本實用新型涉及飛行器智能供電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無人機供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著控制技術(shù)、硬件技術(shù)等的發(fā)展，固定翼無人機、無人直升機和四旋翼無人機等產(chǎn)品技術(shù)漸趨成熟，許多產(chǎn)品已投入市場，但其功能單一，航時短，帶負載能力差，無法滿足大負載、長航時的需要。

自誕生以來，無人機主要應(yīng)用于軍事方面，作為智能化和信息化的武器，無人機在偵察、監(jiān)視、通信、遠距離攻擊等方面發(fā)揮了重要的作用。近年來，無人機在民用方面的應(yīng)用也越來越多，各國在無人機的民用方面逐漸開放，無人機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、通信、氣象、影視航拍等多個領(lǐng)域。毫無疑問，隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，民用無人機將迎來前所未有的發(fā)展機遇，應(yīng)用前景十分廣闊。

而現(xiàn)在實際應(yīng)用的無人機中以固定翼無人機、無人直升機和四旋翼無人機最為廣泛，但不足之處也很明顯。普通的固定翼無人機雖然速度快，但起飛需要跑道，降落時以跑道或者撞網(wǎng)回收為主，因此常常受制于場地影響，不能對突發(fā)事件快速響應(yīng)，適應(yīng)能力差。普通的旋翼無人機或無人直升機雖然可以垂直起降，但其由于受本身設(shè)計影響，無法高速飛行，航程較短，且負載很低，純電動旋翼機還受制電池的性能，無法長時間飛行。這些種種不足，大大限制了無人機的應(yīng)用范圍。因此，當(dāng)前市場上的無人機還是以“能看”為主，只是針對目標進行觀察，而隨著無人機應(yīng)用的深入，人們已經(jīng)不滿足于僅僅“能看”，還要求“能摸”、“能操作”，如飛行平臺搭載機械臂對電路巡檢中損壞部位進行簡單的修理，或者進行線路除冰工作，甚至進行搶險救援中搭救生命等。因此，當(dāng)前社會急需一種大負載、長航時的空中作業(yè)平臺來解決傳統(tǒng)無人機無法解決的問題，也即需要一種能夠持續(xù)穩(wěn)定地為無人機續(xù)航的供電系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本實用新型提出一種無人機供電系統(tǒng)，所述供電系統(tǒng)包括主電源、二次電源、輔助電源；主電源、二次電源、輔助電源依次連接；所述主電源包括：電子控制單元ECU、發(fā)動機、發(fā)電機、控制器、油門、整流單元、編碼器、濾波單元；所述ECU與發(fā)動機連接，發(fā)動機分別與發(fā)電機及油門連接，控制器與油門連接并對油門進行控制， 發(fā)電機輸出至整流單元，所述整流單元分別與發(fā)電機及濾波單元連接，濾波單元輸出至二次電源的智能充電單元；所述ECU用于檢測發(fā)動機的運行狀態(tài)從而控制發(fā)動機的點火時刻；所述油門采用舵機拉桿結(jié)構(gòu)，控制器通過控制舵機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來調(diào)整油門的大小，從而控制發(fā)動機的功率轉(zhuǎn)速輸出；所述編碼器與發(fā)電機同軸連接，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速反饋信號經(jīng)過編碼器輸入至控制器，控制器按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速來調(diào)整發(fā)動機的油門來以控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；所述二次電源包括：智能充電單元、恒壓單元；所述主電源中的濾波單元分別與智能充電單元及恒壓單元相連；所述輔助電源包括蓄電池；所述蓄電池與智能充電單元相連。

其中，所述發(fā)動機采用活塞式汽油發(fā)動機，所述發(fā)電機采用永磁無刷直流發(fā)電機。

其中，所述整流單元采用由二極管所組成的不可控型整流結(jié)構(gòu)，或采用開關(guān)管同步整流結(jié)構(gòu)。

其中，當(dāng)采用開關(guān)管同步整流結(jié)構(gòu)時，發(fā)電機的三相輸出作為整流單元的輸入，通過硬件電路檢測三相電勢的狀態(tài)來控制各開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。

其中，所述的濾波單元采用多級濾波器形式，或采用多種濾波器復(fù)合形式。

本實用新型的無人機供電系統(tǒng)能為各類無人機供電，適用于多旋翼飛行器、直升飛行器、可傾轉(zhuǎn)旋翼機等，功率可根據(jù)實際需要進行整定，方便靈活，科技性強，滿足各類大負載長航時無人機的供電需求。

本實用新型具有以下有益效果：

(1)本實用新型涉及的發(fā)電技術(shù)、不可控整流技術(shù)、恒壓技術(shù)已比較成熟，將其與濾波技術(shù)以及多階段智能充電技術(shù)有機的融合，對其進行創(chuàng)新性的集成，理論可行且能夠?qū)崿F(xiàn)，使得無人飛行器能夠進行大負載長航時飛行；

(2)本實用新型的智能充電技術(shù)不僅能夠使電池充足電，避免蓄電池的過充電，同時在設(shè)計時充分考慮到了蓄電池電量與溫度的關(guān)系，從而使蓄電池充足電并延長其使用壽命。此充電技術(shù)不僅可以對飛行器蓄電池進行充電，還可應(yīng)用于日常生活中的各類蓄電池，使蓄電池能夠發(fā)揮其最大效用。

(3)本實用新型作為一種新型的智能供電系統(tǒng)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景，不僅可以為國內(nèi)外無人飛行器提供一個設(shè)計指南，運用于各種無人飛行器，還可以用于各種小功率、大功率場合，具有廣闊的軍用和民用價值。

附圖說明

圖1為本實用新型的無人機供電系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實用新型的一種實施例的無人機供電系統(tǒng)的示意圖；

圖3為本實用新型的一種整流單元示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

本實用新型提出一種無人機供電系統(tǒng)，要求達到無人機能夠進行垂直起降，能夠攜帶10kg凈負載，系統(tǒng)能夠輸出穩(wěn)定的直流供電電壓為各用電設(shè)備供電。

如圖1所示，本實用新型提出一種無人機供電系統(tǒng)，包括主電源、二次電源、輔助電源。所述主電源、二次電源、輔助電源依次連接。

如圖2所示，本實用新型的一種無人機供電系統(tǒng)，包括主電源、二次電源、輔助電源。

所述主電源包括電子控制單元ECU、發(fā)動機、發(fā)電機、控制器、油門、整流單元、濾波單元、編碼器。所述ECU與發(fā)動機連接，發(fā)動機分別與發(fā)電機及油門連接，控制器與油門連接對油門進行控制，發(fā)電機輸出至整流單元，所述整流單元分別與發(fā)電機及濾波單元連接，濾波單元輸出至二次電源的智能充電單元。編碼器與發(fā)電機同軸連接，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速反饋信號經(jīng)過編碼器輸入至控制器，控制器按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速來調(diào)整發(fā)動機的油門來以控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。所述主電源由發(fā)動機直接傳動發(fā)電機，是機上全部用電設(shè)備的電力來源。

所述ECU用于檢測發(fā)動機的運行狀態(tài)從而控制發(fā)動機的點火時刻。

所述油門采用舵機拉桿結(jié)構(gòu)，控制器通過控制舵機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來調(diào)整油門的大小，從而控制發(fā)動機的功率轉(zhuǎn)速輸出。

所述發(fā)動機采用活塞式汽油發(fā)動機，它是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的機器，是一種以汽油作為燃料，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成動能的發(fā)動機。由于汽油粘性小，蒸發(fā)快，可以用汽油噴射系統(tǒng)將汽油噴入氣缸，經(jīng)過壓縮達到一定的溫度和壓力后，用火花塞點燃，使氣體膨脹做功。汽油發(fā)動機機的特點是轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、造價低廉、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用維修方便。由于電動的響應(yīng)速度遠遠大于油動的響應(yīng)速度，故利用發(fā)動機的動能為發(fā)電機提供源動力，由發(fā)電機所發(fā)出的電能為整個系統(tǒng)供電。

所述發(fā)電機采用永磁無刷直流發(fā)電機，作為永磁發(fā)電機的一種，它具備永磁發(fā)電機的 所有優(yōu)點。(1)體積小，重量輕：轉(zhuǎn)子部分采用高磁場的永磁體取代電磁線圈，永磁體的體積要小得多，因此發(fā)電機的體積和重量要小于常規(guī)電勵磁發(fā)電機；(2)效率高，節(jié)能效果顯著：由于永磁體能產(chǎn)生恒定不變的磁場，這樣就省去了勵磁耗能；(3)電壓波形質(zhì)量好，適用于各種負載情況：由于采用機電一體化技術(shù)，發(fā)電機在各種不同負載(包括感性和容性負載)情況下都可使電壓波形畸變率保持在較小的范圍內(nèi)；(4)電機過載能力強，適合于在惡劣環(huán)境下工作：電機的損耗小，溫升低，過載能力強，更適合于在各種惡劣環(huán)境下工作；(5)無電刷，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用壽命長：這種發(fā)電機無電刷和滑環(huán)，同時轉(zhuǎn)子上既無線圈，也無電子元器件，轉(zhuǎn)子上的永磁磁體和鐵芯固定成為一個剛性整體，結(jié)構(gòu)非常簡單，其可靠性和使用壽命都遠優(yōu)于常規(guī)的電勵磁發(fā)電機；(6)電磁干擾小，電磁兼容性好：電機的電磁噪聲極小，對通訊設(shè)備和電子儀器的干擾非常微小，其影響幾乎可忽略不計。

所述整流單元可以采用由二極管所組成的不可控型整流結(jié)構(gòu)，其特點是可自行判斷零點，實現(xiàn)自動換向，不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)；也可采用開關(guān)管同步整流結(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，發(fā)電機的三相輸出作為整流單元的輸入，通過硬件電路檢測三相電勢的狀態(tài)來控制各開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)管可采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT以及其他可控型晶體管，這種整流方法帶負載能力強，電壓降、功率損耗較低，能夠滿足各類場合。

所述的濾波單元采用多級濾波器形式，或多種濾波器復(fù)合形式。多級濾波器的第一級濾除基波的三次諧波，第二級濾除由整流單元輸出的直流電壓信號七次諧波；多種濾波器為τ型濾波器和π型濾波器的復(fù)合，從而使輸出電壓為一恒定的直流電壓信號；

所述二次電源包括智能充電單元、恒壓單元。所述主電源中的濾波單元分別與智能充電單元及恒壓單元相連。二次電源是將主電源電能變換為另一種規(guī)格的電能，以滿足各部分的供電需求。由于主電源的電壓與用電設(shè)備的供電電壓值以及蓄電池充電電壓值不匹配，所以需要將主電源電壓經(jīng)過恒壓單元和智能充電單元變換為和用電設(shè)備以及電池充電電壓所匹配的電壓值。

所述智能充電單元采用四階段充電方法，當(dāng)電池的電壓低于預(yù)定的閾值電壓時，可采用一個小的涓流電流充電，使電壓上升到和電池零容量相對應(yīng)的電壓，避免由于大的充電電流而引起短路；當(dāng)電池電壓超過了涓流充電的閾值電壓，這時充電器電路轉(zhuǎn)入大電流充電工作狀態(tài)，在這個充電狀態(tài)，電池的主要電量被恢復(fù)；接著充電器轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)，以 確保存在較短時間內(nèi)使電池充足電；在經(jīng)歷了過充階段后，電池進入浮充工作狀態(tài)，此時電池的充電電壓為一個恒定值，這時充電器為維持電池電壓不變所需一個充電電流，并且可以利用這個充電電流補償由電池的漏電流而引起的電池電量減少。

所述恒壓單元采用古卡變換技術(shù)與軟諧振變換技術(shù)融合，古卡變換技術(shù)既可以進行升壓變換也可以進行降壓變換，同時經(jīng)過與磁集成技術(shù)的結(jié)合，可以大大減小輸出電壓的紋波；而將古卡變換技術(shù)與軟諧振變換技術(shù)的融合，則可大大降低功率電源的開關(guān)損耗，減小噪聲污染和電磁干擾；經(jīng)過精確的參數(shù)整定可將輸出電壓維持在目標值，具有較強的帶負載能力。所述恒壓單元輸出至用電設(shè)備。在本實施例中，只采用了兩個恒壓單元進行示例，而實際中，恒壓單元可以有多個，可以按照實際工作需要配置，本實用新型并不局限于此。

所述輔助電源包括蓄電池。所述蓄電池與智能充電單元相連。所述輔助電源作為主電源的備份電源，主要為無人機航前/后做準備、啟動主發(fā)動機等。

本實用新型的無人機使用電動旋翼為整機提供升力、前進動力以及實現(xiàn)無人機的穩(wěn)定控制，使發(fā)動機和發(fā)電機的特性匹配發(fā)揮各自的長處。本設(shè)計的電動旋翼采用傾轉(zhuǎn)旋翼，使無人機可垂直起降，不受地形限制，可在平地或交通工具上起飛降落，并且有傾轉(zhuǎn)旋翼和固定翼的搭配，可實現(xiàn)無人機的大負載長航時飛行。

利用發(fā)動機的動能為發(fā)電機提供源動力，并與發(fā)電機同軸連接拖動發(fā)電機發(fā)出三相交流電，三相交流電經(jīng)整流單元將交流電整定為直流電，此諧波較為嚴重的直流電壓經(jīng)濾波單元成為一干擾較小的電壓信號，此電壓一方面經(jīng)由智能充電單元為系統(tǒng)的備用電源(蓄電池)充電，另一方面經(jīng)由恒壓單元為用電設(shè)備供電；

本實用新型的無人機供電系統(tǒng)的設(shè)計首先需要考慮供電電壓和供電功率，因此需要計算出整個系統(tǒng)的功率，根據(jù)供電功率和供電電壓來進行發(fā)動機、發(fā)電機以及無人機旋翼電機的選型。由于發(fā)電機的輸出電壓與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，而發(fā)電機與發(fā)動機同軸連接，故發(fā)動機的轉(zhuǎn)速直接影響到發(fā)電機的輸出電壓，而發(fā)動機采用活塞式發(fā)動機，通過調(diào)整油門來控制其轉(zhuǎn)速輸出，油動的響應(yīng)速度遠遠小于電動的響應(yīng)速度，所以需要進行油電特性的匹配。由于發(fā)電機發(fā)出的交流電，與旋翼電機控制器-電調(diào)的供電電壓為直流電壓，所以必須要將發(fā)電機輸出的交流電通過整流單元轉(zhuǎn)換為直流電，但是轉(zhuǎn)換完成的直流電壓諧波比較嚴重，并且一般不與電調(diào)的供電電壓相匹配，所以需要經(jīng)濾波單元濾除其諧波，再經(jīng)恒壓單元輸出與電調(diào)供電電壓相匹配的直流電壓。

值得注意的是，所述的供電功率和供電電壓是與旋翼電機和螺旋槳直接相關(guān)的，無人機所能攜帶的凈負載與無人機的凈重量(即除凈負載之外的整機重量)和旋翼電機所能提供的最大升力直接相關(guān)，而旋翼電機所提供的升力則與其所消耗功率直接相關(guān)，所以系統(tǒng)的功率就取決于能夠使旋翼電機帶動設(shè)定凈負載量所消耗的功率，考慮到效率問題，在選擇發(fā)電機時需要考慮一定的裕量，在選擇發(fā)動機時也需要留足裕量。

本實用新型具體實施方式的工作過程：首先將凈負載固定于無人機上，對發(fā)動機進行點火啟動發(fā)動機，通過編碼器的轉(zhuǎn)速反饋信號按照設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)整發(fā)動機的油門來控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)電機達到額定轉(zhuǎn)速時，啟動旋翼電機并逐漸增加旋翼電機的轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速、升力逐漸增加，當(dāng)旋翼電機總升力大于機身凈重與凈負載的總重量時，無人機開始垂直上升，當(dāng)無人機達到一定高度時，傾轉(zhuǎn)旋翼開始傾轉(zhuǎn)，旋翼電機的輸出力水平分力提供前進推力，垂直分力與固定翼共同提供升力，此時由于主要由固定翼提供升力，故可適當(dāng)降低旋翼電機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)消耗功率降低。當(dāng)發(fā)生異常情況，系統(tǒng)無法檢測到輸出電壓，將母線供電切換至蓄電池供電，以防止無人機的墜落。

雖然通過實施例描述了本實用新型，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本實用新型有許多變形和變化而不脫離本實用新型的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本實用新型的精神。