一种双模无人机的供电系统和双模无人机论文和设计-郭剑辉

全文摘要

本实用新型提出一种系留\/放飞双模无人机的供电系统和双模无人机，该供电系统包括机载电源、机载电池组、地面电源、线缆、电源切换装置和供电接口；所述机载电源与地面电源通过线缆连接，可与电源切换装置机械连接，所述机载电源与电源切换装置机械连接时，所述机载电源电连接供电接口，用于向无人机供电；所述机载电池组可与电源切换装置机械连接，所述机载电池组与电源切换装置机械连接时，所述机载电池组电连接供电接口，用于向无人机供电；所述电源切换装置机械固定于无人机，可与机载电源或机载电池组机械连接。成功解决多旋翼双模无人机的续航时间等问题。

主设计要求

1.一种双模无人机的供电系统，其特征在于，包括机载电源、机载电池组、地面电源、线缆、电源切换装置和供电接口；所述机载电源与地面电源通过线缆连接，与电源切换装置机械连接，所述机载电源与电源切换装置机械连接时，所述机载电源电连接供电接口，用于向无人机供电；所述机载电池组可与电源切换装置机械连接，所述机载电池组与电源切换装置机械连接时，所述机载电池组电连接供电接口，用于向无人机供电；所述电源切换装置机械固定于无人机，与机载电源或机载电池组机械连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述电源切换装置包括第一导轨、第二导轨和支撑结构，所述第一导轨、第二导轨和支撑结构构成腔体，所述腔体用于与所述机载电源或所述机载电池组机械连接。

3.根据权利要求1所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述电源切换装置还包括锁合结构，用于机械固定机载电源或机载电池组。

4.根据权利要求3所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述锁合结构为卡槽接口。

5.根据权利要求4所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述机载电源和机载电池组上具有卡合结构，与所述锁合结构配合使用。

6.根据权利要求1所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述机械连接为插接。

7.根据权利要求1所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述机载电源还包括机载应急电池，用于在地面电源无法供电时向无人机供电。

8.根据权利要求1所述的一种双模无人机的供电系统，其特征在于，所述地面电源通过线缆传输的电源为800V直流电。

9.一种双模无人机，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述双模无人机的供电系统。

10.根据权利要求9所述的一种双模无人机，其特征在于，所述无人机具有六个旋翼。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于多旋翼无人机领域，具体涉及一种双模无人机的供电系统和双模无人机。

背景技术

近年来多旋翼无人机市场的发展迅速，无人机尤以优良的操控性能和可垂直起降的方便性等优点特点迅速获得了广大消费群体的关注，成为迄今为止最热销的产品。多旋翼无机人相较于其它无人机具有得天独厚的优势，与固定翼飞机相比，它具有可以垂直起降，可以定点盘旋的优点；与单旋翼直升机相比，它没有尾桨装置，因此具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点。

多旋翼无人机的诸多优点使它在无人机市场前景被看好，但也面临着许多的问题，在电力巡航、物流运输、消防、植保等领域电动无人机的载重及续航时间成为制约其发展的重要因素。此时，系留无人机凭借其长时间滞空的优点为市场带来曙光。

系留无人机是一种通用的空中悬停平台，可在飞行器上搭载各种任务设备，根据环境态势灵活选择多种作业模式，全天候、全天时地完成多种任务。系留无人机可固定于地面，也可以装载于车辆或海上舰船，具有航时长、载重大、隐身性好、展开撤收便捷、机动性强、适用性强等优点，在军、民用各方面都有很广泛的应用。目前国内对多旋翼系留无人机进行研究的单位不多，且未有能实现系留\/放飞双模式的多旋翼无人机，这主要是由于缺乏一种系留\/放飞双模式的无人机的合适的供电系统。

多旋翼无人机机械结构简单，能够实现垂直起降，在无人机市场备受关注，但也面临着许多的问题，其中，载重及续航时间成为制约其发展的重要因素。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种系留\/放飞双模式的无人机的供电系统，具体包括机载电源、机载电池组、地面电源、线缆、电源切换装置和供电接口；所述机载电源与地面电源通过线缆连接，可与电源切换装置机械连接，所述机载电源与电源切换装置机械连接时，所述机载电源电连接供电接口，用于向无人机供电；所述机载电池组可与电源切换装置机械连接，所述机载电池组与电源切换装置机械连接时，所述机载电池组电连接供电接口，用于向无人机供电；所述电源切换装置机械固定于无人机，可与机载电源或机载电池组机械连接。

进一步的，所述电源切换装置包括第一导轨、第二导轨和支撑结构，所述第一导轨、第二导轨和支撑结构构成腔体，所述腔体用于与所述机载电源或所述机载电池组机械连接。

进一步的，所述电源切换装置还包括锁合结构，用于机械固定机载电源或机载电池组。

进一步的，所述锁合结构为卡槽接口。

进一步的，所述机载电源和机载电池组上具有卡合结构，用于与所述锁合结构配合使用。

进一步的，所述机械连接为插接。

进一步的，所述机载电源还包括机载应急电池，用于在地面电源无法供电时向无人机供电。

进一步的，所述机载应急电池为锂电池。

进一步的，所述地面电源通过线缆传输的电源为800V直流电。

本实用新型还提出一种双模无人机，包括本实用新型提出的双模无人机的供电系统。

本实用新型提出的一种无人机领域的一种双模无人机供电系统和双模无人机，是一种系留\/放飞双模多旋翼无人机及其匹配使用的供电系统，成功解决其续航时间等问题，系留\/放飞双模多旋翼无人机采用同一无人机机体，通过盲插方式快速切换机舱内的电源实现系留和自由飞行两种工作模式的无人机。系留工作模式下，机舱插入机载电源，将地面高压供电通过系留线缆传输给机载电源，实现无人机长时间驻留。自由飞行模式下，将机载电源快速切换为大容量机载电池组，实现无人机的自由飞行。

在本实用新型提出的一种双模无人机供电系统和双模无人机，在系留供电技术、瞬时动态下的机载电源供电、双模机舱设计等关键技术上取得了突破，实现系留\/放飞双模系统，可满足大负载、长时间留空任务要求。

本实用新型借鉴系留气球的工作模式，在保留多旋翼无人机自身优势的基础上，通过系留电缆与地面供电分系统相连为飞行器供电，构成双模系统，很好地弥补了无人机续航时间短的缺陷，充分发挥了多旋翼无人机可按规划航路飞行、定点悬停、悬停精度高、操作便捷、性价比高等优势。以此为基础搭建的系留\/放飞双模无人机将具有广阔的应用前景。

与其他空中平台相比，本实用新型具有如下优势：

a)双模切换，制造和维护成本较低，性价比高；

b)平台结构设计简单，已经逐渐走向实用，可以实现按规划航路飞行和长时间定点悬停；

c)控制方式相对简单，与直升机等相比，悬停精度更高，效果更好；

d)自身体积相对较小，操作便捷，机动性好，执行军事任务时不易被发现，隐身性好。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的结构示意图；

图2为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的电源切换装置的结构图；

图3为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的机载电源的结构示意图；

图4为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的空中控制系统的结构示意图；

图5为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的动力系统的结构示意图；

图6为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的地面工作站的结构示意图；

图7为本实用新型提出的一种双模无人机的供电系统的地面电源转换系统结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合图1至图7对本实用新型作进一步详细说明，以便能够更好地理解本实用新型的内容以及其各方面的优点。在以下的实施例中，提供以下具体实施方式的目的是便于对本实用新型的内容更清楚透彻的理解，而不是对本实用新型的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种双模无人机的供电系统，本实施例中所述双模无人机为多旋翼无人机，所述双模指的是系留模式和放飞模式，即可自由切换两种工作模式的多旋翼无人机，具体包括机载电源1、机载电池组2、地面电源3、线缆4、电源切换装置5和供电接口6；所述机载电源1与地面电源3通过线缆4连接，即通过线缆4将地面电源3中的电能输送至机载电源1，进而输送至无人机供电接口6，所述机载电源1可与电源切换装置5机械连接，所述机载电源1与电源切换装置5机械连接时，所述机载电源1电连接供电接口6，向无人机供电；所述机载电池组2可与电源切换装置5机械连接，所述机载电池组2与电源切换装置5机械连接时，所述机载电池组2电连接供电接口6，用于向无人机供电；所述供电接口6即为无人机的供电接口，也是无人机的电能来源；所述电源切换装置5机械固定于无人机内部或者外部，用于切换向无人机供电的设备，即机载电源1或者机载电池组2，其通过与机载电源1或机载电池组2机械连接来切换与供电接口6电连接的设备，从而切换无人机的供电电源。

当所述电源切换装置5与机载电源2机械连接时，所述机载电源1与供电接口6电连接，机载电源1为无人机的供电来源；当所述电源切换装置5与机载电池组2机械连接时，所述机载电池组2与供电接口6电连接，机载电池组2为无人机的供电来源。

所述线缆4作为系留线缆，使用直径小、轻便、抗高压输电的材质制作。本实施例中，所述线缆4采用轻型合金导体，并采用航空线缆的工艺来制作，在保证使用性能的同时达到大幅减轻重量的目的，线缆每百米的重量不大于4kg、可耐2000伏电压、载流量可达10-50A的高压直流电；所述线缆绝缘材料使用机器人线缆的高温塑料，可以承受长时间的反复弯曲；线缆使用专用的超高强度纤维来承担抗拉力，抗拉力大于50-150KGS以上，并且重量很轻。

电源切换装置6的具体结构如图2所示，从图中可以看出，所述电源切换装置6的结构具体包括第一导轨61、第二导轨62和支撑结构63，所述第一导轨61、第二导轨62和支撑结构63构成腔体64，用于容纳机载电源1或机载电池组2。所述腔体64构成电源切换装置6的约束结构，用于与机载电源1或机载电池组2机械连接，其限制了机载电源1或机载电池组2的行动轨迹，使得机载电源1或机载电池组2只能按照单一方向运动并最终与供电接口6电连接，所述单一方向为图2中箭头所示意的方向。此外，所述第一导轨61和第二导轨62构成的电源切换装置6的约束结构，其腔体的体积大于机载电源1和机载电池组2中体积较大者，且所述约束结构能够与机载电源1和机载电池组2均机械匹配，即所述电源切换装置6能够与机载电源1、机载电池组2匹配地插接，从而实现电源切换装置6与机载电源1、机载电池组2的盲插连接。需要理解，本实施例中虽然电源切换装置6与机载电源1、机载电池组2直接机械连接的方式为插接，但并不是只能采用插接的方式实现上述机械连接，本实施例中仅为示例性说明。

本实施例中，所述电源切换装置6中还包括锁合结构65，所述锁合结构用于将机载电源1或机载电池组2与电源切换装置6锁死，从而实现其相对位置不变，以保障机载电源1或机载电池组2与供电结构6之间实现稳定的电连接，而不会发生因意外松动导致无人机供电设备的突然断开，提高供电的稳定性、可靠性和安全性。如图2所示，本实施例中，所述锁合结构65为卡槽接口，其与机载电源1或机载电池组2上的卡合结构扣接，从而实现机载电源1或机载电池组2运动到制指定位置(与供电接口6电连接)之后的自锁，所述卡合装置可为卡扣等具有锁合功能的机械结构。

本实施例中，所述机载电池组2可采用大容量高密度锂电池。如图3所示，所述机载电源1进一步包括动力系统电源11、设备电源12、机载应急电池13、电源转换模块14、电源切换模块15和降压模块16。所述动力系统电源11用于给动力系统供电，所述动力系统包括电子调速器和电机供电；所述设备电源12用于给控制系统、任务设备、数据传输设备等机载设备供电；所述机载应急电池13用于在紧急情况给动力系统供电，即电子调速器和电机，所述紧急情况为地面供电意外中断等情况，系统可自动热切换到机载应急电池13供电，保证飞行器可以及时安全的着陆。

机载电源1的具体结构如图3所示，所述电源转换模块14接受从线缆4接收到的电能，即800V的直流电，电源转换模块14将该800V直流电转换为48V的直流电，所述48V直流电分为两路输出，其中一路作为动力系统电源11，另一路经过降压模块16降压得到24V直流电，所述24V直流电作为设备电源12。此外，所述机载电源1中还包括机载应急电池13，所述机载应急电池13可为任何电池装置，例如大容量高密度锂电池。进一步的，所述机载电源1中还包括电源切换模块15，其用于切换动力系统的供电来源，即切换动力系统电源11或机载应急电池13之一为动力系统供电。本实施例中，电源切换模块15在动力系统电源11不能为动力系统供电、无人机在飞行过程中动力系统紧急断电的情况下，可以自动热切换到机载应急电池13。可以看出，本实施例中，所述动力系统电源11为48V直流电源，设备电源12为24V直流电源。

综上所述，本实施例中提出的一种双模无人机的供电系统可通过电源切换装置来切换机载电源或机载电池组对无人机进行供电。当机载电源与电源切换装置机械连接、机载电源为无人机供电时，实际为机载电源通过线缆连接的地面电源为无人机进行供电，此时，无人机处于系留工作状态；当机载电池组与电源切换装置机械连接、机载电池组对无人机供电时，无人机使用自身电池组供电，此时，无人机处于放飞工作状态。无人机通过供电来源的切换实现系留、放飞两个工作模式的切换，即实现双模无人机的供电系统。

实施例2

本实施例提出了一种双模无人机系统，所述双模无人机系统具体包括空中平台7、地面工作站8和包含实施例1中提出的一种双模无人机的供电系统。

所述空中平台7具体包括空中控制系统71和动力系统72。如图4所示，所述空中控制系统71具体包括主控模块711、惯导模块712、定位模块713、指示模块714和控制信号输入与数据交互模块715，所述空中控制系统71由双模无人机的供电系统中的设备电源12供电。如图5所示，所述动力系统72具体包括电机驱动器721、电机722和旋翼723，所述动力系统72由双模无人机的供电系统中的动力系统电源11供电。

结合图4对空中控制系统71进行具体说明，本实施例中，所述空中控制系统71放置在机舱内部，所述主控模块711用于实现空中控制系统71中的数据处理、数据交互和控制功能，其可以对惯导模块712采集到的姿态数据、定位模块713采集到的位置和速度数据、控制信号输入与数据交互模块715所采集到的实时交互数据进行识别和处理，从而实现对采集到的传感数据的处理、并通过数据处理结果输出相关控制信号至无人机中的其他模块，从而实现对无人机的控制；所述惯导模块712使用IMU惯性测量单元，主要用于测量飞行器实时姿态；所述定位模块713使用GPS定位模块，主要用于获取飞行器实时位置和速度信息；所述指示模块714使用LED指示灯，用于实时指示飞行器飞行状态；控制信号输入与数据交互模块715主要包括遥控器接收机、无线数据传输设备等，用于与地面设备实时进行数据交互，并将交互数据输入或输出主控模块711。

此外，本实施例中，所述主控模块11处理的数据为姿态数据、速度数据和位置数据，然而，本实施例中仅为示例性说明，主控模块11所可以处理的数据并不局限于此，其可处理的数据可根据实际情况包括加速度计、陀螺仪、磁传感器、气压计、GPS等多种传感器数据等，通过对多种传感数据进行非线性EKF滤波算法处理，保证无人产位置姿态数据的平滑和稳定。所述惯导模块712使用两组独立的IMU设计，当一组IMU发生故障或出现错误测量数据时，自动切换到另外一组IMU。

结合图5对动力系统72进行具体说明，动力系统72主要为飞行器提供升力和操纵力矩。本实施例中，所述动力系统72包括电机驱动器721、电机722和旋翼723，所述电机驱动器721作为电机的驱动器，控制电机转速，驱动电机722工作进而带动旋翼723旋转产生升力和反扭矩。本实施例中，所述电机驱动器721采用直流电源供电，使用PWM信号作为其速度控制信号，所述电机722为直流无刷电机。

此外，本实施例中的空中平台7还包括结构系统，主要指无人机飞行器的机体。根据任务载重、旋翼数量和飞行仿真分析，确定桨叶和机体尺寸等。同时考虑到飞行器的机身尺寸较大，与常规飞行器结构相比，其共振频率将明显降低，可能受动力系统的振动影响产生低频共振，因此须在方案设计过程中充分考虑结构的共振问题，通过有限元结构分析和气动外形设计降低共振风险。本实施例中，机体采用平铺式六轴架构设计，共使用六个旋翼。

如图6所示，所述地面工作站8具体包括地面电源转换系统81、地面控制系统82、系留系统83。是系统的指挥保障中心，其主要功能包括：通过系留线缆为飞行器供电；实时获取飞行器的飞行状态信息，对空中平台分系统的状态进行实时监控；实现对飞行器的一键式起飞\/着陆控制，飞行器在空中执行任务时可参与对飞行器的位置控制；承载平台为飞行器起飞和着陆提供平台。

所述地面电源转换系统81输出AC\/DC大功率电源，是实施例1中所述地面电源3的电能来源。如图7所示，所述地面电源转换系统81具体包括输入电源811、可控整流器812、主功率变换器813、高频变压器814。所述输入电源811具体为市电380v的交流电，其输入电能至可控整流器812，通过可控整流器812将交流电整流成直流电；主功率变换器813主要是由高频逆变电路组成，采用LLC谐振将直流电逆变成高频交流电；高频交流电经过高频变压器814升压输出高压直流电，作为地面电源3，经过线缆4传输到机载电源1，线缆4即为系留线缆。

所述地面电源转换系统81能够实现电压、电流等数据上传功能；具备自动发出相应的告警指示、工作状态指示等功能，地面操作人员可以实时掌握AC\/DC电源的供电状态。同时高压直流输电子系统应配备单相输入开关，可开启\/关断输入交流电，配备弱电开关可以开启或关闭高压直流电压的输出。此外，所述地面电源转换系统81还可具有高压直流输电保护装置，能够提供以下保护措施:

a)输入过欠压保护：当交流输入电压超出或小于标称电压范围时，自动告警，同时自动关机保护，当电压输入正常后自动恢复工作；

b)输出过欠压保护：当输出电压超出或小于设定值时，自动告警，同时自动关机保护，故障排除后，手动恢复工作；

c)输出过流保护：具备输出过流、短路保护的功能，并能在排除故障后手动恢复工作；

d)过热保护：具备过热保护功能，并在温度正常后自动恢复。

同时为降低某些故障的进一步扩大，所述地面电源转换系统81内的输入端或输出端进一步配备熔断器或断路器保护。当某一故障情形发生导致告警、保护动作开启，使AC\/DC电源关机时，能够向飞行器发送故障告警信号，直到故障排除后，再进行空中任务操作。

如图6所示，所述地面控制系统82具体包括控制信号发送模块821和遥控器822。所述遥控器822能够在线监测空中平台7的运行状况，获得飞行数据，并根据任务需求形成控制指令和控制参数传输到飞行器上，完成对飞行器的控制，实现“一键式”起降控制。

如图6所示，所述系留系统83具体包括线缆收放装置831和承载平台832。所述线缆收放装置832是实施例1中线缆4的收放装置，本实施例中，所述线缆收放装置831使用绞盘，用于在空中平台7起飞、着陆过程中进行放缆或收缆，线缆绞盘收放线缆的速度与飞行器起飞、着陆速度保持一致，从而实现空中平台7起降过程中的一键式同步操作。所述承载平台832为所述空中平台7起飞和着陆提供平台。

以上所述的仅是本实用新型的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，所做出的变形和改变均属于本实用新型的保护范围。

设计图

一种双模无人机的供电系统和双模无人机论文和设计

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