一种混合动力无人机

本发明涉及无人机，尤其涉及一种混合动力无人机。

背景技术：

1、无人机具有结构精巧、隐蔽性强、使用方便和性能机动灵活等特点，目前已经广泛应用于军事和民用领域，许多国家都把无人机技术置于优先发展的地位，竞相研制和开发先进的新型无人机技术，目前无人机的发展主要受到续航时间短的制约。

2、为解决现有的无人机受到单一方式供电而造成的续航时间普遍不超过半小时，无法实现长的滞空时间，导致无人机的滞空能力将会受到极大的限制的难题，现有方案一般考虑提供多能源供应这一解决思路，有：油电混合、燃电混合等，即使采用多能源来给无人供能解决续航时长的问题，但是又出现了多能源管理紊乱、能源利用率不高，造成能源耗费过大的现象，成为无人机发展的新的问题。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种混合动力无人机，其解决了现有无人机的多能源管理紊乱、能源利用率不高以及能源耗费过大的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、第一方面，本发明实施例提供一种混合动力无人机，包括：无人机本体以及设置在所述无人机本体上的动力组件、机载电池、光伏发电组件、氢燃料电池发电组件以及能量控制器；

6、所述机载电池与所述动力组件连接；

7、所述光伏发电组件分别与所述动力组件和所述机载电池连接，且所述光伏发电组件阵列设置在所述无人机本体的机翼和/或尾翼上；

8、所述氢燃料电池发电组件分别与所述动力组件和所述机载电池连接；

9、所述能量控制器分别与所述动力组件、所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件连接，用于依据当前飞行状态和预先配置的能量管控策略在起飞阶段和巡航阶段调用所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及所述机载电池之中的一种或者多种为所述动力组件供能，同时依据当前的所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及所述机载电池的状态信息来执行下降控制策略和/或返航控制策略判断；

10、其中，所述无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业。

11、可选地，所述能量控制器包括：

12、起飞控制模块，用于执行如下起飞控制策略：在起飞阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能；

13、巡航控制模块，用于执行如下巡航控制策略：在巡航阶段依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能；

14、下降控制模块，用于执行如下下降控制策略：在下降阶段判断所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件是否满足各自的可用条件，在存在至少一个满足可用条件时，执行下降工作；

15、返航控制模块，用于执行如下返航控制策略：在所述光伏发电组件不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航，若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作。

16、可选地，

17、所述起飞控制模块包括：

18、起飞第一判断单元，用于判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

19、起飞第一供能判定单元，用于若所述机载电池满足第一可用条件，则采用所述机载电池进行供能；

20、起飞第二判断单元，用于若所述机载电池不满足第一可用条件，则判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

21、起飞第二供能判定单元，用于若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件和所述机载电池同时进行供能；

22、起飞第三判断单元，用于若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

23、起飞第三供能判定模块，用于若所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用所述氢燃料电池发电组件和所述机载电池同时进行供能；

24、所述巡航控制模块包括：

25、巡航第一判断单元，用于判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

26、巡航第一供能判定单元，用于若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件供能；

27、巡航第二判断单元，用于若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

28、巡航第二供能判定单元，用于在所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件时，则采用所述氢燃料电池发电组件供能；

29、巡航第三判断单元，用于在所述氢燃料电池发电组件不满足第三可用条件时，判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

30、巡航第三供能判定单元，用于若此时满足第一可用条件则采用所述机载电池供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略；

31、其中，

32、第一可用条件为：所述机载电池的实时荷电状态≥25％；

33、第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥am1.5；

34、第三可用条件为：所述氢燃料电池发电组件的氢气罐压强≥1.5pa。

35、可选地，

36、所述起飞阶段的无人机的需求功率为：

37、所述巡航阶段的无人机的需求功率为：

38、所述下降阶段的无人机的需求功率为：

39、相应地，

40、所述机载电池的输出功率为：pl＝clil；

41、所述光伏发电组件的输出功率为：psc＝asciη1ηscη2；

42、所述氢燃料电池发电组件的输出功率为：pfc＝ufcifc；

43、其中，m为包含机载电池质量、太阳能电池重量、燃料电池质量、有效载荷以及机身质量的无人机总质量，cd为全机阻力系数，cl为全机升力系数，f1为起飞阶段的发动机推力，v1为起飞阶段的速度，f2为续航阶段的发动机推力，v2为续航阶段的速度，f3为下降阶段的发动机推力，v3为起飞阶段的速度；ul为机载电池的输出电压，il为机载电池的输出电流；asc为光伏发电组件的太阳能电池阵列面积，i为光照强度，η1为天气因素影响因数，ηsc为太阳能电池转换效率，η2为翼型曲面引起的效率损失因数；ifc为氢燃料电池发电组件的输入电流，ufc为氢燃料电池发电组件的输出电压。

44、可选地，所述机载电池在非飞行阶段通过自身设置的充电接口进行充电，在飞行阶段接收来自所述光伏发电组件和/或所述氢燃料电池发电组件的在满足需求功率之外的额外电能并加以存储，得到所述机载电池的存储总能量为：

45、

46、式中，el为机载电池储存的总电能；pnight为无人机夜间飞行需用总功率；tnight为夜间飞行总时长；ηl为机载电池的放电效率。

47、可选地，

48、所述无人机本体的机身四周对称设置有至少两个用于连接机翼与尾翼的支臂；

49、所述动力组件包括：旋翼、电驱动器以及固定件，所述旋翼通过所述固定件与所述电驱动器固定连接，所述电驱动器接收到一种或多种能源供应时带动所述旋翼一起转动而产生拉力；

50、所述电驱动器包括：用于给无人机提供拉升力的拉升电动机，所述拉升电动机的设置在两个所述支臂上呈四个对角的位置；用于给无人机提供前进推力的推动发动机，所述推动发动机设置在无人机机身的尾端；

51、所述旋翼包括：拉升用旋翼，所述拉升用旋翼套设在所述拉升电动机的转动端；推动用旋翼，所述推动用旋翼套设在所述推动发动机的转动端。

52、第二方面，本发明实施例提供一种混合动力无人机的动力控制方法，所述混合动力无人机包括机载电池、光伏发电组件以及氢燃料电池发电组件，所述方法包括：

53、获取无人机的当前飞行状态信息；

54、当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能；

55、当处于巡航阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能；

56、在所述光伏发电组件不满足对应的可用条件，则判断执行任务巡航消耗能量是否小于燃料电池和锂电池的储备总和；若执行任务巡航消耗能量小于燃料电池和锂电池的储备总和则继续巡航；若执行任务巡航消耗能量不小于燃料电池和锂电池的储备总和则执行返航工作；

57、当处于下降阶段时，存在所述机载电池、所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件任意一种满足各自的可用条件时，执行下降工作；

58、其中，供电优先级依次为光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件以及机载电池；所述无人机本体上设置有多个拉升用旋翼，以实现垂直升降和滞空作业。

59、可选地，

60、当处于起飞阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池单独供能，或者采用所述光伏发电组件以及所述氢燃料电池发电组件之中的任意一种和所述机载电池进行组合供能包括：

61、判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

62、若所述机载电池满足第一可用条件，则采用所述机载电池进行供能；

63、若所述机载电池不满足第一可用条件，则判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

64、若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件和所述机载电池同时进行供能；

65、若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

66、若所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件，则采用所述氢燃料电池发电组件和所述机载电池同时进行供能；

67、以及，当处于巡航阶段时，依据预先设置的供电优先级和可用条件采用所述机载电池、所述光伏发电组件、所述氢燃料电池发电组件之中的一种进行供能包括：

68、判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件；

69、若所述光伏发电组件满足第二可用条件，则采用所述光伏发电组件供能；

70、若所述光伏发电组件不满足第二可用条件，则判断所述氢燃料电池发电组件是否满足第三可用条件；

71、在所述氢燃料电池发电组件满足第三可用条件时，则采用所述氢燃料电池发电组件供能；

72、在所述氢燃料电池发电组件不满足第三可用条件时，判断所述机载电池是否满足第一可用条件；

73、若此时满足第一可用条件则采用所述机载电池供能，若此时不满足第一可用条件则依赖返航控制模块执行相应的返航控制策略；

74、其中，

75、第一可用条件为：所述机载电池的实时荷电状态≥25％；

76、第二可用条件为：执行飞行任务时光照强度≥am1.5；

77、第三可用条件为：所述氢燃料电池发电组件的氢气罐压强≥1.5pa。

78、可选地，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

79、对无人机进行重量平衡分析，得到以下重量平衡模型：

80、

81、

82、其中，m为无人机总质量，ml为机载电池质量、msc为太阳能电池重量、mfc为燃料电池质量、m1为有效载荷以及m2为机身质量，l为全机升力,ρ为空气密度，v为预设的飞行速度，cl为全机升力系数。

83、可选地，在获取无人机的当前飞行状态信息之前，还包括：

84、依据无人机的起飞阶段发动机推力、阻力以及自身重力，确定所述起飞阶段的无人机的需求功率为：

85、依据无人机的巡航状态下发动机推力与阻力，确定所述巡航阶段的无人机的需求功率为：

86、依据无人机的下降状态下发动机推力、阻力以及自身重力，所述下降阶段的无人机的需求功率为：

87、以及，

88、依据机载电池的输出电压和电流，求解所述机载电池的输出功率为：pl＝ulil；

89、依据氢燃料电池发电组件的输出电压和电流，求解所述氢燃料电池发电组件的输出功率为：pfc＝ufcifc；

90、依据获取的光伏发电组件的太阳能电池阵列面积、光照强度、天气因素影响因数、太阳能电池转换效率以及翼型曲面引起的效率损失因数，求解所述光伏发电组件的输出功率为：psc＝asciη1ηscη2；

91、其中，m为包含机载电池质量、太阳能电池重量、燃料电池质量、有效载荷以及机身质量的无人机总质量，cd为全机阻力系数，cl为全机升力系数，f1为起飞阶段的发动机推力，v1为起飞阶段的速度，f2为续航阶段的发动机推力，v2为续航阶段的速度，f3为下降阶段的发动机推力，v3为起飞阶段的速度；ul为机载电池的输出电压，il为机载电池的输出电流；asc为光伏发电组件的太阳能电池阵列面积，i为光照强度，η1为天气因素影响因数，ηsc为太阳能电池转换效率，η2为翼型曲面引起的效率损失因数；ifc为氢燃料电池发电组件的输入电流，ufc为氢燃料电池发电组件的输出电压。

92、(三)有益效果

93、本发明的有益效果是：本发明通过机载电池、氢燃料电池发电组件和光伏发电组件为无人机提供能量，基于能量管控策略在不同条件下实施相应的能量供给模式，极大地解决了无人机技术的续航时间短的难题，在精细地利用每一份动力能源的基础上，充分结合各个动力能源的优势，在不同时段或飞行状态调度相应能源供应，避免了因多能源的粗放式管理而造成的能源浪费。同时，本发明采用机翼和尾翼铺设结构太阳能电池组件光伏发电组件，具有获能面积大、节省结构质量等特点。此外，本发明可通过垂直方向的多个拉升用旋翼实现垂直升降，可实现在恶劣路面进行起飞任务，且可以通过垂直方向的四个拉升用旋翼实现滞空作业。

94、由此，本发明方案通过合理的硬件设计与策略控制在兼顾无人机的动力性与经济性的要求下实现了飞行滞空能力的极致续航。