[发明专利]轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法

说明书

本发明提供了一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，其主要涉及无人机设备技术领域，用于总重60~70kg级别的固定翼无人机。所述方法包括将混合动力推进分为四种不同的工作模式，分别为：最速、标准（最效）、节能、静音，均可以实现起飞、爬升、平飞、降落等飞行动作。混动输出分配通过学习型算法实现，并可以完成对发动机与电动机输出特性的修正。混合动力推进系统主要包含混推控制器、动力电池、主、辅驱动电机及发动机系统。本发明实现了60~70kg级混动无人机在不同的任务平面以不同的功率模式的正常飞行，合理分配混合动力输出，该系统还具有响应迅捷、高效低能耗及支持静音飞行等特点。

技术领域

本发明涉及无人机设备技术领域，具体是一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，适用于整机质量60-70kg固定翼无人机。

背景技术

随着无人机推进技术的深入研究，不同的无人机推进形式得到了应用研究。纯电动无人机响应迅捷但续航时间短；纯内燃机驱动的无人机续航能力强但存在噪音大、高空效率低、响应速度慢及排放等问题，根据国家绿色航空电推进系统的发展思路，混合动力推进系统成为目前无人机动力系统最具实践性的可选方案。

国内外，混合动力推进技术已经在40kg以下的固定翼无人机上成功应用，但在载重量更高的60～70kg质量级上的无人机多为油动直驱，该重量下的混合动力推进系统的研究较少。油动直驱无人机巡航飞行时噪声较大，无法适用于某些要求静音巡航的任务情况，且油门响应较慢，因此无人机无法实现较高的操纵灵活度。采用混合动力推进将弥补发动机低转速时功率输出低且响应迟缓，电动机最大输出功率较低等缺陷，提高动力输出上限的同时提高驱动系统的灵活程度。

通常编写的混合动力推进系统的控制程序需要大量的发动机与电动机的数据，设计过程复杂。采用学习型算法实现发动机与电动机的动力分配，可以使无人机的混合动力推进系统拥有更强的针对性、适应性，可以实现飞行性能的最优化，并提高燃料的使用效率。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种轻型固定翼无人机的混合动力推进系统与控制方法，应用于60-70kg质量级的固定翼的无人机，可以弥补纯油动固定翼无人机低转速时输出功率低、响应迟缓，纯电动固定翼无人机的最大输出功率低等缺陷，利用该混合动力推进系统满足不同飞行任务平面内的多种飞行动作的功率需求，且具有高效节能、静音巡航的特点。

本发明提供的轻型固定翼无人机的混合动力推进控制方法如下：

混合动力推进方法采用的主要控制方式为负反馈控制，通过传感器得到的实际空速与期望空速求得偏差，通过混推控制器中的PID控制器调节发动机与电动机的输出功率。发动机输出功率的调节方式为改变节气门的开度(通过混推控制器输出信号控制舵机实现)；电动机输出功率的调节方式为改变电动机电枢的有效输入电压(通过混推控制器输出信号控制电子调速器实现)。

该混合动力推进方法具有四种不同的功率模式对应不同的工作需求，分别为：最速、标准(最效)、节能、静音，均可对应完成四种不同的飞行动作包含：起飞、爬升、平飞、降落。其中标准模式与节能模式利用学习型算法进行分类。具体过程即无人机首次飞行采用由发动机电动机数据求得的分配结果，之后的无人机在不同的发动机与电动机功率分配下完成既定动作的同时记录由传感器测得的该动作消耗的电能消耗、燃油消耗以及动作完成时间，采用聚类算法将不同的功率分配分为最速、不最速两部分，以及节能、不节能两部分，对首飞时的分配结果进行修正，节能分组的功率分配取值用于节能模式，再次采用聚类算法取得距离最速与节能尽可能近的功率分配点为最效取值应用于标准(最效)模式。

最速模式下，发动机与电动机的功率调节均不受限制，即当偏差出现时系统可以实现最大状态的响应(发动机节气门全开、电动机电枢的有效输入电压最大)。该模式下的无人机可以以最快的速度到达目标执行任务。