油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置及方法与流程

本发明涉及无人机领域，尤其是涉及一种油电混合动力的多旋翼无人机。

背景技术：

多旋翼无人机结构简单、造价低廉，操控简便，在空中摄影、测绘、农业植保等领域已获得了广泛应用。但由于锂电池能量密度有限，纯旋翼无人机续航时间和载荷能力极其有限，限制了其在工业领域的应用，为此许多工程技术领域人员把小型航空活塞式发动机与旋翼无人机结合起来，将发动机垂直安装在多旋翼无人机上，油动部分为无人机提供部分向上拉力，通过在机臂上安装扰流板或在飞多旋翼无人机结构简单、造价低廉，操控简便，在空中摄影、测绘、农业植保等领域已获得了广泛应用。但由于锂电池能量密度有限，纯旋翼无人机续航时间和载荷能力极其有限，限制了其在工业领域的应用。

常规电动多旋翼可为四、六或八轴多旋翼，电动多旋翼动力部分配置的基本原则是其50%油门时产生的升力占混合动力多旋翼无人机总重量的40%以上，而且机臂之间要有安装发动机的空间。

为此，许多工程技术领域人员把小型航空活塞式发动机与旋翼无人机结合起来，将发动机垂直安装在多旋翼无人机上，油动部分为无人机提供部分向上拉力，通过在机臂上安装扰流板或在无人机尾部垂直安装电机来克服发动机反扭矩对无人机的影响，研制了油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置，在一定程度上能提高续航时间和载荷能力。但这种结构的油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置飞行速度慢，不易实现快速飞行。这是由于在快速飞行过程中电机和发动机均为无人机提供前飞动力，两种不同形式的动力源耦合在一起，为克服阻力会出现较大的前倾角度，较大的前倾角度会使机头方向的电机转速变得很低、甚至停转，在遇到风等的扰动时前方电机就失去了调节能力，无人机会出现较大的晃动，甚至摔机，因此无法实现快速飞行，抗风能力也较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置及方法，实现旋翼无人机快速、稳定飞行。

本发明的技术方案是：

油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置，用于旋翼无人机，旋翼无人机包括无人机机架，无人机机架在中心位置设有机架中心平台，机架中心平台包括平行的上中心板和下中心板且上中心板和下中心板之间设有间距；无人机机架的机臂上安装有电机，无人机机架上安装有两个油动发动机，油动发动机为汽油活塞式发动机，电机和油动发动机上均安装有螺旋桨，包括汽油动力矢量转轴及汽油动力矢量控制装置，汽油动力矢量转轴两端与无人机机架转动连接，汽油动力矢量转轴的两端与无人机机架之间设有端部轴承，汽油动力矢量转轴的中间部分称为中间轴段，中间轴段从上、下中心板之间穿过并与上、下中心板转动连接，中间轴段上套设有两组中部轴承且两组中部轴承连接在上、下中心板之间，所有电机关于汽油动力矢量转轴对称分布；汽油动力矢量转轴、汽油动力矢量控制装置、带螺旋桨的油动发动机这三部分的整体重心与旋翼无人机的质量重心重合；汽油动力矢量转轴上设有两个向下弯曲凹陷的凹陷部，两个凹陷部关于中间轴段对称设置，在汽油动力矢量转轴的两个凹陷部上分别垂直安装有一个型号相同的汽油活塞式发动机，两个汽油活塞式发动机关于中间轴段对称设置，两个汽油活塞式发动机上的螺旋桨转向相反；

汽油动力矢量控制机构包括控制器、位于汽油动力矢量转轴一侧的第一舵机和连杆，第一舵机包括第一摇臂，第一摇臂端部与连杆一端转动连接，汽油动力矢量转轴上固定连接有汽油动力矢量转轴摇臂，连杆另一端与汽油动力矢量转轴摇臂转动连接，控制器与第一舵机控制连接，第一舵机控制汽油动力矢量转轴发生旋转，当汽油动力矢量转轴旋转时油动发动机产生水平方向的拉力。

汽油动力矢量转轴包括水平的左端轴段、中间轴段、右端轴段，左端轴段、中间轴段、右端轴段处于同一水平高度，左端轴段和右端轴段关于中间轴段对称；两个凹陷部分别位于左端轴段和中间轴段之间以及中间轴段和右端轴段之间，两个凹陷部位于同一平面上，凹陷部所在的由凹陷形成的空间构成凹陷空间；

汽油动力矢量转轴在左端轴段和中间轴段之间的部分称为左凹陷部，汽油动力矢量转轴在中间轴段和右端轴段之间的部分称为右凹陷部，左端轴段、左凹陷部、中间轴段、右凹陷部及右端轴段从左到右一体连接；两个油动发动机通过发动机底座分别固定连接在左凹陷部、右凹陷部上，两个油动发动机关于中间轴段对称设置。

凹陷部包括第一倾斜段、水平段和第二倾斜段，第一倾斜段、第二倾斜段关于水平段对称设置且均向外倾斜设置，水平段水平设置，水平段的两端分别与第一倾斜段和第二倾斜段的下端一体连接，油动发动机通过发动机底座安装在相应的水平段上。

汽油动力矢量转轴摇臂的中部设有圆形孔，该圆形孔的内径与汽油动力矢量转轴外径相等，汽油动力矢量转轴摇臂的圆形孔固定在汽油动力矢量转轴上。

旋翼无人机为四旋翼、六旋翼或八旋翼。

无人机机架所在平面为水平的水平基准面，穿过无人机机架中心且与所述水平基准面垂直的面称为垂直基准面，所述的两个电机的主轴中心线与垂直基准面之间设有夹角，夹角角度为4~8度。

两个油动发动机均连接有风门舵机，风门舵机与控制器控制连接。

汽油动力矢量转轴控制机构的重心以及两个油动发动机的重心与整个旋翼无人机的质量重心重合。

采用所述油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置的控制方法，旋翼无人机简称无人机，油动发动机简称为发动机，将连接在无人机机臂上的所有电机共同称为电动部分；

控制方法如下：

1）当无人机处于状态悬停，在无人机的纵向方向上发动机拉力垂直向上时，两个油动发动机产生的拉力为G1、所有电机产生的拉力为G2、无人机的总重为G，三者之间应满足如下关系：G1+G2=G，G1/G2≤1.5；

2）在无人机进行爬高或降高时，增大无人机的电机的电动油门，使无人机获得向上或向下的加速度，从而完成爬高或降高过程；

3）在无人机进行水平定高飞行过程中，油动发动机和电机两部分在纵向上所提供的纵向拉力基本保持不变，电动部分在飞行时只负责调整无人机的俯仰角、倾斜角、高度、航向参数，电动部分保证旋翼无人机基本处于水平状态；

4）在无人机快速前飞时，无人机所需水平拉力通过油动发动机向前倾转使发动机拉力产生水平分量的方式提供；在发动机向前倾转的同时，通过两个风门舵机同时增大发动机功率，以维持纵向拉力不变；

5）在无人机向前飞行过程中需要进行加速飞行时，使发动机不断前倾、发动机功率也不断增大，无人机的水平拉力也随之不断增大，从而实现加速飞行；

6）在无人机向前飞行过程中需要进行减速飞行时，通过汽油动力矢量转轴控制机构的第一舵机带动汽油动力矢量转轴旋转，使发动机前倾角度不断减小，并通过风门舵机控制发动机功率也不断减小，使发动机纵向拉力基本保持不变，水平拉力不断减小，从而实现减速飞行；最终风门舵机的风门减小到悬停状态的风门状态，此时，发动机前倾角度也减小到0度，变为垂直向上，进入悬停状态。

电动部分只提供维持无人机姿态和航迹位置所需的部分升力，无人机快速前飞时负责调整无人机的姿态和克服电机反扭矩的变化来稳定航向，使无人机基本处于水平状态。

针对上述问题，本发明基于飞行姿态和飞行速度解耦控制的基本方案，通过对油动发动机进行矢量控制，使其不但在无人机纵向上提供一定的拉力，而且在水平方向提供快速前飞所需拉力。

本发明的装置由油动和电动两部分组成，电动部分由常规的多旋翼无人机的电机组成，油动部分为两个型号技术参数完全一致的小型活塞式航空发动机，但油动部分工作时的旋转方向相反，油动发动机和电动部分在纵向上均提供部分升力，而且在飞行过程中各自所提供的升力基本保持不变，电动部分在飞行时只负责调整无人机的俯仰角、倾斜角、高度、航向，使旋翼无人机基本处于水平状态；从而实现快速、稳定飞行。

汽油动力矢量转轴主要由航空空心铝管制成，空心铝管直径及厚度满足发动机工作时产生拉力和震动要求即可，要求铝管不形变，通过汽油动力矢量转轴控制机构的轴承安装在旋翼无人机的上、下中心板之间，并关于无人机纵轴对称，汽油动力矢量转轴凹陷部分的角度为45度；汽油动力矢量转轴控制机构主要由汽油动力矢量转轴摇臂、第一舵机及连杆组成，汽油动力矢量转轴摇臂的内径为汽油动力矢量转轴铝管的外径。

两个油动发动机型号、技术参数完全一致，通过发动机底座垂直、对称地安装在中心板两侧的汽油动力矢量转轴凹陷部分的底部，发动机、汽油动力矢量转轴机构和汽油动力矢量转轴控制机构三部分的重心与整个旋翼无人机的重心重合，可通过调整发动机安装高度保证此部分的重心与整个无人机重心重合；为减小发动机工作时的震动对无人机的影响，在发动机安装座上装有橡胶减震装置，采用通过风门舵机（数字舵机）控制发动机风门的方法控制发动机功率，两个风门舵机分别固定在各自发动机安装座上，通过连杆与风门相连，用同一个PWM信号控制两个风门舵机，使两个发动机的风门大小一样。这要求两个风门舵机零位完全一致。

本发明的有益效果是实现了旋翼无人机快速度、稳定飞行，有效解决了传统纯电动无人机和油电混合动力旋翼无人机快速飞行时较大的前倾角度引起部分电机停转，失去调节能力，在遇到阵风以及减速时无人机会出现较大的晃动甚至摔机的问题，大大提高旋翼无人机的飞行速度、抗风能力。

附图说明

图1是本发明为四旋翼无人机时的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中的A-A剖视图；

图4是四旋翼无人机上的油动发动机倾斜后的结构示意图；

图5是采用六轴的无人机的示意图；

图6是采用四轴但有8个电机时的示意图；

图7是无人机为四轴8个电机时油动发动机倾斜后的结构示意图；

图8是电机主轴中心线倾斜安装的示意图；

图9是汽油动力矢量转轴的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制装置用于旋翼无人机，旋翼无人机包括无人机机架1和位于无人机机架1中心位置的机架中心平台2，无人机机架1上设有偶数个机臂3，图1中的实施例为四轴“X”型配置的多旋翼无人机，无人机机架1上设有四个机臂3，每个机臂3均连接有电机4，各电机4均连接有电机螺旋桨6。无人机机架1上还连接有起落支架29。

选用四个T-motor u11电机，配置28寸碳纤维螺旋桨，如起飞重量为47kg，50%油门时产生拉力约为22kg。

本发明的旋翼无人机还包括汽油动力矢量转轴5，汽油动力矢量转轴5左右两端与无人机机架1转动连接，汽油动力矢量转轴5的两端与无人机机架1之间设有端部轴承7，汽油动力矢量转轴5的中间部分称为中间轴段12，中间轴段12穿过机架中心平台2并与机架中心平台2转动连接。具体来说，机架中心平台2包括上中心板22和下中心板23，中间轴段12位于上中心板22和下中心板23之间，中间轴段12上套设有两组中部轴承8，两组中部轴承8设在上中心板22和下中心板23之间。

下中心板的下侧连接有电池27，上中心板22和下中心板23之间设有油箱28。

如图9所示，汽油动力矢量转轴5包括水平的左端轴段10、中间轴段12、右端轴段14，左端轴段10、中间轴段12、右端轴段14处于同一水平高度，左端轴段10和右端轴段14关于中间轴段12（无人机机架1中心）对称；汽油动力矢量转轴5在左端轴段10和中间轴段12之间、中间轴段12和右端轴段14之间均向下弯曲凹陷，称为凹陷部，凹陷部所在的由凹陷形成空间构成凹陷空间15；两个凹陷部位于同一平面上；凹陷部包括第一倾斜段24、水平段25和第二倾斜段26，水平段25水平设置，且与左端轴段10、中间轴段12、右端轴段14平行，第一倾斜段24、第二倾斜段26关于水平段25对称设置且均向外倾斜设置，水平段25的两端分别与第一倾斜段24和第二倾斜段26的下端一体连接。油动发动机16通过发动机底座垂直安装在汽油动力矢量转轴5的凹陷部的水平段25处，发动机底座与油动发动机16之间设有橡胶减震装置，本实施例采用橡胶层减震。

汽油动力矢量转轴5在左端轴段10和中间轴段12之间的部分称为左凹陷部13，汽油动力矢量转轴5在中间轴段12和右端轴段14之间的部分称为右凹陷部13，左凹陷部11、右凹陷部13关于中间轴段12对称，左端轴段10、左凹陷部11、中间轴段12、右凹陷部13及右端轴段14从左到右一体连接。

左凹陷部11、右凹陷部13的形状均为倒梯形（也可以采用“U”字形），左凹陷部11、右凹陷部13上均固定连接有油动发动机16，油动发动机16上连接有油动发动机旋翼17，左右两个油动发动机16关于中间轴段12对称设置。两个汽油活塞式发动机16上分别安装有正向螺旋桨和反向螺旋桨，即两个油动发动机16的螺旋桨旋转方向相反。

两个油动发动机16均连接有风门舵机。风门舵机通过控制油动发动机16的风门控制油动发动机16的功率。

左凹陷部11的中心线、右凹陷部13的中心线位于同一平面上，使两个凹陷部在转动时始终位于同一个平面上。油动发动机16的中心线也位于该平面上。两个油动发动机16分别垂直安装在左凹陷部11、右凹陷部13上。

机架中心平台2上连接有汽油动力矢量转轴控制机构。

如图3所示，汽油动力矢量转轴控制机构包括第一舵机18。第一舵机18包括摇臂19，摇臂19依次转动连接有第一连杆20和汽油动力矢量转轴摇臂21，第一连杆20为可调节长度连杆，第一连杆20的右端与摇臂19的外端连接，第一连杆20的左端与连接件的下端转动连接，连接件与汽油动力矢量转轴5固定连接。本实施例中，汽油动力矢量转轴摇臂21的中部为圆形孔，汽油动力矢量转轴摇臂21的中部的圆形孔内径与汽油动力矢量转轴5外径相等，汽油动力矢量转轴摇臂21的中部套在汽油动力矢量转轴5上，汽油动力矢量转轴摇臂21的上端用螺栓连接，汽油动力矢量转轴摇臂的下端与第一连杆20铰接。第一舵机18控制汽油动力矢量转轴5发生前后方向的旋转，当汽油动力矢量转轴5旋转时油动发动机16产生水平方向的拉力。

汽油动力矢量转轴5、汽油动力矢量转轴控制机构以及两个油动发动机16（包括连接在油动发动机16上的螺旋桨）的三部分的整体共同的重心与整个旋翼无人机的质量重心重合。汽油动力矢量转轴5、汽油动力矢量转轴控制机构以及带螺旋桨的两个油动发动机16共同重心，应与旋翼无人机的重心重合，保证安装这三部分以后的旋翼无人机的重心仍旧与未安装这三部分之前的旋翼无人机重心重合。

整个旋翼无人机的质量重心位于汽油动力矢量转轴5的中间轴段12的中心点处。油动发动机的拉力矢量变化不会对无人机产生不良的旋转力矩，从而提高无人机的稳定性。

如图8所示，无人机机架1所在平面为水平的水平基准面30，穿过无人机机架1中心且与所述水平基准面30垂直的面称为垂直基准面9，两个电机（电机A、D或者是电机B、C）的主轴中心线与垂直基准面9之间设有夹角，夹角α角度为4~8度，最佳的夹角角度为α=5度。如图1所示，四个电机4（A、B、C、D）关于汽油动力矢量转轴5对称分布。电机A、D对角设置，电机B、C对角设置。为克服两个发动机各自反扭矩抵消后所剩下的反扭矩，电机安装时应在轴向上倾转5度，电机A、D顺时针倾斜5度，电机B、C逆时针倾斜5度。

如图5所示，无人机采用六轴；无人机机架1上设有六个机臂3。六个电机4关于汽油动力矢量转轴5对称设置。

如图6、7所示，无人机采用四轴但有8个电机；当无人机机架1上每个机臂3的上下位置各连接有一个电机4。四对电机4关于汽油动力矢量转轴5对称。

两个油动发动机16型号、技术参数完全一致，通过发动机底座垂直、对称地安装在中心板两侧的汽油动力矢量转轴凹陷部分的底部，发动机、汽油动力矢量转轴和汽油动力矢量转轴控制机构三部分的重心与整个旋翼无人机的重心重合，可通过调整发动机安装高度保证此部分的重心与整个无人机重心重合；为减小发动机工作时的震动对无人机的影响，在发动机安装座上装有橡胶减震装置，采用通过数字舵机控制发动机风门的方法控制发动机功率，两个风门舵机分别固定在各自发动机安装座上，通过连杆与风门相连，用同一个PWM信号控制两个舵机，使两个发动机风门大小一样，要求两个舵机零位完全一致。

需要说明的是：

1、连接件可以为第二连杆，第二连杆的上端与汽油动力矢量转轴固定连接。也可以实现控制汽油动力矢量转轴5转动的目的。

2、左凹陷部11、右凹陷部13的形状也可以采用“U”字形。

3、汽油活塞式发动机也可以用电机或涡喷发动机近似替代。

以上近似变化是本发明的有益替换，均落在本发明的保护范围之内。

油电混合旋翼无人机多动力源解耦与矢量控制方法：

油动发动机简称为发动机，将无人机上的所有电机共同称为电动部分；

本方法的基本思想是：油动和电动两部分动力源在纵向上均为提供一定比例的拉力，在水平飞行过程中，电动部分只负责保持无人机姿态的水平，但通过对油动发动机的矢量控制，使其发生机头方向的倾转，同时也对其控制进行控制，使其在倾转后既能保持纵向拉力不变，又能为快速前飞提供所需水平拉力，从而既可提高续航时间又可实现快速稳定飞行。

快速前飞包括加速和减速两个过程。

当发生以下情况时，各控制方法如下：

1）当无人机处于状态悬停，在无人机的纵向方向上发动机拉力垂直向上时，两个油动发动机产生的拉力为G1、所有电机产生的拉力为G2、无人机的总重为G，三者之间应满足如下关系：G1+G2=G，G1/G2≤1.5；

2）在无人机进行爬高或降高时，增大无人机的电机的电动油门，使无人机获得向上或向下的加速度，从而完成爬高或降高过程；

3）在无人机进行水平定高飞行过程中，油动发动机和电机两部分在纵向上所提供的纵向拉力基本保持不变，电动部分在飞行时只负责调整无人机的俯仰角、倾斜角、高度、航向参数，电动部分保证旋翼无人机基本处于水平状态；

4）在无人机快速前飞时，无人机所需水平拉力通过油动发动机向前倾转使发动机拉力产生水平分量的方式提供；在发动机向前倾转的同时，通过两个风门舵机同时增大发动机功率，以维持纵向拉力不变；

5）在无人机向前飞行过程中需要进行加速飞行时，使发动机不断前倾、发动机功率也不断增大，无人机的水平拉力也随之不断增大，从而实现加速飞行；

6）在无人机向前飞行过程中需要进行减速飞行时，通过汽油动力矢量转轴控制机构的第一舵机带动汽油动力矢量转轴旋转，使发动机前倾角度不断减小，并通过风门舵机控制发动机功率也不断减小，使发动机纵向拉力基本保持不变，水平拉力不断减小，从而实现减速飞行；最终风门舵机的风门减小到悬停状态的风门状态，此时，发动机前倾角度也减小到0度，变为垂直向上，进入悬停状态。

具体来讲，就是电动部分只提供维持无人机姿态和航迹位置所需的部分升力，无人机快速前飞时负责调整无人机的姿态（H、γ、θ）和克服电机反扭矩的变化来稳定航向（ψ），使无人机基本处于水平状态。发动机在无人机悬停时垂直向上，无人机前飞时发动机向前倾斜，提供水平拉力，由于发动机前倾发动机产生的纵向拉力减小，因此在无人机加速前飞时，发动机风门不断加大，拉力变大，使发动机产生的纵向拉力基本保持不变，同时发动机拉力变大，产生的水平拉力不断变大，可以实现无人机加速飞行。减速时，发动机前倾角度减小，为维持发动机产生的纵向拉力不变，发动机功率减小，产生的拉力不断减小，最终减小到悬停状态的风门，此时，发动机前倾角度也减小到0度，垂直向上。

飞行过程中，在汽油动力矢量转轴带动发动机向前倾转的过程中，发动机功率也需要随之变化，但由于是通过风门舵机的风门控制发动机的功率，而发动机功率线性度不太好，而且具有明显的滞后效应。也就是说在发动机倾转、功率变化的过程中，无人机在纵向上的拉力分量会有一定变化，但由于电动部分响应速度快，具有较大的拉力富裕，因此可对油动部分纵向拉力分量的变化进行自动补偿，从而保持油电混合无人机纵向高度的稳定。

本发明的有益效果是实现了旋翼无人机快速度、稳定飞行，有效解决了传统纯电动无人机和油电混合动力旋翼无人机快速飞行时较大的前倾角度引起部分电机停转，失去调节能力，在遇到阵风以及减速时无人机会出现较大的晃动甚至摔机的问题，大大提高旋翼无人机的飞行速度、抗风能力。