利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2023107120893
申请人: 河北建筑工程学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-04-10
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种混合动力无人机,其特征在于,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;

所述机载电池与所述动力组件连接;

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;

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;

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;

所述能量控制器包括:

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;

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;

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;

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;

所述起飞控制模块包括:

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;

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;

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;

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;

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;

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;

所述巡航控制模块包括:

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;

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;

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;

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;

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;

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;

其中,

第一可用条件为:所述机载电池的实时荷电状态≥25%;

第二可用条件为:执行飞行任务时光照强度≥AM1.5;

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;

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。

2.如权利要求1所述的一种混合动力无人机,其特征在于,

所述起飞阶段的无人机的需求功率为:

所述巡航阶段的无人机的需求功率为:

所述下降阶段的无人机的需求功率为:

相应地,

所述机载电池的输出功率为:PL=ULIL;

所述光伏发电组件的输出功率为:PSC=ASCIη1ηscη2;

所述氢燃料电池发电组件的输出功率为:PFC=UFCIFC;

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为巡航阶段的发动机推力,v2为巡航阶段的速度,F3为下降阶段的发动机推力,v3为下降阶段的速度;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。

3.如权利要求1所述的一种混合动力无人机,其特征在于,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: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。

4.如权利要求1‑3任一项所述的一种混合动力无人机,其特征在于,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;

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;

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;

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。

5.一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,其特征在于,所述方法包括:获取无人机的当前飞行状态信息;

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;

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;

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;

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;

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:判断所述机载电池是否满足第一可用条件;

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;

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;

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;

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;

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;

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:判断所述光伏发电组件是否满足第二可用条件;

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;

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;

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;

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;

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;

其中,

第一可用条件为:所述机载电池的实时荷电状态≥25%;

第二可用条件为:执行飞行任务时光照强度≥AM1.5;

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;

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。

6.如权利要求5所述的一种混合动力无人机的动力控制方法,其特征在于,在获取无人机的当前飞行状态信息之前,还包括:对无人机进行重量平衡分析,得到以下重量平衡模型:

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。

7.如权利要求6所述的一种混合动力无人机的动力控制方法,其特征在于,在获取无人机的当前飞行状态信息之前,还包括: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: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: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:以及,

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;

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;

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;

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为巡航阶段的发动机推力,v2为巡航阶段的速度,F3为下降阶段的发动机推力,v3为下降阶段的速度;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。