用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机及飞行控制方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机及飞行控制方法。

背景技术：

目前，我国通信基站已经覆盖至全国各个区域，传统的人工巡检方式已经满足不了现代通信系统的广泛需求，而无人机巡检的诞生使巡检效率提升十分显著，特别是无人机巡检尤其适合应用在山区、荒岭、湖泊等偏远地区的通信基站上，自然灾害导致道路受阻、人员无法巡检时，这些地区地形复杂，人工巡检方式在行进道路上费时多，效率低，无人机可以发挥替代作用，且视角更广，能避免“盲点”。

目前，用于巡检通信基站的无人机主要是旋翼式无人直升机，旋翼式无人直升机具有起降限制少，能悬停拍照，操作灵活的优点。目前用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机有两种动力方式：

一种是采用航空燃油发动机作为动力，其燃油消耗量非常大，燃油利用效率较低，因此无人机需要携带大量航空燃油，不仅航空燃油价格高昂、成本高，而且造成无人机的重量较重，此外，还需要设置由燃油发动机带动的发电机，以向机体控制系统供电，设置发电机后，增加了燃油发动机的负荷，降低了能量转换效率；并且，航空燃油发动机在工作时会产生大量废气，造成空气污染，不利于保护环境。

另一种是采用电动机作为动力，采用可充电动力电池组作为电源，其可充电动力电池组非常笨重，且续航时间很短，很难适用于对通信基站的巡检。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机，该无人直升机能量利用率及转换率高、重量较轻、航程远、续航时间长、运行成本低、机体本身运行不污染环境。为此，本发明还要提供一种该用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机的飞行控制方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机，其特征在于：包括无人机飞行控制器、航拍摄像设备、无线信号接收与发送器、甲醇水重制氢及发电模组、空气输送道、甲醇水储存容器、输送泵、电力控制器、储能蓄电池、直升机马达、主传动系统、螺旋桨、副传动系统、尾桨，其中：

所述无人机飞行控制器分别电性连接航拍摄像设备、无线信号接收与发送器、甲醇水重制氢及发电模组、输送泵、电力控制器、储能蓄电池、直升机马达、主传动系统、副传动系统；所述航拍摄像设备用于对通信基站进行巡检，以获取通信基站的实时图像数据，同时将该实时图像数据通过无线信号接收与发送器发送至地面控制站；

所述甲醇水重整制氢及发电模组整合有重整器与燃料电池，所述重整器内设有重整室及氢气纯化装置，重整室内的温度为300-570℃温度，重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应制得含氢气体，重整室与氢气纯化装置通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室内，能通过重整室内的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与氢气纯化装置之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与氢气纯化装置的温度相同或接近，从氢气纯化装置的产气端得到氢气，供应给燃料电池；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；

所述空气输送道用于输入外界空气，输入的外界空气经燃料电池排出，在燃料电池中，空气为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气，并为燃料电池散热降温；

所述甲醇水储存容器内储存有液态的甲醇和水原料，所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢及发电模组的重整器；

所述电力控制器用于将燃料电池输出的电能转换为直升机马达/储能蓄电池/无人机飞行控制器所需求的适当电压、电流的交流电/直流电；所述储能蓄电池用于无人直升机启动时供电，并在直升机马达即时功率迅速增大时，为直升机马达供电；

所述直升机马达通过主传动系统驱动螺旋桨旋转，通过副传动系统驱动尾桨旋转。

所述甲醇水重整制氢及发电模组至少设置有两组，所述输送泵至少设置有两个，且甲醇水重整制氢及发电模组与输送泵的数量相匹配。

所述输送泵与甲醇水重整制氢及发电模组的重整器之间设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整器输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高、汽化，高温氢气温度降低，输向甲醇水重整制氢及发电模组的燃料电池。

所述重整器设有电加热器，该电加热器由燃料电池供电，该电加热器为重整室提供300-570℃温度。

所述储能蓄电池包括具有若干单体电池的电池组、电池组信息采集模块、均衡控制模块、电池组保护模块；所述电池组信息采集模块的输入端与电池组中的各单体电池电性连接，所述电池组信息采集模块的输出端与所述无人机飞行控制器电性连接；所述无人机飞行控制器还电性连接均衡控制模块、电池组保护模块，所述均衡控制模块、电池组保护模块还分别与所述电池组中的各单体电池电性连接；所述均衡控制模块采用被动电阻能耗均衡控制模式，以锂电池组内的单体电池端电压为均衡依据，所述均衡控制模块根据电池组信息采集模块实时采集到的数据对某节或者某几节单体电池做均衡处理。

所述旋翼式无人直升机还包括全球定位模块、航向传感模块、高度传感模块、空速传感模块、飞行姿态传感模块；所述无人机飞行控制器分别电性连接全球定位模块、航向传感模块、高度传感模块、空速传感模块、飞行姿态传感模块。所述全球定位模块为GPS卫星定位模块或北斗卫星定位模块；所述空速传感模块为空速管；所述航向传感模块为三轴磁航向传感器；所述高度传感模块为半导体硅压阻式气压高度传感器；所述飞行姿态传感模块包括检测无人直升机俯仰/倾侧姿态角的垂直陀螺仪和检测无人直升机俯仰/倾侧姿态角速率的角速率陀螺仪。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机的飞行控制方法，包括以下工作步骤：

a.启动旋翼式无人直升机，在启动过程中，由储能蓄电池为无人机飞行控制器、甲醇水重整制氢发电模组及输送泵供电；在甲醇水重整制氢发电模组启动之后，由甲醇水重整制氢发电模组为无人机飞行控制器、输送泵及直升机马达供电，并为储能蓄电池充电；

b.旋翼式无人直升机飞向目标空域，在飞行过程中，电力控制器将甲醇水重整制氢发电模组输出的电能转换为直升机马达/储能蓄电池/无人机飞行控制器所需求的适当电压、电流的交流电/直流电，当直升机马达即时功率迅速增大时，储能蓄电池与甲醇水重整制氢发电模组一起为直升机马达供电；

c.巡检通信基站，航拍摄像设备对通信基站进行巡检，获取通信基站的实时图像数据，同时将该实时图像数据通过无线信号接收与发送器发送至地面控制站，完成巡检作业。

所述甲醇水重整制氢及发电模组至少设置有两组，直升机马达在工作过程中，将即时功率需求量反馈给无人机飞行控制器；无人机飞行控制器根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。

所述旋翼式无人直升机的飞行控制方法，还包括飞行控制方法步骤：

a.旋翼式无人直升机在飞行过程中，地面控制站通过无线信号接收与发射器向无人机飞行控制器发送控制指令；相应地，无人机飞行控制器通过无线信号接收与发射器向地面控制站发送通信基站图像数据信息；

b.旋翼式无人直升机在飞行过程中，无人机飞行控制器分别采集全球定位模块的经纬度信息、航向传感模块的航向信息、高度传感模块的无人机高度信息、空速传感模块的无人机飞行速度信息、飞行姿态传感模块的无人机飞行姿态信息；

c.无人机飞行控制器采集到经纬度信息、航向信息、无人机高度信息、无人机飞行速度信息、无人机飞行姿态信息之后，通过控制直升机马达、主传动系统及副传动系统来实现转弯、升降、悬停及航速的调整，并将即时控制信息反馈给地面控制站。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用甲醇水重整制氢及发电模组为发动机及机身控制系统供电，拼弃了传统航空燃油发动机作为动力的方式，也拼弃了采用电动机和可充电动力电池组相配合的动力方式，甲醇水原料价格低廉，能量密度大，并且甲醇水重整制氢及发电模组对甲醇水原料的利用效率能达到99%以上，甲醇水重整制氢及发电模组自身重量也非常轻，因此，旋翼式无人直升机无需捷带大量航空燃油，也无需安装笨重的可充电动力电池组，只需捷带较轻量的甲醇水原料即可，从而显著地减轻了旋翼式无人直升机的重量；

（2）本发明的甲醇水重整制氢及发电模组，在为直升机马达供电的同时，能直接为飞机控制系统各个模块供电，因而无需另外安装发电机，降低了直升机马达的负荷；

（3）本发明采用甲醇水原料进行重整制氢，并通过燃料电池发电，无污染气体产生，机体本身运行不污染环境；

（4）本发明的优选方式采用至少两组甲醇水重整制氢及发电模组，当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转，因此，能极大减少空载，其整体耗能较小，甲醇和水原料消耗较低、利用率高，稳定性可靠性好，智能化高；

（5）本发明的优选方式中，储能蓄电池的均衡控制模块能根据电池组信息采集模块实时采集到的数据对某节或者某几节单体电池做均衡处理，提高了锂电池组内单体电池的一致性、使用容量和使用寿命，并且提高了旋翼式无人直升机的飞行安全性。

附图说明

图1为本发明的整体结构方框图。

图2为本发明的甲醇水重整制氢及发电模组结构方框图。

图3为本发明一优选实施例的整体结构方框图。

图4为本发明的甲醇水重整制氢及发电模组与换热器相配合的结构方框图。

图5为本发明的控制系统结构方框图。

图6为本发明的储能蓄电池与无人机飞行控制器相配合的结构方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例一

如图1～图6所示，本发明为一种用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机，包括无人机飞行控制器1、航拍摄像设备2、无线信号接收与发送器3、甲醇水重制氢及发电模组4、空气输送道5、甲醇水储存容器6、输送泵7、电力控制器8、储能蓄电池9、直升机马达10、主传动系统11、螺旋桨12、副传动系统13、尾桨14，其中：

所述无人机飞行控制器1分别电性连接航拍摄像设备2、无线信号接收与发送器3、甲醇水重制氢及发电模组4、输送泵5、电力控制器8、储能蓄电池9、直升机马达10、主传动系统11、副传动系统13；所述航拍摄像设备2用于对通信基站进行巡检，以获取通信基站的实时图像数据，同时将该实时图像数据通过无线信号接收与发送器3发送至地面控制站；

所述甲醇水重整制氢及发电模组4整合有重整器41与燃料电池42，所述重整器41内设有重整室及氢气纯化装置，重整室内的温度为300-570℃温度，所述重整室内设有催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为：(1)CH₃OH→CO+2H₂、(2)H₂O+CO→CO₂+H₂ 、(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；重整室与氢气纯化装置通过连接管路连接，连接管路的全部或部分设置于重整室内，能通过重整室内的高温继续加热从重整室输出的气体；所述连接管路作为重整室与氢气纯化装置之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与氢气纯化装置的温度相同或接近，从氢气纯化装置的产气端得到氢气，供应给燃料电池42；所述燃料电池42用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能；在燃料电池42的阳极：2H₂→4H⁺+4e^-，H₂分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板，在燃料电池42的阴极：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O，质子、电子和O₂重新结合以形成H₂O；

所述空气输送道5用于输入外界空气，输入的外界空气经燃料电池42排出，在燃料电池42中，空气为燃料电池42提供电化学反应所需要的氧气，并为燃料电池42散热降温；

所述甲醇水储存容器6内储存有液态的甲醇和水原料，所述输送泵7用于将甲醇水储存容器6中的甲醇和水原料输送至甲醇水重整制氢及发电模组4的重整器41；

所述电力控制器8用于将燃料电池41输出的电能转换为直升机马达10/储能蓄电池9/无人机飞行控制器1所需求的适当电压、电流的交流电/直流电；所述储能蓄电池9用于无人直升机启动时供电，并在直升机马达10即时功率迅速增大时，为直升机马达10供电；

所述直升机马达10通过主传动系统11驱动螺旋桨12旋转，通过副传动系统13驱动尾桨14旋转。

如图3所示，所述甲醇水重整制氢及发电模组4至少设置有两组，所述输送泵7至少设置有两个，且甲醇水重整制氢及发电模组4与输送泵7的数量相匹配。当设置多组甲醇水重整制氢及发电模组时，优选为采用功率小于500W的微型甲醇水重整制氢及发电模组。当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。

如图4所示，所述输送泵7与甲醇水重整制氢及发电模组4的重整器41之间设有换热器43，低温的甲醇和水原料在换热器43中，与重整器41输出的高温氢气进行换热，甲醇和水温度升高、汽化，高温氢气温度降低，输向甲醇水重整制氢及发电模组4的燃料电池42。

作为重整器41的优选方式，重整器内设有燃烧腔，该燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器41的运行提供热量；如图4所示，作为重整器41的更优选方式，所述重整器41设有电加热器，该电加热器由燃料电池42供电，该电加热器为重整室提供300-570℃温度。

如图6所示，所述储能蓄电池9包括具有若干单体电池的电池组91、电池组信息采集模块92、均衡控制模块93、电池组保护模块94；所述电池组信息采集模块92的输入端与电池组91中的各单体电池电性连接，所述电池组信息采集模块92的输出端与所述无人机飞行控制器1电性连接；所述无人机飞行控制器1还电性连接均衡控制模块93、电池组保护模块94，所述均衡控制模块93、电池组保护模块94还分别与所述电池组91中的各单体电池电性连接；所述均衡控制模块93采用被动电阻能耗均衡控制模式，以电池组91内的单体电池端电压为均衡依据，所述均衡控制模块93根据电池组信息采集模块92实时采集到的数据对某节或者某几节单体电池做均衡处理。所述电池组信息采集模块包括电压采集模块、温度采集模块、电流采集模块，实时读取电池组各单体电池的电压、温度、电池组充放电电流信息。所述电池保护模块包括电池过充电电路、过放电电路、过流电路、短路电路及温度过高或者温度过低时对电池组进行保护的电路。

如图5所示，该用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机还包括全球定位模块15、航向传感模块16、高度传感模块17、空速传感模块18、飞行姿态传感模块19；所述无人机飞行控制器1分别电性连接全球定位模块15、航向传感模块16、高度传感模块17、空速传感模块18、飞行姿态传感模块19。优选地，所述全球定位模块15为GPS卫星定位模块或北斗卫星定位模块；所述空速传感模块16为空速管；所述航向传感模块17为三轴磁航向传感器；所述高度传感模块18为半导体硅压阻式气压高度传感器；所述飞行姿态传感模块19包括检测无人直升机俯仰/倾侧姿态角的垂直陀螺仪和检测无人直升机俯仰/倾侧姿态角速率的角速率陀螺仪。

实施例二

在上述技术方案中，所述用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机的飞行控制方法，包括以下工作步骤：

a.启动旋翼式无人直升机，在启动过程中，由储能蓄电池为无人机飞行控制器、甲醇水重整制氢发电模组及输送泵供电；在甲醇水重整制氢发电模组启动之后，由甲醇水重整制氢发电模组为无人机飞行控制器、输送泵及直升机马达供电，并为储能蓄电池充电；

b.旋翼式无人直升机飞向目标空域，在飞行过程中，电力控制器将甲醇水重整制氢发电模组输出的电能转换为直升机马达/储能蓄电池/无人机飞行控制器所需求的适当电压、电流的交流电/直流电，当直升机马达即时功率迅速增大时，储能蓄电池与甲醇水重整制氢发电模组一起为直升机马达供电；

c.巡检通信基站，航拍摄像设备对通信基站进行巡检，获取通信基站的实时图像数据，同时将该实时图像数据通过无线信号接收与发送器发送至地面控制站，完成巡检作业。

优选地，所述甲醇水重整制氢及发电模组至少设置有两组，直升机马达在工作过程中，将即时功率需求量反馈给无人机飞行控制器；无人机飞行控制器根据即时功率需求量信息控制适当数量的甲醇水重整制氢发电模组运转，并控制甲醇水储存输送装置向运转的甲醇水重整制氢发电模组输送甲醇水原料；当即时功率需求量较小时，控制较少的甲醇水重整制氢发电模组运转，当即时功率需求量较大时，控制较多的甲醇水重整制氢发电模组运转。

优选地，所述用于巡检通信基站的旋翼式无人直升机的飞行控制方法，其特征在于：

a.旋翼式无人直升机在飞行过程中，地面控制站通过无线信号接收与发射器向无人机飞行控制器发送控制指令；相应地，无人机飞行控制器通过无线信号接收与发射器向地面控制站发送通信基站图像数据信息；

b.旋翼式无人直升机在飞行过程中，无人机飞行控制器分别采集全球定位模块的经纬度信息、航向传感模块的航向信息、高度传感模块的无人机高度信息、空速传感模块的无人机飞行速度信息、飞行姿态传感模块的无人机飞行姿态信息；

c.无人机飞行控制器采集到经纬度信息、航向信息、无人机高度信息、无人机飞行速度信息、无人机飞行姿态信息之后，通过控制直升机马达、主传动系统及副传动系统来实现转弯、升降、悬停及航速的调整，并将即时控制信息反馈给地面控制站。

以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。