[发明专利]一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法

说明书

技术领域

本发明属电动多旋翼无人机技术领域，特别是涉及一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法。

背景技术

电动力多旋翼无人机的动力系统目前基本都采用无传感器无刷直流电机直接驱动旋翼，具有结构简单重量轻成本低等众多优点，但另一方面，因为此类无刷电机转速非常高，又是直接风冷散热，轴承温度高磨损快，绕组绝缘老化也不容忽视，造成电机使用寿命较短，并且很容易发生在空中飞行中的突然失效，另外其电子换向控制器即电调也是在实际使用中经常发生突然失效故障的部件，旋翼也经常发生在飞行中由于疲劳或外界撞击突然断裂的事故，据统计这三类偶发故障造成的坠机事故占全部坠机事故原因的70%以上。特别是针对长时间不间断飞行的系留多旋翼，因为其连续空中飞行时间一般为几十甚至几百小时，相比动力系统的平均无故障时间来说已经不是很小了，因此这种常规动力系统在系留多旋翼实际应用中有必要进行冗余设计。

针对上述问题，目前一般采用六旋翼以上的多旋翼设计，使用自动驾驶仪直接控制每一个电机的电调，按自驾内的冗余算法，在检测到某个电机或旋翼失效后进行整个飞行器控制算法的重构。这种方法虽然能够实现一定程度上的动力冗余设计，提高飞行器的安全系数，但控制相对较复杂，需要自驾算法上的支持，而一般的非专用自驾支持这类算法的并不多，而且对于超长飞行时间的系留多旋翼也很难做到主动控制一些电机轮班休息以降低电机磨损和发热。

发明内容

针对背景技术中的不足和问题，本发明公开了一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法。

本发明采用每个机臂上都安装两套旋翼、电机和电调的方法，实现动力系统的真正双余度冗余，这两套动力系统工作时旋翼旋转方向一致，因此反扭力矩的方向也一致，它们在多旋翼中产生的升力和反扭力矩可以相互替代冗余备份，但与传统技术不同的创新点是，这两套动力系统的故障检测和切换是由独立的冗余控制器自动完成，可以对自驾控制来说完全透明；同时这冗余控制器还有一个模式选择PWM输入信号线，可以实现这两套动力系统同时以不同的功率工作而总体效果上与其中一个单独工作相同，而两套动力系统所分配的功率比例是可以通过遥控接收机或自驾提供一路PWM信号，接入模式选择PWM输入信号线进行控制。这样，本发明不但实现了不用专用自驾就可以实现故障时动力系统的自动冗余切换，也可以通过地面遥控器手动切换使用哪套动力系统或两套动力系统各以多大的功率比例运行，从而实现用遥控器主动控制一些电机轮班休息以降低电机磨损和发热，也可以将冗余控制器切换到自动轮班模式，让其自动定时控制两套动力系统按一定时间周期轮流工作，而这种切换和切换中的过渡过程对自驾来说是完全透明的；当然，模式选择PWM输入信号线也可以与自驾的一路任务控制输出连接，从而用地面站对动力冗余模式进行控制，或自驾内部扩展一些算法完成对动力冗余更高一层次的调控。

下面详细说明本发明的系统结构和控制方法：

附图说明：

图1为所述电动系留多旋翼冗余动力系统结构示意图，其中图1中各标号所对应部件说明如下：

101第一螺旋桨；102第一电机；103第一电机驱动电缆；

104第一电调；105第一供电输出电缆；106第一PWM输出信号线；

201第二螺旋桨；202第二电机；203第二电机驱动电缆；

204第二电调；205第二供电输出电缆；206第二PWM输出信号线；

300冗余控制器；301微处理器电路；302板载电源；

303第一电流传感器；304第二电流传感器；305供电输入电缆；

306动力控制PWM输入信号线；

307模式选择PWM输入信号线；

308故障报警输出信号线。

图2为第一种实施方案的电机和桨安装示意图，其中图2中各标号所对应部件说明如下：

101第一螺旋桨； 102第一电机；201第二螺旋桨；

202第二电机； 100单杆机臂。

图3为第二种实施方案的电机和桨安装示意图，其中图3中各标号所对应部件说明如下：

101第一螺旋桨； 102第一电机；201第二螺旋桨；

202第二电机； 200双杆机臂。

下面对照附图详述电动多旋翼冗余动力及控制系统的组成和各部件间连接关系：

下边所述的电缆，是指供电或驱动用的一束导线，电机驱动线是三根导线，而电源电缆是包括供电线和地两根导线；

下边所述的信号线，也是指传递所述信号的导线和相应的参考地导线的两根导线；