一种自发电油电混合动力多旋翼飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种自发电油电混合动力多旋翼飞行器，属于无人机技术领域。
【背景技术】
[0002]多旋翼无人飞行器是一种能够垂直起降、以多个旋翼作为动力装置的，不载操作人员的飞行器。其用途极为广泛。主要应用有如下几个方面。如警务应用、火场指挥、抢险救灾、交通管理;新闻媒体、航空摄影;野生动物摄影、环境评估、空中考古；房地产管理、管线巡检;遥控飞行、空中摄影;小物件无人飞行器派送。多轴飞行器基于导航定位系统包括地理信息系统和全球定位系统，可通过地理信息系统和全球定位系统，按预先设定的线路进行飞行，并在到达目的地后完成规定动作，这样就可用于小物件的物流配送。
[0003]多轴飞行器所有的应用都基于飞行器够长航时、大载荷飞行，否则所有的应用很窄的范围。目前四旋翼飞行器均采用电池驱动，由于单位质量电池所能存储的能量远小于汽油等化石燃料，所以目前四旋翼飞行器的飞行时间都十分有限，正常负载情况下巡航时间仅为20分钟以内，而燃油动力的单旋翼直升机，巡航时间可长达数个小时。但燃油动力的单旋翼直升飞机飞行姿态的控制、操控的稳定性、精准性等，目前还是一个难题。因为通过电信号精确控制燃油发动机的转速是一件极其困难的事儿，这使得燃油单旋翼直升飞机无法完成电动多旋翼飞行器，所能完成的任务。两种类型的飞行器，各有优缺点，燃油飞行器具有长航时、大载荷的特性;电动多旋翼飞行器能够被精确操控，可以预先编程，在GPS的导航下沿规定路线完成各种动作，这是燃油飞行器无法实现的，但在需要长巡航时间的应用领域尚不能代替燃油动力的单旋翼。因此，把两者的优点结合起来，才能真正实现飞行器能够被精确操控，同时又具有大载荷长航时的特性。只有这样，才能够实现多旋翼飞行器飞的实际应用。在实用新型(201510842531.X)—种油电混合动力多旋翼飞行器中，燃油发动机和电机的能源体系是两个独立的系统，有可能存在潜在的风险，例如电池电能消耗完毕，而此时燃油没有耗尽，就会存在多旋翼无人飞行器无法控制的情况出现;另一种情况是燃油耗尽，而电池没有耗尽，那么由于失去主动力，而使得多旋翼无人飞行器有可能在空中坠落。因此，如何解决多旋翼无人飞行器动力源供给不协调的问题是极其重要的。此外，还须考虑户外完全没有充电条件的情况下如何实现飞行器的飞行。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型为了克服现有多旋翼飞行器普遍存在的问题，即航程短、载荷小，飞行时间有限的缺陷，可避免多旋翼无人飞行器的动力源供给不协调的问题，利用自发电油电混合动力克服电动多旋翼飞行器固有的缺点，燃油发动机直接驱动主旋翼提供升力并同时驱动自带发电机发电，为副旋翼电机供电，配合电机驱动的副旋翼，实现飞行器能够被精确操控，同时又具有大载荷长航时的特性，无需外接电源充电。
[0005]自发电油电混合动力多旋翼飞行器主要由上主旋翼(I)、下主旋翼(2)、多旋翼飞行器电控板(4)、电机驱动副旋翼(5)、电机(6)、燃油发动机(7)、转速对偶齿轮箱(8)、化油器(9)、电池(11)、燃油进气风门(12)、输油管(13)、油箱(15)、机臂(16)、上主旋翼轴(18)、下主旋翼套管轴(19)、上伞齿轮(20)、下伞齿轮(21)、转速传感器(22)、风门控制步进电机
(24)、发电机(25)、减震缓冲垫(27)构成，自发电油电混合动力多旋翼飞行器由主旋翼和副旋翼共同提供飞行动力，主旋翼由燃油发动机(7)驱动，副旋翼(5)由电机(6)驱动，主旋翼和副旋翼(5)联合提供升空动力，主旋翼由上主旋翼(I)和下主旋翼(2)构成(参见图1所示)，上主旋翼轴(18)从顶端穿过下主旋翼套管轴(19)后与下伞齿轮(21)焊接后再与发动机动力输出轴连接固定，下主旋翼(2)固定在下主旋翼套管轴(19)上端，该套管轴与上主旋翼轴(18)能够沿同一轴心线相互独立转动，下主旋翼套管轴(19)与上伞齿轮(20)向上的大端面焊接，上伞齿轮(20)和下伞齿轮(21)之间设有左右伞齿轮，共计四个齿轮，装入转速对偶齿轮箱(8)中，左右伞齿轮转轴与齿轮箱侧壁固定，下伞齿轮(21)下方设置有监测上主旋翼轴(18)转速的转速传感器(22)，齿轮箱体固定在燃油发动机机体上，上主旋翼轴(18)穿过下伞齿轮(21)再串接(参见图2所示)电机驱动伞齿轮(28)，穿过该伞齿轮后与燃油发动机(7)动力输出轴固接，电机驱动伞齿轮(28)与电机动力输入伞齿轮(29)啮合，电机动力输入伞齿轮(29)转轴就是发电机(25)转子的轴，于是将燃油发动机部分动力输出给发电机
(25)，发出的电力通过电力输出线(26)输出，主旋翼转轴穿过多旋翼飞行器的几何中心，燃油发动机(7)固定安装在机臂(16)上，燃油发动机(7)和机臂(16)之间设有减震缓冲垫
(27)，油箱(15)的重心位于多旋翼飞行器的几何中心，起落架(17)以多旋翼飞行器的几何中心为轴，轴对称安装。
[0006 ]油箱15的输油管13连接化油器9，化油器连接燃油进气风门12，该进气风门的挡风板转轴连接风门控制步进电机24，用于控制挡风板开闭角度，发电机25安装在发电机减震托架14上，该减震托架设有减震缓冲垫27，将发电机25固定安装在机臂16上。
[0007]该多旋翼飞行器多旋翼飞行器天线3和多旋翼飞行器电控板4安装在机臂16上，电池11安装在机架下方，调整电池固定架使得天线、电控板与电池构成一体的重心在旋翼飞行器的几何中心，机臂16的端头安装电机座10，电机座固定电机6，电机动力输出轴安装电机驱动副旋翼5，主旋翼和副旋翼在交叉机臂所构成的平面上的投影间隔大于2cm，使得两者的气流不发生相互扰动。
[0008]电源管理系统包括稳压整流模块，限流模块、充电模块、继电器系统、负载电路、电池组、欠电压保护模块、控制模块、燃油存量显示模块;燃油发动机7通过伞齿轮传动带动发电机25发出交流电，通过稳压整流模块调节发电机的励磁电流，使得发电机输出相对稳定的直流电，通过限流电路限制输出电流，避免发电机载荷过大，电流进入充电模块，通过继电器系统对电流进行分配，继电器系统由控制器控制，对负载和蓄电池充放电进行智能控制，智能调节充电和供电电流，电池组设有欠压保护电路，控制器还负责把燃油存量和负载和蓄电池充放电数据通过无线射频模块传输给地面监控平台(参见图4)。
[0009]自发电油电混合动力多旋翼飞行器运行程序为先对系统进行初始化，然后对信道进行测试，正常后，启动燃油发动机，然后对发动机的转速进行彻底，如果发动机的转速不正常，就要对发动机的转速进行调节，使之达到一个规定之范围，正常之后对整个飞行器的电池电压、燃油量和发动机的电压参数进行测试，达到规定值范围之后，然后对起飞的姿态进行检测，根据姿态解算不同电机和燃油发电机的理论转速值，调节电机和燃油发电机的转速使之起飞，并进行遥控操作(参见图5，图6 )。
[0010]工作原理:油电混合动力飞行器分由主旋翼和副旋翼共同提供飞行动力，主旋翼提供主要升空动力，一般承担50%以上的升力，副旋翼提供小部分升空动力，所提供的升力小于50%，两者之间存在这样的关系:主旋翼提供的升力占比越尚，滞空时间越长，载荷能力也越大，其缺点是操控能力减弱；副旋翼提供的升力占比越高，这滞空时间就越短，载荷能力也越差，但是操控性能会更好。因此两者之间相互有一个配合，根据实际情况的需要来调整两者之间生力的比例关系。例如不需要飞机灵活飞行，强调长航时大载荷飞行时，那么就必须提高主旋翼生力的占比，如果强调飞行器的表演性能，就必须减少主旋翼升力的占比，以便实现灵活操纵。
[0011]主旋翼由上主旋翼I和下主旋翼2构成(参见图1所示)，上主旋翼转轴18从顶端穿过下主旋翼2下主旋翼套管轴19后与下伞齿轮21焊接后在与发动机动力输出轴连接固定，下主旋翼套管轴19与上伞齿轮20向上的大端面焊接，上伞齿轮20和下伞齿轮21之间设有左右伞齿轮，共计四个齿轮，装入转速对偶齿轮箱8中，左右伞齿轮转轴与齿轮箱侧壁固定。这样的结构使得上主旋翼和下主旋翼的转速完全相同，转速方向相反，实现正反扭矩平衡，这样的配置使得多旋翼飞行器不会在空中发生转动。
[0012]下主旋翼2的旋转主轴为下主旋翼套管轴19，该套管轴内设空腔，只有上中下3个端面与内部上主旋翼轴18有接触，形成约束，使得下主旋翼套管轴19与上主旋翼转轴18能够沿同一轴心线相互独立转动，套筒构其目的是尽可能减少高速运动所带来的机械摩擦损耗。在使用的过程中，必须加入适合的润滑油以减少摩擦损耗。
[0013]下伞齿轮21下方设置有监测主旋翼转轴18转速的转速传感器21，齿轮箱体固定在燃油发动机机体上，燃油发动机7通过发动机固定托架14固定在机臂16上(参见图2所示)。尽可能选择动力输出轴位于发动机重心位置发动机，主旋翼转轴穿过多旋翼飞行器的几何中心，这样的配置使得主旋翼和副旋翼的升力具有轴对称分布，这样就便于操控;油箱15的重心位于多旋翼飞行器的几何中心，发动机在工作的过程中，油箱里的油会不断减少，这样会使得邮箱的重心仍然在多旋翼飞行器的几何中心位置，使得飞行器在飞行的过程中依然保持水平飞行。
[0014]主旋翼转轴18穿过下伞齿轮21再串接(参见图2所示)电机驱动伞齿轮28，穿过该伞齿轮后与燃油发动机7动力输出轴固接，电机驱动伞齿轮28与电机动力输入伞齿轮29嗤合，电机动力输入伞齿轮29转轴就是发电机25转子的轴，于是将燃油发动机部分动力输出给发电机25，将动能转换成电能，发出的电力通过电力输出线26输出，为整个飞行器提供电會K。
[0015]油箱15的输油管13连接化油器9，化油器连接燃油进气风门12，该进气风门的挡风板转轴连接风门控制步进电机24，用于控制挡风板开闭角度，该控制采用PID闭环控制，转速信号来自于发动机转速传感器。
[0016]燃油发动机7和机臂16之间设有减震缓冲垫27，发电机25安装在发电机减震托架14上，该减震托架设有减震缓冲垫27，将发电机25固定在安装在机臂16上，减震垫的设置能够有效减轻发电机和发动机所带来的震动，以免影响飞行器的飞行姿态。
[0017]电源管理系统包括稳压整流模块，限流模块、充电模块、继电器系统、负载电路、电池组、欠电压保护模块、控制模块、燃油存量显示模块;燃油发动机7通过伞齿轮传动带动发电机25发出交流电，通过稳压整流模块调节发电机的励磁电流，使得发电机输出相对稳定的直流电，通过限流电路限制输出电流，避免发电机载荷过大，电流进入充电模块，通过继电器系统对电流进行分配，继电器系统由控制器控制，对负载和蓄电池充放电进行智能控制，智能调节充电和供电电流，电池组设有欠压保护电路，控制器还负责把燃油存量和负载和蓄电池充放电数据通过无线射频模块传输给地面控监控平台(参见图4)。
[0018]自发电油电混合动力多旋翼飞行器运行程序为先对系统进行初始化，然后对信道进行测试，正常后，启动燃油发