[发明专利]一种混合动力无人机

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞行器，具体涉及一种混合动力混合旋翼无人机。

背景技术

随着无人机行业的火爆发展，各种各样的无人飞行器系统被发明出来，用于实现不同的任务作业。无人飞行器按照外形和飞行原理分类，主要有三种类型：固定翼、直升机、多旋翼。其中固定翼型无人机无法垂直起降和悬停，直升飞机和多旋翼无人机都可以垂直起降和悬停。

经过理论分析，多旋翼无人机，又称多轴飞行器，包括4旋翼无人机、6旋翼无人机及8旋翼无人机等，其特征是多个完全一样的旋翼，成对相向旋转，产生升力。同时，不同旋翼之间的速度差，产生无人机对地的倾角，从而产生旋转和向前、向后飞行。因此，多旋翼无人机结构简单，控制简单，容易实现。但多旋翼无人机的根本问题是其升力来自于多个较小的旋翼，旋翼的总和面积有限。其旋翼总面积远小于同等级大小的直升机，且多个旋翼之间会产生相互干扰。旋翼个数越多，干扰越严重。故多旋翼飞机的效率和载荷普遍低于直升机。从而造成载荷太小，难以实现高载荷、长航程或长航时、高抗风能力的飞行。另外，要增加多旋翼飞机的载荷，只能增加旋翼的尺寸，而多旋翼飞机简单的运动控制完全依赖于螺旋桨及时的速度和方向的改变，以调整力和力矩，该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼，因为桨叶尺寸越大，越难迅速改变其速度。因此，目前多旋翼无人机的载荷大多在五公斤以下，绝大部分在一公斤以下，主要用于无载荷的玩具，及用于航拍等低载荷需求的领域。

普通直升机的基本特征是具有一个或一对大型的旋翼，其旋翼的面积远大于多旋翼无人机的旋翼的总面积，因此，其载荷能力和续航能力远大于多旋翼无人机，其效率也高于多旋翼多旋翼无人机。普通直升机可以相对方便地增加旋翼尺寸，直径大，效率高，能实现大载荷和高稳定性。当前直升机载荷最大的可以达到数十吨。直升机的旋翼和轴之间有活动的机械连接部件，通过调节旋翼的距离和倾角来实现直升机的旋转和前进飞行，从而导致直升机的控制复杂。学习直升机的飞行不是简单的事情。直升机飞行过程中会产生通道间耦合，自驾仪控制器设计困难，控制器调节也很困难。另外，太大的旋翼使得旋翼顶端相对空气的高速运动，导致阻力和不稳定性增加，而效率和可靠性下降。

多旋翼无人机的操控原理简单，操控器四个摇杆操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面，多旋翼无人机自驾仪控制方法简单，控制器参数调节也很简单。多旋翼无人机可靠性、勤务性更高。若仅考虑机械的可靠性，多旋翼没有活动部件，它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性，因此可靠性较高。同时，多旋翼机结构简单，若电机、电子调速器、桨和机架损坏，很容易替换。而直升机由于旋翼和轴之间存在铰链连接，控制旋翼的方向和角度，其控制系统不但要控制直升机的运动，而且同时要控制每个旋翼的运动，因此直升机的控制系统相对复杂，旋翼的安装也需要技巧，成本较高。

传统的多旋翼结构无人机(如四旋翼、六旋翼等)，拥有对称布局的、大小完全一致的4个或者6个或者更多个水平旋转的旋翼。其使用电子调速器(ECS)无级变速控制每个旋翼的转速，采用通过ECS快速改变旋翼旋转速度的办法来控制多轴无人机的飞行姿态，所有旋翼的旋转产生升力的合力来抵消飞机重力。其特点在于多个旋翼同时提供无人机的升力和飞行姿态控制力，因此，所有旋翼必须要能快速改变转速从而实时调整飞行器的飞行姿态，实现飞行器的平稳飞行。实现这一目标的最佳途径是无刷电机，该电机可以用电子调速器来方便、快速地调节电机的转速。但基于无刷电机的无人机的缺点也很明显，一是千瓦以上的电机由于旋翼大，惯性大，难以实时调速；二是目前的锂电池的能量质量密度低，从而使得多旋翼无人机载荷低、续航时间短。而能量质量密度高的汽油、煤油发动机难以精确、快速地调速，使得现有的多旋翼无人机难以使用传统无人机的动力系统，如汽油发动机、煤油发动机等。因此，传统的多旋翼无人机的发展，遇到了很大的困难，需要新的突破。

综合上述分析，直升机的主要优点是大型单(或双)旋翼，可变桨距和桨角，使得直升机的旋翼同时具有升力和控制力，具有大载荷，高效率等优点,但其太大的旋翼使得旋翼顶端相对空气的高速运动，导致阻力和不稳定性增加，而效率和可靠性下降。而多旋翼的优点则是飞行器的升力和控制力均来自于多个相同的旋翼，结构简单带来的控制简单、勤务性高,但其载荷太小，难以实现高载荷、长航程或长航时、高抗风能力的飞行。

发明内容