一種多旋翼機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多旋翼機(jī)應(yīng)用太陽(yáng)能電源供電的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，屬于新能源和航空技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)是指可重復(fù)使用的無(wú)人駕駛飛行器，它有相應(yīng)的航電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等，具有自主飛行和獨(dú)立完成某項(xiàng)任務(wù)的功能，也有人稱之為空中機(jī)器人。相對(duì)于有人駕駛飛行器，無(wú)人機(jī)具有造價(jià)低廉，適用于多種復(fù)雜任務(wù)環(huán)境、可降低人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)。英國(guó)早在1917年就研制成功了世界上第一架無(wú)人機(jī)，到20世紀(jì)80年代左右，無(wú)人機(jī)的發(fā)展逐漸得到重視，目前，世界上很多國(guó)家都展開了無(wú)人機(jī)的研究和制造。
[0003]旋翼式無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)的一個(gè)主要分類，依靠一個(gè)或者多個(gè)旋翼提供機(jī)體的升力和動(dòng)力。隨著無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的深入發(fā)展，旋翼式無(wú)人機(jī)以其獨(dú)特的空中懸停能力、較固定翼式無(wú)人機(jī)更優(yōu)良的低空低速特性、對(duì)起降場(chǎng)地的低要求、極佳的機(jī)動(dòng)靈活性以及高可靠性得到了越來(lái)越多的青睞，被廣泛運(yùn)用于軍民各個(gè)行業(yè)。
[0004]無(wú)人機(jī)的續(xù)航對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用影響非常大，無(wú)人機(jī)在飛行中會(huì)直接受到光照，太陽(yáng)能是環(huán)保能源，無(wú)人機(jī)在飛行中可通過(guò)太陽(yáng)能進(jìn)行充電，目前被越來(lái)越多的用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，而現(xiàn)在常見(jiàn)的由三個(gè)及多個(gè)電動(dòng)螺旋槳升力的組合控制飛行的電動(dòng)多軸旋翼機(jī)(簡(jiǎn)稱多旋翼機(jī))在使用上存在電池的持續(xù)供電能力弱，飛行續(xù)航時(shí)間較短的缺點(diǎn)，僅靠解決電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)多旋翼機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間飛行續(xù)航的需求在近幾年里較難取得進(jìn)展。
[0005]旋翼式無(wú)人機(jī)通常機(jī)體中部為一個(gè)球形體，可以考慮將球形體表面設(shè)置太陽(yáng)能集能板從而利用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，但由于球面的采光面積受限制，且不容易擴(kuò)展面積因而原理上采能受限很大，而且太陽(yáng)能電池基本材料硅片絕大多數(shù)是平面材料，特制球面的不宜推廣。另外，多旋翼機(jī)的飛行速度慢，對(duì)太陽(yáng)能板面積擴(kuò)大不敏感，利用其低速特點(diǎn)安裝面積較大的平面采光面板更具實(shí)用性。
[0006]因此，如何實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)飛行是目前需要解決的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種多旋翼機(jī)應(yīng)用太陽(yáng)能電源供電的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，以解決多旋翼無(wú)人機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間飛行續(xù)航的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
首先，本發(fā)明提出了一種多旋翼機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行的設(shè)計(jì)方法，它至少包括如下A、B、C三種方案之一或者A方案與B方案的結(jié)合或者A方案與C方案的結(jié)合:
A方案:通過(guò)多旋翼機(jī)上自帶的太陽(yáng)能電池板向多旋翼機(jī)上的蓄電池充電以實(shí)現(xiàn)多旋翼機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)飛行；
B方案:多旋翼機(jī)定點(diǎn)飛行時(shí)，多旋翼機(jī)采用供電電纜與地面的或汽車上的太陽(yáng)能電池，汽車發(fā)電機(jī)，或引入市電組成的電源管理系統(tǒng)連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)多旋翼機(jī)供電，電源管理系統(tǒng)可通過(guò)地面太陽(yáng)能電源板或市電對(duì)其蓄電池進(jìn)行充電再連接到供電電纜；
C方案:多旋翼機(jī)移動(dòng)飛行時(shí)，多旋翼機(jī)采用供電電纜與地面的汽車上的電源管理系統(tǒng)連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)多旋翼機(jī)供電，電源管理系統(tǒng)可以配置蓄電池，通過(guò)車載太陽(yáng)能電源對(duì)其蓄電池進(jìn)行充電再連接到供電電纜。
[0009]其中，在A方案中，多旋翼機(jī)自帶的太陽(yáng)能電池板及其支撐結(jié)構(gòu)安裝在多旋翼機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸臂延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上，可以拆卸，太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)使多旋翼機(jī)的螺旋槳?dú)饬黜樌蛳铝魍?，太?yáng)能電池板設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)的減小風(fēng)阻的機(jī)構(gòu)，以及調(diào)節(jié)板面結(jié)構(gòu)形式的機(jī)構(gòu)。
[0010]B方案和C方案中，汽車在行駛過(guò)程中，通過(guò)導(dǎo)航信息讓移動(dòng)飛行的多旋翼機(jī)獲得汽車的實(shí)時(shí)位置，引導(dǎo)和控制移動(dòng)飛行的多旋翼機(jī)跟隨汽車移動(dòng)，保持相互的位置和距離從而獲得持續(xù)的供電。供電電纜通過(guò)安裝在汽車上的電纜收放裝置實(shí)現(xiàn)電纜長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，對(duì)電纜收放長(zhǎng)度的控制采用電動(dòng)和手動(dòng)結(jié)合的兩種方式；手動(dòng)方式可用在斷電或其他特殊情況；電動(dòng)調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)為通電狀態(tài)處于放線的松弛狀態(tài)，電纜收放裝置自動(dòng)記錄放線長(zhǎng)度，電纜收放裝置根據(jù)其自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)或與導(dǎo)航信息結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)放線長(zhǎng)度的收線和放線的控制。
[0011]在以上各方案中，還可以在多旋翼機(jī)上與通常配置的遙測(cè)遙控與信息傳輸鏈路并聯(lián)加裝4G/LTE (含LTE-A)通訊設(shè)備，將任務(wù)載荷或探測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)在機(jī)上記錄或下傳給指定的接收設(shè)備，指定的地面或移動(dòng)平臺(tái)上的接收設(shè)備可以多臺(tái)同時(shí)接收下傳的信息。
[0012]基于上述方法，本發(fā)明的一種多旋翼機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行控制系統(tǒng)是這樣的:它包括設(shè)有蓄電池和充電器的多旋翼機(jī)，該多旋翼機(jī)設(shè)有太陽(yáng)能供電系統(tǒng)；所述太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為下面任意一種:
第一種是:太陽(yáng)能供電系統(tǒng)包括設(shè)置在多旋翼機(jī)上的太陽(yáng)能電池板，該太陽(yáng)能電池板向多旋翼機(jī)上的蓄電池充電；
第二種是:太陽(yáng)能供電系統(tǒng)包括設(shè)置在地面汽車上的電源管理系統(tǒng)，電源管理系統(tǒng)通過(guò)地面太陽(yáng)能電源板，汽車發(fā)電機(jī)或市電進(jìn)行供電，電源管理系統(tǒng)通過(guò)供電電纜向多旋翼機(jī)的蓄電池充電，或直接連接多旋翼機(jī)的用電設(shè)備進(jìn)行供電；其主要用于多旋翼機(jī)定點(diǎn)飛行的情形；
第三種是:太陽(yáng)能供電系統(tǒng)包括設(shè)置設(shè)置在地面汽車上的電源管理系統(tǒng)，電源管理系統(tǒng)通過(guò)車載太陽(yáng)能電源或汽車發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，電源管理系統(tǒng)通過(guò)供電電纜向多旋翼機(jī)的蓄電池充電，或直接連接多旋翼機(jī)的用電設(shè)備進(jìn)行供電；其主要用于多旋翼機(jī)移動(dòng)飛行的情形。
[0013]其中，太陽(yáng)能電池板安裝在多旋翼機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸臂延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可以拆卸，太陽(yáng)能電池板為同心圓環(huán)板狀結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，太陽(yáng)能電池及其支撐結(jié)構(gòu)可以從多旋翼機(jī)上拆卸，太陽(yáng)能電池板面的設(shè)計(jì)，能夠保證多旋翼機(jī)的螺旋槳?dú)饬黜樌蛳铝魍?，太?yáng)能電池板面可以設(shè)計(jì)分塊式縫隙間隔的或變結(jié)構(gòu)的減小風(fēng)阻的機(jī)構(gòu)，以及調(diào)節(jié)板面結(jié)構(gòu)形式的機(jī)構(gòu)。因此，優(yōu)選的的太陽(yáng)能電池板面形狀是同心圓環(huán)。因?yàn)橐话愕亩嘈頇C(jī)結(jié)構(gòu)都采用復(fù)合材料，因此，太陽(yáng)能電池板及其支撐架構(gòu)也采用復(fù)合材料及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
[0014]設(shè)置在地面或汽車上的電源管理系統(tǒng)包括蓄電池、充電器及電源管理器。供電電纜在輸出和懸掛的兩端應(yīng)設(shè)置可靠的緊固設(shè)計(jì)，供電電纜的強(qiáng)度可根據(jù)抗風(fēng)要求選擇。
[0015]車載太陽(yáng)能電源可折疊地安裝在汽車上，車載太陽(yáng)能電源的供電可以與其他地面電源進(jìn)行混合電源供電，由電源管理器進(jìn)行管理，并由車載的充電器經(jīng)過(guò)供電電纜向多旋翼機(jī)上的蓄電池進(jìn)行供電，其中，車輛的發(fā)電機(jī)供電，以及便攜蓄電池供電是比較容易獲得的可移動(dòng)電源，并可與車載的太陽(yáng)能電池構(gòu)成混合供電電源。電源管理器可以與充電器一體化設(shè)計(jì)。
[0016]連接到多旋翼機(jī)用電設(shè)備的供電電纜設(shè)計(jì)兩個(gè)安裝點(diǎn)，一個(gè)安裝點(diǎn)與多旋翼機(jī)上的用電設(shè)備的結(jié)構(gòu)連接，另一個(gè)安裝點(diǎn)則應(yīng)該根據(jù)多旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸將安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)在多旋翼機(jī)起降支架上或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的固定架上，保持與云臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)距離并使對(duì)多旋翼機(jī)的重心的力矩盡量小，這個(gè)安裝點(diǎn)作為承受風(fēng)力或牽引力的承力緊固點(diǎn)，可讓觀測(cè)載荷的云臺(tái)作180度左右或360度左右旋轉(zhuǎn)而不被供電電纜纏繞或遮擋，即使遮擋也可以通過(guò)多旋翼機(jī)自己的航向適當(dāng)旋轉(zhuǎn)得以避開。
[0017]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)多旋翼機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)的成本較低，適合與現(xiàn)有的多旋翼機(jī)改進(jìn)并結(jié)合應(yīng)用。原則上可以實(shí)現(xiàn)三種方式的長(zhǎng)航時(shí)飛行，即:可以實(shí)現(xiàn)多旋翼機(jī)持續(xù)晝夜定點(diǎn)飛行，可以實(shí)現(xiàn)多旋翼機(jī)與地面車輛協(xié)同，以較低速度的移動(dòng)供電并進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的飛行，還可以實(shí)現(xiàn)小風(fēng)天氣多旋翼機(jī)自帶太陽(yáng)能電池較長(zhǎng)時(shí)間飛行。
[0018]與目前多旋翼機(jī)飛行時(shí)間普遍只有I小時(shí)以內(nèi)的能力相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)的長(zhǎng)航時(shí)飛行時(shí)間將提高到定點(diǎn)晝夜長(zhǎng)航時(shí)飛行、自帶太陽(yáng)能電池陽(yáng)光天白天可達(dá)6小時(shí)飛行的能力提升。至于地面供電方式涉及的供電電纜抗風(fēng)問(wèn)題，全年3/4以上大多數(shù)天氣可以穩(wěn)定飛行，少數(shù)天氣會(huì)有影響，一是小功率的多旋翼機(jī)受到大風(fēng)天使用的限制，二是大功率的多旋翼機(jī)可以不受大風(fēng)天使用的限制。因此，對(duì)于需要持續(xù)長(zhǎng)航時(shí)飛行的多旋翼機(jī)，可以選用較大功率的多旋翼機(jī)解決抗風(fēng)問(wèn)題，滿足大風(fēng)天使用的需求。特別是混合電源供電的方案，可以保證復(fù)雜天氣和夜間對(duì)多旋翼機(jī)供電，滿足晝夜長(zhǎng)航時(shí)飛行的需求。
[0019]本發(fā)明的給多旋翼機(jī)供電的長(zhǎng)航時(shí)飛行設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)，是以多旋翼機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加的供電設(shè)計(jì)不會(huì)帶來(lái)新的技術(shù)難點(diǎn)和原理改變。
[0020]針對(duì)長(zhǎng)航時(shí)飛行的用途，可以給出若干舉例。按照應(yīng)用領(lǐng)域，包括民用、軍用等領(lǐng)域，如城市和高速交通、集