燃料电池无人机的制作方法

本发明涉及燃料电池无人机领域，特别是涉及一种结构简单、轻量化、多旋翼、具有长续驶里程的燃料电池无人机以及控制燃料电池无人机飞行的方法。

背景技术：

无人机、即无人驾驶飞机(unmannedaerialvehicle，缩写uav)是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇和无人伞翼机等。无人机的特点是机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。

在无人机的各种类型中，多旋翼式无人机由于其操控简单、可靠性高等优点已逐步成为微小型无人机或航模的主流类型。但是，多旋翼无人机的续航里程一直是其设计发展的软肋。例如，以锂电池为动力的多旋翼无人机的普遍航时不足半小时，因而不能有效进行超视距飞行，尤其难以克服山地、水域等复杂地形，因此无法完成专业复杂的飞行任务。

目前，已知采用燃料电池来作为无人机的动力源之一。一般来说，燃料电池包含阴阳两个电极，两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢分子分解成两个质子与两个电子，其中质子被氧吸引到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，质子、氧及电子，发生反应形成水分子。因此，燃料电池系统具有能量密度高、低噪音和零排放等优点，近年来被应用于无人机领域，从而使得无人机的续驶里程有长足的提升，并能实现运行过程中碳的零排放。

例如，研发制造无人机系统的以色列宇航工业公司(iai)和英国氢能源先进新材料企业cellaenergy公司尝试利用cella公司的固氢燃料系统技术为iai旗下的一款“鸟眼”微型无人机研发出一种燃料电池供能系统。cella公司将氢能技术取代了现有的锂聚合物电池，将其用作微型无人机系统的能量来源。cella研发的储氢材料在加热至0摄氏度以上时会在数分钟内释放。每克材料的安全容量相当于约一升的气态氢。这款“鸟眼”无人机通过燃料电池搭载测试使续航能力从2小时提升至6小时。

又例如，市场上目前还存在由horizonunmannedsystems公司打造的hycopter无人机净重约5kg，其采用锂电池与燃料电池作为混合动力。hycopter无人机在无负重的状态下飞行四小时之久，续航力是目前同级机种的八到十倍，携带1kg的飞行载荷实现2.5小时的飞行时间。

然而，为了进一步增加续航里程，从飞行器设计的角度讲，降低整个无人机的结构重量是始终追求的目标。因此，行业内仍然存在对于燃料电池无人机的重量降低的需求。

技术实现要素：

目前市场上已有的燃料电池无人机存在多个问题。首先，此类无人机的结构较为复杂，尤其是额外需要氢瓶储存燃料，并且需要风扇来对燃料电池进行散热和为燃料电池供给空气。这些辅助设备的存在与使用都与燃料电池堆的轻量化设计以及具有较高的集成度的设计方向相悖。其次，燃料电池系统的整体成本较高，其中，氢瓶不但重量大而且价格也一直居高不下。另外，与其配套使用的减压阀技术难度高且仅能通过进口方式购买，因此成本十分高昂。

为了解决上述问题，本发明通过合理的设计在燃料电池无人机中安装能够向无人机提供升力的可充胀的储氢构件，由此一方面可以降低燃料电池无人机在起飞阶段和巡航阶段对燃料电池功率的需求，另一方面也能储存氢气，减轻氢瓶的重量，以此减小燃料电池的功率和储氢系统，从而降低燃料电池系统的成本，同时增加续航里程。

更进一步，充胀构件通常所具有的较大体积在燃料电池无人机的飞行过程中可能会受到空中气流的影响而产生摆动，因此，存在影响整机稳定性的风险。 为此，也需要对旋翼进行相应调节、进行相应补偿以实时地抵消由于充胀构件所带来的不利影响或不稳定因素。

为此，本发明通过如下一种燃料电池无人机来实现上述目的，该燃料电池无人机包括燃料电池系统、机架、飞行提升构件和控制机构，其中，燃料电池系统与供给氢气的氢气源相连通并为所述燃料电池无人机提供动力，以经由所述控制机构使飞行提升构件旋转从而进行飞行，其中，该燃料电池无人机还包括至少一个可充胀的储氢构件，所述可充胀的储氢构件也与所述氢气源相连通，在需要增加升力时，所述氢气源向所述可充胀的储氢构件供给氢气，以使其充胀，在需要减少升力时，所述可充胀的储氢构件内的氢气被供给到燃料电池系统来消耗，以使其收缩。

附图说明

图1示意性地示出一种示例性多旋翼燃料电池无人机的结构图；以及

图2示意性地示出根据本发明的燃料电池无人机的可充胀的储氢构件的结构图。

具体实施方式

参照图1，多旋翼燃料电池无人机可包括燃料电池系统1、机架2、飞行提升构件3、控制机构等。

所述机架2包括沿其向外伸出的多个、例如为四个机臂30，这些机臂30围绕机架2大致等间隔地布置，以确保无人机飞行的稳定性。每个机臂由第一机臂元件31和第二机臂元件33构成。在第一机臂元件31的远离机架2的根部处设置有折叠件，以与第二机臂元件33连接。

然而，可以理解到第一机臂元件和第二机臂元件之间的连接不限于通过折叠件，而是可以是实现两者稳定连接的任何已知方式，例如铰接、螺接等。

在各个机臂30的末端处设置有对应的飞行提升构件3。每个飞行提升构件3可以例如包括电机41、螺旋桨43以及可选的电子调速器。电机41能控制螺旋桨43以不同的转速旋转。

控制机构较佳地设置于无人机的机体内部，以控制无人机飞行到指定高度 及在高空悬停等操作。例如，控制机构4包括主控制器、传感器、导航系统等。

通常，多旋翼无人机以如下方式进行工作：多个传感器采集无人机当前飞行姿态信息传输到主控制器，主控制器根据pid运算调整电子调速器的输出，进而调整电机41驱动螺旋桨43的力矩，从而达到稳定的飞行效果。

作为供电源，燃料电池系统1可置于无人机的机架2顶部，从而为无人机各机构如主控制器、传感器、电机以及其它辅助设备供电。燃料电池系统1一方面与供给氢气的氢气源(例如，氢瓶)连接，另一方面还与供给空气(氧气)的装置连接。氢气源在此涉及为无人机提供氢气的供给装置。通常，氢气源中的氢气为经加压后的压缩形式。

此外，在燃料电池系统附近还设有散热装置、例如散热风扇，以使燃料电池在容许温度范围内可靠运行。

在燃料电池无人机上设置有可以为无人机提供升力的至少一个可充胀的储氢构件12。这种可充胀的储氢构件可以实施成氢气球，但形状和构造并不限于此，只要是能够在加载氢气的情况下能提供升力，且储存氢气而尽可能不向外泄漏的构件皆可。

优选地，可充胀的储氢构件的材料为轻质的，但又需要有一定刚度，以具备一定的承重能力。

可充胀的储氢构件12与氢气源可以通过管路和阀门来连接。在无机人的主控制器判断需要升力/浮力时，打开储氢构件12与氢气源之间的阀门，以使得经加压的氢气从氢气源以非压缩的形式流入可充胀的储氢构件内，由此使储氢构件12膨胀。

反之，在无人机需要减少升力时，可以通过管路将可充胀的储氢构件中的储存的非压缩形式的氢气直接供给给燃料电池(或者也可以送回到氢气源周围的中间储存设备)，从而使得可充胀的储氢构件收缩，以减少升力/浮力。

可以设想，在无人机上构造有多个上述可充胀的储氢构件，以进一步提高升力/浮力。

此外，可充胀的储氢构件可以布置在除了无人机顶部的其它位置，只要不与其它装置、特别是无人机的各个旋翼的正常运行干涉即可。

另外，可充胀的储氢构件应经由联接件与无人机(例如，机架)可靠地固 定(也可以是可移除地)连接。但也可理解到可充胀的储氢构件的充胀部分可以与无人机不接触，以实现可靠的充胀和收缩。

现在，根据燃料电池无人机的运行状态的不同，可以对包含可充胀的储氢构件12的燃料电池系统实现如下操作：

在起飞阶段，可以通过主控制器来计算燃料电池无人机需要的用于起飞的升力p1(例如，借助存储在控制器内的特性曲线，该特性曲线可与起飞环境下的风力、气压、温度等相关)。

其次，根据可充胀的储氢构件的耐压性和体积等特性，计算出可充胀的储氢构件能够向无人机提供的最大升力p2(例如，在最大可充胀体积下)。

然后，根据计算出的需要由燃料电池系统提供的升力(即，p1-p2)来计算对应的燃料电池功率。

最后，根据该计算出的燃料电池功率来向燃料电池系统供给氢气和氧气(假设不考虑无人机质量的实时变化)，产生所需的能量，以后续向控制旋翼的电机供给。

在高空巡航阶段，本发明充分利用可可充胀的储氢构件的升力来维持无人机的巡航运行，由此甚至可关闭燃料电池或者至少降低燃料电池的功率输出，从而节约储氢量，由此大幅提高无人机的续航里程。

在降落阶段，主控制可以优选使用可充胀的储氢构件12内储存的氢气，即由燃料电池来优选消耗可充胀的储氢构件内的氢气，由此使可充胀的储氢构件12收缩，以减少无人机下降时的阻力，进一步节约氢气能源。

借助根据本发明的包含上述类型的可充胀的储氢构件12的无人机，可以降低燃料电池无人机尤其在起飞和高空巡航阶段中对燃料电池的功率需求，从而减小燃料电池的规模和成本。

特别是，将氢气源内的氢气用可充胀的储氢构件来储存，可以减小氢气源(例如，氢瓶)的体积和重量要求，同时又向燃料电池无人机提供了可靠的升力需求。

尤其是，在定位巡航阶段，可以充分利用可充胀的储氢构件的升力/浮力，达到不用或减少燃料电池功率输出，由此提高了无人机的续航时间和里程，总体上节约了能源以及飞行成本。

此外，还可优选地设置有引导可充胀的储氢构件的充胀和收缩的辅助机构，以确保可充胀的储氢构件不与其它构件发生干涉。

更进一步说，充胀构件通常所具有的较大体积在燃料电池无人机的飞行过程中可能会受到空中气流的影响而产生摆动。因此，为了能够实时地抵消由于充胀构件所带来的不利影响或不稳定因素，如图2中示例性所示，该燃料电池无人机还包括用于可充胀的储氢构件12的动态控制机构。

有利地，在可充胀的储氢构件12的内部布置有运动传感器(在图中未示出)，该运动传感器可以与运动控制模块相关联(例如，以有线的方式或者无线通讯的方式)。该可充胀的储氢构件12可以通过与其固定相连的中杆14(其较佳地实施成中空的刚性细长杆)直接或者间接地与氢气源相连接。该中空的中杆14可以在其内部包含用于双向传输氢气的气体传输软管以及用于运动传感器的传感器线束(未示出)。

沿中杆14长度在其上还套装有限位构件，例如呈图2中所示的限位面板16的形式。该限位构件包含尺寸大于中杆的直径的贯通的开口20，以使得中杆能穿过该开口自由运动。该限位构件可以安装在无人机的机架上(例如，由机架构成的中心平台上)。较佳地，该限位构件的开口尺寸设计成使得与充胀构件固定连接的中杆能够在其开口的范围内运动，即摆动角度受到该限位构件的限制，从而可以限制充胀构件随气流摆动的横向范围。

图2中所示的附图标记18可以示意地表示为运动控制模块，其例如可包含双轴伺服电机。但运动控制模块与中杆14的连接方式不限于此，甚至可以将运动控制模块安装在燃料电池无人机的其它部位、例如机架2的底部等，只要确保实现与运动传感器之间的通信以及能够操纵中杆14的运动即可。

在燃料电池无人机在空中受到气流扰动时，通过将可充胀的储氢构件12的运动传感器发出的信号发送给运动控制模块18。当运动控制模块中预先设定的阈值被超过时，则可以动态调节与可充胀的储氢构件12连接的中杆的摆动位置，从而逐步将可充胀的储氢构件12的运动限制在可控范围内，由此提高燃料电池无人机的飞行效率。

如果在飞行过程中突发状况，由此导致可充胀的储氢构件12来不及进行运动调节而产生短时超大幅度的摆动，则由于限位构件16的存在，而使得可 充胀的储氢构件12的横向位置被限制在开口20尺寸的范围内，由此不会使得可充胀的储氢构件与燃料电池无人机的螺旋桨发生不可挽回的意外接触/缠绕/干扰等。

另外，还可理解到中杆不一定是包含气体输送软管的中空杆，而是可以附加于气体输送软管和传感器线路的另一专用于保持可充胀的储氢构件的运动范围的杆件，其一端与可充胀的储氢构件12固定连接，另一方面可摆动地与机架2相连，但受到运动控制模块18的上述类似控制。