被外力拉断，造成氢气的供应中断。这时，电源控制器6监控到燃料电池16的发电功率快速下降，电源控制系统立即自动切换为蓄电池或超级
电池组16给整个飞行器系统供电，并同时通知无人机的飞控系统，启动飞行器的下降程序，使得飞行器平稳下降，直至安全落地。
[0041] 上述
实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其他的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。
