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管理设有 内燃机的无人驾驶 飞行器的运转功率需求的方法

阅读：1017发布：2020-05-15

专利汇可以提供管理设有内燃机的无人驾驶飞行器的运转功率需求的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于管理功率需求PD以确保无人驾驶飞行器的运转的方法和实现该方法的旋翼无人驾驶飞行器，该飞行器包括提供易于变化的最大主功率PM的内燃机。该管理方法特别适用于旋翼无人驾驶飞行器。其有利地保证了电能存储量至少等于飞行器在内燃机出故障的情况下的回收能量，该回收能量使得能够控制飞行器的自旋转和着陆。，下面是管理设有内燃机的无人驾驶飞行器的运转功率需求的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于管理所需功率PD以确保无人驾驶飞行器的运转的方法，所述飞行器包括提供易于变化的最大主功率PM的内燃机(12)，其特征在于，在所述内燃机(12)没有故障的情况下，执行以下步骤：
a)当所述内燃机(12)运转时收集至少一部分排放气体，
b)利用以此方式收集的气体的能量来供给涡轮机，
c)借助于连接到所述涡轮机的发电机来产生电能，以及
d)将有功率需求时由所述内燃机(12)提供的所述最大主功率PM与所需功率PD进行比较，
e)如果所述最大主功率PM至少等于所需功率PD，则将以此方式生成的所述电能的至少一部分存储在至少一个能量存储单元(17)中，和/或使用以此方式生成的所述电能的至少一部分以通过提供辅助功率PA来辅助所述内燃机(12)，其中，所述辅助功率PA补充由所述内燃机(12)产生的主功率Pt使得PA+Pt＝PD，其中Pt小于PM，或者
f)如果所述最大主功率PM小于用于所述飞行器的运转的所需功率PD，则使用以此方式生成的所述电能的至少一部分来辅助所述内燃机(12)以提供所需功率PD，或者使用存储在所述至少一个能量存储单元(17)中的电能的至少一部分来辅助所述内燃机(12)以提供所需功率PD，或者
g)如果所需功率PD大于由所述内燃机(12)产生的所述最大主功率PM与能够由所述至少一个能量存储单元提供的所述辅助功率的总和，则调整所述飞行器的运转使得能够根据步骤e)或步骤f)之一来提供所需功率PD。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，通过使用在所述至少一个能量存储单元(17)中所存储的电能的至少一部分以辅助所述内燃机(12)，来供给所述内燃机(12)的附加压缩机和/或供给产生辅助功率PA的电机。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述飞行器是旋翼(13)飞行器的情况下，调节所存储的电能使得所存储的电能总是至少等于所述飞行器在所述内燃机(12)出故障的情况下的回收能量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤e)和步骤f)之前，确定每个能量存储单元(17)的充电状态SOC。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述飞行器是包括N个能量存储单元的旋翼(13)飞行器的情况下，其中N>1，如果其他(N-1)个能量存储单元中的剩余容量的总和大于或等于Vs，则在步骤f)中，允许第一能量存储单元的容量小于或等于阈值Vs/N，其中Vs对应于所述飞行器在所述内燃机(12)出故障的情况下的回收能量。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述无人驾驶飞行器是包括至少两副旋翼(13)的旋翼飞行器的情况下，如果所述内燃机(12)出故障，则解除所述旋翼(13)的机械耦合以确保所述旋翼的自由旋转和所述飞行器的自旋转。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无人驾驶飞行器被配置成在所述内燃机(12)停止的情况下自动解除每副旋翼(13)的机械耦合。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了控制在所述内燃机(12)出故障的情况下所述飞行器的自旋转降落和着陆，使用存储在所述至少一个能量存储单元中的电能的至少一部分来向所述飞行器提供用以实现所述控制所需的功率。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述飞行器位于地面上的情况下，使用存储在所述至少一个能量存储单元(17)中的电能的至少一部分来向所述飞行器提供所需功率，其中所述内燃机(12)是停止的。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤g)中，执行以下动作中的至少一个：降低所述飞行器的高度、更改所述飞行器的速度。
11.一种用于实现根据权利要求1至10中任一项所述的用于管理所需功率PD以确保无人驾驶飞行器的运转的方法的旋翼无人驾驶飞行器，所述飞行器包括用于驱动所述旋翼(13)的增压内燃机(12)，所述内燃机(12)包括第一压缩机并且提供最大主功率以至少确保对所述旋翼系统的驱动，所述最大主功率易于变化，所述旋翼无人驾驶飞行器的特征在于包括：
-用于回收热能并且将所述热能转换成电能的组件，所述组件包括用于当所述内燃机(12)运转时收集至少一部分排放气体并且将以此方式收集的所述排放气体供给涡轮机从而将以此方式收集的所述气体的能量转换成机械能的装置，以及由所述涡轮机来供给以产生电能的发电机，
-至少一个能量存储单元(17)，其被配置成存储以此方式产生的电能的至少一部分，-推进控制系统(18)，其使得能够确定在有功率需求时由所述内燃机(12)提供的所述最大主功率，以及根据用于至少驱动所述旋翼所需的功率和由所述内燃机(12)提供的最大主功率来管理以此方式生成的电能，从而满足所述功率需求。
12.根据权利要求11所述的飞行器，其特征在于，所述内燃机(12)包括第二压缩机，所述第二压缩机被配置成由所述至少一个能量存储单元来供给电能。
13.根据权利要求11所述的飞行器，其特征在于包括电机，所述电机被配置成由所述至少一个能量存储单元来供给电能，所述电机连接到与所述内燃机(12)相连的主变速箱。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的飞行器，其特征在于，在所述旋翼飞行器包括至少两副旋翼的情况下，所述旋翼飞行器包括用于在所述内燃机(12)出故障的情况下解除所述旋翼的机械耦合以确保所述旋翼的自由旋转的装置。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器包括用于管理每个能量存储单元的充电状态以使得在所述内燃机(12)出故障的情况下随时能够获得所述飞行器的回收能量。

说明书全文

管理设有内燃机的无人驾驶 飞行器的运转功率需求的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于管理针对配备有内燃机的旋翼无人驾驶飞行器的运转的功率需求的方法。

[0002] 本发明还涉及一种设置有用于实现该管理方法的涡轮发动机的旋翼无人驾驶飞行器。

背景技术

[0003] 已知一种包括用于确保旋翼系统的至少一个旋翼的驱动的单个驱动单元的旋翼机。

[0004] 这样的驱动单元因而被调整成向旋翼机提供必要的功率以确保其推进和/或升力。

[0005] 有时对于其中不能使用诸如汽油这样的某些燃料的应用而言该驱动单元必须是迪塞尔发动机类型的内燃机。

[0006] 然而，针对航空市场的迪塞尔发动机的供应是非常有限的，这有时涉及在飞行器上使用高可靠性的机动车辆发动机，但是机动车辆发动机的功率不总是适合于飞行器和/或其功率密度通常是有限的。

[0007] 此外，在垂直起降无人机上，在许多任务中持续时间相对较短的起飞和悬停阶段，功率需求常常是最大的。

[0008] 因此，常常需要“提升”发动机的初始功率以达到可接受的安装性能。

[0009] 向现有发动机增加涡轮增压器是一种通常用于向驱动轴提供额外功率的解决方案。

[0010] 该涡轮增压器使得能够将增压空气供给至活塞的入口，由此使由发动机产生的功率显著增加。

[0011] 对喷油规律的修改也是一种增大发动机功率的手段。

[0012] 在这两种情况下，应当确保发动机的极限参数(涡轮增压器的涡轮机的入口处温度、气缸盖的压力)不受这些修改的影响，或者确保这些修改能够保证发动机的最小使用寿命。

[0013] 这样的解决方案还可能要求对发动机冷却系统、密封垫等的更多修改。

[0014] 无论如何，可以观测到，这些解决方案被证实不足以确保旋翼机的最佳运转，这是因为由迪塞尔发动机输送的最大功率是可变的并且取决于旋翼机的高度和温度条件。

[0015] 这些最大可用功率变化足够大到必须考虑到它们并且定义动态策略。

[0016] 还已知的是在某些飞行器上实现热辅助驱动单元，已知其缩写为APU(辅助动力装置)。

[0017] 这种辅助驱动单元通常用于向诸如液压回路或气动回路这样的辅助回路供电，并且从不用于驱动旋翼飞行器上的至少一个旋翼的变速箱。

[0018] 另一方面，当旋翼机的单个驱动单元出现故障时，由于该旋翼机不具有在不中断服务的情况下接管的冗余安全组件，因此旋翼机以不受控制的方式坠毁。

[0019] 因此，存在对保证工作中的旋翼机能够在其驱动单元出故障的情况下安全着陆的相当大的需求。

发明内容

[0020] 本发明的目的是通过提出一种管理用于确保无人机型旋翼机的运转的功率需求的方法来克服上述各种缺点，所述方法具有特别简单的设计和操作模式、可靠且经济，以及能够动态地考虑到由该旋翼机的主发动机提供的最大功率的变化。

[0021] 本发明的另一个目的是一种能确保旋翼机在其主驱动单元出故障的情况下能够回收的方法，其中该旋翼机不具有冗余驱动单元。

[0022] 本发明的又另一个目的是一种旋翼飞行器，例如垂直起降(VTOL)无人机，该旋翼飞行器的推进组件的原始布局使得能够实现上述用于管理功率需求的该方法。

[0023] 为此，本发明涉及一种方法，所述飞行器包括提供易于变化的最大主功率PM的内燃机。

[0024] 根据本发明，在所述内燃机没有故障的情况下，执行以下步骤：

[0025] a)当内燃机运转时收集至少一部分排放气体，

[0026] b)利用以此方式收集的气体的能量来供给涡轮机，

[0027] c)借助于连接到该涡轮机的发电机来产生电流，以及

[0028] d)将有功率需求时由内燃机提供的最大主功率PM与所需功率PD进行比较，[0029] e)如果最大主功率PM至少等于所需功率PD，则将以此方式生成的电能中的至少一部分存储在至少一个能量存储单元中，和/或使用以此方式生成的电能中的至少一部分以通过提供辅助功率PA来辅助内燃机，其中，所述辅助功率PA补充由内燃机产生的主功率Pt使得PA+Pt＝PD，其中Pt小于PM，或者

[0030] f)如果最大主功率PM小于飞行器运转所需的功率PD，则使用以此方式生成的电能中的至少一部分来辅助内燃机以提供所需功率PD，或者使用存储在至少一个能量存储单元中的电能中的至少一部分来辅助内燃机以提供所需功率PD，或者

[0031] g)如果所需功率PD大于由内燃机(12)产生的最大主功率PM与能够由至少一个存储单元提供的辅助功率的总和，则调整飞行器的运转以使得能够根据步骤e)和步骤f)之一来提供所需功率PD。

[0032] 因此，该管理方法提供了一种用于管理无人驾驶飞行器特别是旋翼无人驾驶飞行器的运转所需要的功率的全局方法。

[0033] 假定期望增加垂直起降无人机的安装功率，则这个管理功率需求的方法是特别有利的。与新设备/系统的使用有关的附加质量，由在推进系统级别提高的整体效率和在发动机出故障的情况下回收无人机的可能性进行了补偿。

[0034] 安装功率的增加使得能够携带更多的燃料以便增加无人机的自主性，或者使得能够更安全地携带更多的有效负载。

[0035] 有利地，内燃机是活塞式发动机，在步骤b)中所使用的涡轮机是附加涡轮机，该附加涡轮机不是内燃机的一部分或者没有连接到内燃机。该附加涡轮机被有利地置于涡轮增压器的涡轮机的下游。

[0036] 所述至少一个能量存储单元选自包含如下的组：电池、超级电容器等。

[0037] 在该管理方法的不同具体实施方式中，每个实施方式各自具有其特定的优点且能够实现众多可能的技术组合：

[0038] -在步骤e)中，通过使用在所述至少一个能量存储单元中所存储的电能中的至少一部分来辅助内燃机，来供给所述内燃机的附加压缩机和/或供给产生辅助功率PA的电机。

[0039] 因此，利用存储在所述至少一个能量存储单元中的电能，可以向第二压缩机供电以使得能够增加内燃机中的气缸压力从而向驱动轴提供额外的功率PA，和/或使得能够向与无人驾驶飞行器的主变速箱连接的电机供电(增加发动机扭矩)。

[0040] –由于所述飞行器是旋翼飞行器，因此调节所存储的电能以使得所存储的电能总是至少等于飞行器在所述内燃机出故障的情况下的回收能量。

[0041] 因此，对回收能量的这个管理可以强制进行对步骤e)和步骤f)所描述的可能动作之一的选择。

[0042] –在步骤e)和步骤f)之前，确定每个能量存储单元的充电状态SOC。

[0043] 当然，无人驾驶飞行器可以包括一个或更多个存储单元，例如一个或更多个电池。

[0044] 如果无人驾驶飞行器包括多个电能存储单元，则该能量存储系统的存储容量等于每个存储单元的、或者专用于每个存储单元的容量的总和。

[0045] 回想一下，电池的充电状态(SOC)表示储存在所述电池中的、通过电池完全充电后能存储的最大电量或标称容量归一化的(以Ah表示的)电量。

[0046] 优选地，所述飞行器是包括N个电能存储单元的旋翼飞行器，其中N>1，在步骤f)中，如果(N-1)个其他存储单元中的剩余容量总和大于或等于Vs，则允许第一存储单元的容量小于或等于阈值Vs/N，其中Vs对应于飞行器在所述内燃机出故障的情况下的回收能量。

[0047] 当然，当进行步骤e)时，优先考虑的是对具有小于所述阈值Vs/N的容量的存储单元进行充电，以使该容量返回到大于或等于Vs/N的值。

[0048] -所述无人驾驶飞行器是包括至少两副旋翼的旋翼飞行器，如果所述内燃机发生故障，则解除所述旋翼的机械耦合以确保这些旋翼的自由旋转和飞行器的自旋转。

[0049] 该无人驾驶飞行器优选地被配置成在所述内燃机停止的情况下自动解除每个旋翼的机械耦合。

[0050] 该机械耦合可以是爪形离合器或摩擦离合器。

[0051] 优选地，通过使用存储在所述至少一个存储单元中的电能中的至少一部分来向所述飞行器提供用以实现控制的所需功率，来控制飞行器在内燃机出故障的情况下的自旋转降落和着陆。

[0052] –在所述飞行器位于地面上的情况下，使用存储在所述至少一个存储单元中的电能中的至少一部分来向所述飞行器提供所需功率，其中内燃机是停止的。

[0053] -在步骤e)中，将以此方式生成的电能中的至少一部分存储在至少一个能量存储单元中，是按顺序的或不按顺序的。

[0054] 因此，如果存储单元各自的容量尚未达到它们的标称值(100％的充电状态SOC)，则可以一次对一个存储单元充电或者同时对所有这些存储单元充电。

[0055] 在步骤g)中，执行以下动作中的至少一个：降低飞行器的高度、修改飞行器的速度。

[0056] 该飞行器有利地包括高度确定装置，以使得能够评估该飞行器正在飞行的高度。因此，可以设定给定的阈值高度As，其中飞行器例如由于存在已知障碍物(墙壁、房屋等)或假定的障碍物(飞行器飞越其天然地貌(树等)难以预料的地形)而不能下降到该阈值高度以下。考虑该阈值高度As则会影响到步骤g)。如果仅降低飞行器的唯一高度将使飞行器的估计高度低于该阈值高度，则高度降低可以伴随着用以降低所需功率PM的另一动作，例如对速度的修改。

[0057] 用于确定无人驾驶飞行器的高度的这些装置包括至少一个气压传感器，该气压传感器使得能够测量飞行期间的压力变化，该压力变化与高度变化关联。

[0058] 本发明还涉及一种用于实现以上所述的管理功率需求的方法的旋翼无人驾驶飞行器，所述飞行器包括用于驱动所述旋翼的增压内燃机，所述内燃机包括第一压缩机并且提供最大主功率以至少确保对所述旋翼的驱动，所述最大主功率可能变化。

[0059] 根据本发明，该飞行器包括：

[0060] -用于回收热能并且将所述热能转换成电能的组件，所述组件包括如下装置以及发电机：所述装置用于当内燃机运转时收集至少一部分排气并且将以此方式收集的排气供给涡轮机从而将以此方式收集的这些气体的能量转换成机械能，发电机由该涡轮机供给以产生电能，

[0061] -至少一个电能存储单元，其被配置成存储以此方式产生的电能中的至少一部分，[0062] -推进控制系统，该推进控制系统使得能够确定在有功率需求时由所述内燃机提供的最大主功率，以及使得能够根据用于至少驱动所述旋翼所需的功率以及由所述内燃机提供的最大功率，来管理以此方式生成的电能从而满足功率需求。

[0063] 产生最大主功率PM的增压式内燃机连接到主变速箱以使主变速箱旋转，以便驱动旋翼系统的至少一个旋翼旋转。

[0064] 该内燃机优选地是迪塞尔发动机。

[0065] 所述内燃机优选地包括第二压缩机，所述第二压缩机被配置成由所述电能存储单元或者所述电能存储单元中的至少一个来供给电能。因此，该第二压缩机是电气压缩机。

[0066] 另外或可替选地，该飞行器包括电机，该电机被配置成由所述电能存储单元或者所述电能存储单元中的至少一个来供给电能，所述电机连接到与所述内燃机连接的主变速箱。

[0067] 这些组件尤其使得能够提供额外的功率来辅助内燃机。

[0068] 有利地，由于这个旋翼飞行器包括至少两副旋翼，因此该旋翼飞行器包括用于在所述内燃机出故障的情况下解除所述旋翼的机械耦合以确保这些旋翼的自由旋转。

[0069] 该飞行器优选地包括用于管理每个电能存储单元的充电状态以使得任何时候在所述内燃机出故障的情况下都有回收飞行器所需的能量可用。附图说明

[0070] 参考附图，本发明的其他特定优点、目的和特征将从以下说明性而决非限制性的描述中显现，其中：

[0071] -图1是根据本发明的一个特定实施方式的、由推进控制系统(PCU)中的软件实现的决策树的示意图，该决策树用以管理功率需求以确保VTOL无人机的运转；

[0072] -图2是根据本发明第一实施方式的、用于VTOL无人机的混合发电系统的的高度概略图；

[0073] -图3是根据本发明第二实施方式的、用于VTOL无人机的混合发电系统的高度概略图；

[0074] -图4是根据本发明的第三实施方式的、用于VTOL无人机的混合发电系统的高度概略图。

具体实施方式

[0075] 首先将应当注意，附图不是按比例绘制的。

[0076] 图1是根据本发明的特定实施方式的、由推进控制系统(PCU)中的合适软件实现决策树的示意图，该决策树用以管理功率需求以确保VTOL无人机的运转。

[0077] 该无人机包括能量存储单元，该能量存储单元的电能供给和向驱动轴的电能输出由推进控制系统(PCU)来管理。

[0078] 这里将以决策树的形式来描述用于确保对功率需求的管理的这个策略，该决策树包括五(5)个测试和六(6)个运转模式。

[0079] 第一测试(测试0)借助于置于内燃机上的各种传感器来评估该内燃机的运转状态。如果这些传感器发送指示内燃机出故障的信号，则安全模式(模式F)被触发以确保直接从能量存储单元提供电功率，以便允许无人机的有辅助的自旋转和软着陆。

[0080] 第二测试(测试1)检验该内燃机是否能够提供至少等于满足需求所需要的功率的最大功率：

[0081] -如果该内燃机能够提供该最大功率，则在关于能量存储单元中的充电状态的测试(测试2)之后，内燃机可以：

[0082] ·由用于回收热能并且将热能转换成电能的组件来辅助，并且因此根据功率需求而运转以减少其消耗(模式A，SOC等于最大限值)，或者

[0083] ·提供全部所需功率。由用于在排放气体处回收热能并将热能转换成电能的组件回收的功率因而被用于对电能存储单元充电(模式B，SOC小于最大限值)。

[0084] -如果在有功率需求时由发动机产生的最大功率小于所需功率，则：

[0085] ·如果满负荷的内燃机和从排放气体处的热能回收中得到的电能的总组合功率是充足的(测试3)，则通过由用于回收热能并将热能转换成电能的组件产生的电功率来补充内燃机(模式C)，

[0086] ·如果能量存储单元的充电状态(SOC)大于与无人机在发动机出故障的情况下的回收能量相对应的阈值以及如果满负荷的热力发动机的总组合功率和由能量存储单元输送的功率是充足的(测试4)，则由能量存储单元输送的电功率来补充热力发动机(模式D)，[0087] ·如果测试4失败，则无人机切换到安全模式以通过任务更改来减少功率需求。该更改意味着降低功率需求的处理(降低高度、更改速度等)(模式E)。

[0088] 该模式是暂时的并且不强制紧急着陆。

[0089] 该内燃机是活塞式发动机，所述用于回收热能并将热能转换成电能的组件在这里包括：

[0090] -用于在内燃机运转时收集至少一部分排放气体并且将以此方式收集的排放气体直接供给涡轮机从而将以此方式收集的这些气体的剩余能量转换成机械能的装置，以及[0091] -发电机，该发电机由该涡轮机来供给以产生电能。

[0092] 如图2至图4所示，无人机的混合发电系统的电气组件在这里包括：

[0093] -电机/交流发电机10，其以高转速(涡轮机的转速)运转，

[0094] -电机/交流发电机11，其连接到发动机模12与主旋翼13之间的机械传动装置，[0095] -两个AC/DC转换器14、15，

[0096] -DC/DC转换器16，

[0097] -能量存储单元17，其包括用于存储电能的多个电池或超级电容器，并且其管理电子装置使得能够监控该电能存储单元的健康状态和充电状态，

[0098] -推进控制系统(PCU)18，其使得能够根据功率需求和电池充电状态来管理电能的流动。

[0099] 以高转速(涡轮机的转速)运转的电机/交流发电机10能够向迪塞尔发动机12的涡轮机增压器的轴提供机械功率或者从该轴回收机械功率。

[0100] 连接到发动机12与主旋翼13之间的机械传动装置的电机/交流发电机11使得能够向VTOL无人机的旋翼提供机械功率。

[0101] 两个AC/DC转换器14、15使得能够将直流电功率转换成交流电功率，反之亦然。

[0102] DC/DC转换器16使得能够调节在充电期间供给能量存储单元的电流。

[0103] 能量存储单元17使得能够存储来自电机/交流发电机的电功率或者向电机/交流发电机输出电功率。

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