混合動力多旋翼飛行器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種混合動力多旋翼飛行器。該混合動力多旋翼飛行器包括多個螺旋槳以及電機驅動系統，所述電機驅動系統包括多個電機，每個電機驅動相應一個螺旋槳轉動，還包括發動機驅動系統以及傳動機構，所述發動機驅動系統包括發動機且該發動機通過傳動機構與電機的輸出轉矩合成并可用于驅動對應同一個螺旋槳轉動。本實用新型通過提供多種動力系統并且采用傳動機構將多動力系統的輸出轉矩合成后再用于驅動螺旋槳的轉動，不但能極高地提升飛行器的續航能力，且不會增加飛行器的結構復雜度，同時能夠保障飛行器的操控性、機動性和安全性等性能。
【專利說明】
混合動力多旋翼飛行器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及飛行技術領域，特別是涉及一種混合動力多旋翼飛行器。
【【背景技術】】
[0002]多旋翼飛行器結構較為簡單，成本低廉，性能卓越，飛行控制技術較為完善，具有廣闊的應用前景，已經成為國際上的流行熱點。
[0003]多旋翼飛行器動力系統主要包括電池，電調，電機，螺旋槳，再配合各種傳感器和飛行控軟件，通過電調調節電流大小，從而調節電機的轉速，使得螺旋槳產生拉力和各個方向的力矩，實現飛行器起飛、降落以及其他飛行姿態的控制。
[0004]現有多旋翼飛行器主要是全電動驅動結構，這種飛行器結構簡單，反應靈敏，操控便捷，但由于電池容量的局限性，以及電池本身重量較大，多旋翼飛行器的實際使用時間受到很大的影響，往往只能飛行10-20分鐘，極大的限制了飛行器的應用場景。使用大容量電池雖然可以增加一定的續航時間，但電池的重量同比增加，直接增加了飛行器的總負載，各種成本也隨之大大增加，同時電池無論是滿電還是缺電狀態，重量基本不會發生變化，因此純靠增加電池容量來提升續航時間是效率最低的方式。因此對于飛行器的動力結構的改進成為飛行器改進的一個熱點。
[0005]例如其中一種改進是增加發動機作為動力來源，由全電動驅成改為電動機/發動機的混合動力驅動。中國專利公開第0則0 50 3 53 284號，第0則049438 57六號，及第CN104760696A號等涉及到使用電動機和發動機作為混合動力的飛行器的設計。這些專利增加了一套發動機驅動系統和專門的一套螺旋槳作為飛行器的主要動力源，這樣可以利用發動機的動力強勁，油耗低等特點增加飛行器的實際使用時間，但由于發動機的響應速度慢，對操控性不利，因此同時補充若干電動機驅動另外一套螺旋槳進行飛行器操控方面的輔助控制，利用電動機的高響應速度來保證飛行器的操控性能。這雖然解決了飛行器的實際使用時間問題，但很明顯大大改變了飛行器的結構，增加了很多額外的部件。例如中國專利公開第CN104760696A號在飛行器的中部增加了兩個巨大的旋翼，為了抵消旋翼產生的扭矩，還采用的是共軸反向同速結構，結構極其復雜;再如中國專利第CN105035328A號在飛行器的中間同樣增加了兩個巨大的旋翼，而把其他旋翼擠到了外側四個角落，把一個簡單的全中心對稱的6旋翼飛行器變成了一個異形結構。上述設計很多都是從理論的角度來分析如何實現飛行器的操控，若真正進行氣動結構方面的試驗，則很明顯這種復雜的結構對于飛行器的氣動性能干擾是非常大的，傳統的飛行控制技術往往不一定適用于這類飛行器，需要大量修改傳統飛行控制系統。傳動的全電動的多旋翼飛行器的布局是非常精簡的，各個旋翼之間的氣流干擾是相對最小的，對于空氣動力性能影響最小化，因此極大的簡化了飛行器的控制難度，降低了飛行器的成本，這才是多旋翼飛行器得到迅速推廣的最直接原因，而上述設計改進后的飛行器卻弱化了這個優點，有本末倒置之嫌。
[0006]同時，上述技術的主要動力設備源自發動機，電動機是用來提供控制輔助和次要動力，一旦發動機驅動系統出現故障，那飛行器不可避免的將失去大部分動力，極有可能墜毀。假如電動機驅動系統在發動機驅動系統故障時依然能提供足夠的動力使之繼續飛行，基于螺旋槳升力的計算原理，這種輔助操控用的螺旋槳規格太小，電動機的功率也很小，根本無法提供足夠的動力，因此電動機驅動系統也需要匹配一套更大規格的螺旋槳和相應的大功率電機，但這樣不僅增加了成本，而且嚴重增加了飛行器的尺寸和重量，更大程度上影響了飛行器的氣動性能，在發動機驅動系統正常工作的情況下，這套更大規格的電動驅動系統反而是個累贅，有悖于電動驅動系統只是輔助操控的設計初衷。
[0007]另外一種使用電動機和發動機作為混合動力的飛行器的設計可見于中國專利公告第CN204587313U號，公開第CN103359284A號等專利文獻中。這些專利不直接使用發動機驅動系統作為飛行器動力來源，而是用發動機發電，將所發的電能直接提供給電動機或者用電池儲存以備電動機使用；飛行器的實際布局和普通的全電動驅動的多旋翼飛行器基本一致，動力來源依然是電動機驅動。雖然上述技術比較好的解決了飛行器的實際使用時間問題，同時由于依然延續了現有多旋翼飛行器的布局，因此氣動性能變化不大;但發動機發電配合電池充電放電這套系統比由發動機直接驅動效率要下降不少，同時大大增加了飛行器的重量和成本，間接的降低了飛行器的可操控性、機動性和續航時間。事實上市面上出現的這類混合動力飛行器的尺寸都相當大，售價相當昂貴，不利于這類飛行器的推廣使用，完全不是中大型多旋翼飛行器的主流。
【【實用新型內容】】
[0008]本實用新型的目的之一:由現有的全電動驅動飛行器改為電動機、發動機的混合動力驅動飛行器，同時使用特殊的傳動結構設計，使得電動機和發動機的轉矩合成后，同時驅動同一套螺旋槳，而不是各自獨立的驅動對應的螺旋槳，配合改進的飛行控制系統，最大化的綜合利用電動機和發動機的優點，提高飛行器的最大負載、續航時間等特性。
[0009]本實用新型目的之二:保持現有的多旋翼飛行器的氣動布局，最大化的減少需要增加的附加結構，減少尺寸和重量的增加，繼續采用現有的多旋翼飛行器的控制技術，從而保持甚至提高多旋翼飛行器的操控性和機動性，并降低成本，利于多旋翼飛行器的市場推廣。
[0010]本實用新型目的之三:依托本實用新型提供的傳動結構設計，配合改進的飛行控制系統，最大程度上提高多旋翼飛行器的安全系數，使得飛行器在發動機驅動系統故障或者一個或若干個電動機故障的情況下，依然可以安全飛行，直至著落。
[0011 ]本實用新型采用如下技術方案:
[0012]—種混合動力多旋翼飛行器，包括多個螺旋槳以及電機驅動系統，所述電機驅動系統包括多個電機，每個電機驅動相應一個螺旋槳轉動，還包括發動機驅動系統以及傳動機構，所述發動機驅動系統包括發動機且該發動機通過傳動機構與電機的輸出轉矩合成并可用于驅動對應同一個螺旋槳轉動。
[0013]在一些實施例中，所述傳動機構包括太陽輪、齒圈、行星架和行星輪，行星輪設置在行星架上且包圍太陽輪設置，齒圈設置在行星輪外圍，行星輪與太陽輪外嚙合，同時與齒圈內嚙合，太陽輪、齒圈以及行星架三者其中之一與電機聯動，其中第二個與發動機聯動，其中第三個為螺旋槳提供最終動力輸出。
[0014]在一些實施例中，太陽輪與電機聯動，齒圈與發動機聯動，太陽輪和齒圈其中至少一個可帶動中間的行星輪往某一個方向轉動，行星輪所在的行星架為螺旋槳提供最終動力輸出。
[0015]在一些實施例中，還包括發電裝置，所述發動機輸出的動力通過發電裝置部分轉換為電能，所述電能用于儲存于電池中為電機供電或直接為電機供電。
[0016]與現有技術相比，本實用新型的有益效果在于:通過提供多種動力系統并且采用傳動機構將多動力系統的輸出轉矩合成后再用于驅動螺旋槳的轉動，不但能極高地提升飛行器的續航能力，且不會增加飛行器的結構復雜度，同時能夠保障飛行器的操控性、機動性和安全性等性能。
【【附圖說明】】
[0017]圖1是本實用新型實施例提供的一種混合動力多旋翼飛行器的結構示意圖；
[0018]圖2是圖1中所示混合動力多旋翼飛行器的傳動機構的結構示意圖；
[0019]圖3是發動機輸出曲線示意圖；
[°02°]圖4是電機輸出曲線示意圖。
【【具體實施方式】】
[0021]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0022]此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。本實用新型所指的電機，是指轉動螺旋槳用的直流無刷電機，也可以是其他類型的用于帶動螺旋槳的電機;本實用新型所指的發動機，是指燃燒油類或者醇類等其他液體燃料作為動力的發動機;本實用新型所指的混合動力多旋翼飛行器，包含4、6、8軸飛行器在內的飛行器;本實用新型所指的電調，是指用于調節電機轉速的電子調速器;本實用新型所指的拉力，是指電機產生的電機軸方向的力；本實用新型所指的升力，是指拉力在垂直方向的分力;本實用新型所指的效率，是指做的單位功產生的拉力，其單位為G/W;
[0023]本實用新型在現有全電動驅動飛行器的結構基礎上，增加一個或多個發動機，發動機通過傳動設備連接驅動對應的螺旋槳;然后經過一傳動結構可以將電機和發動機各自獨立的不同的轉矩合成后，同時驅動同一套螺旋槳，并通過相應改進后的飛行控制系統，隨時根據飛行器的操控需求，協調電機驅動和發動機驅動的轉矩合成情況，以適應不同的飛行器飛行狀態。
[0024]實施例1:
[0025]以4旋翼飛行器為例:如圖1所示，電機Al，A2，A3，A4以一對一的方式驅動對應的Cl，C2，C3，C4四個螺旋槳，增加一個發動機B，發動機輸出的動力通過齒輪組和皮帶等傳動機構輸出到對應的Cl，C2，C3，C4四個螺旋槳方向。
[0026]電機Al，A2，A3，A4和發動機B的轉矩，通過傳動結構合成后，同時驅動Cl，C2，C3，C4四個螺旋槳。如圖2所示，本實施例中的傳動結構，包括太陽輪10、齒圈11、行星架12和行星輪13，行星輪13設置在行星架12上，且包圍太陽輪10設置，各個行星輪13與太陽輪10嚙合。齒圈11設置在行星輪13外圍并與各個行星輪13嚙合。也即，行星輪13與太陽輪10外嚙合，同時與齒圈11內嚙合。
[0027]太陽輪與電機聯動，可由電機驅動轉動;齒圈11與發動機聯動，可由發動機驅動轉動。太陽輪和齒圈其中至少一個可帶動中間的行星輪往某一個方向轉動，行星輪所在的行星架為螺旋槳提供最終動力輸出，使其旋轉提供飛行器飛行的動力。太陽輪和齒圈的尺寸和齒數比，由不同電機和發動機的動力情況，以及螺旋槳的拉力情況，三者協調計算后可得。可以理解上述具體連接僅是示例，在其他實施例中只要太陽輪、齒圈以及行星架三者其中之一與電機聯動，其中第二個與發動機聯動，其中第三個為螺旋槳提供最終動力輸出，并通過適當控制即可獲得相同的效果。
[0028]可以理解，傳動結構的具體組成不局限于圖2所示的設計，將兩個有差異的或獨立的輸出合成為一個輸出的傳動機構都可以用于本專利設計，如差動輪系傳動結構等其他傳動結構，都可用于本實用新型的技術方案。
[0029]本實施例中，電機和發動機都可以各自單獨的驅動螺旋槳轉動，亦可通過傳動結構合成力矩后同時工作，驅動同一套螺旋槳工作，電機和發動機的驅動力在合成過程中所占比例由改進后的飛行控制系統調節。
[0030]本實施例中，飛行器的控制系統工作過程描述如下:
[0031 ] 1、飛行器的控制系統控制飛行器姿態:
[0032]發動機提供的轉矩對于4個螺旋槳上的分配是均勻的，而飛行器的姿態控制過程中，控制方法與現有的全電動驅動飛行器類似，由Al，A2，A3，A4電機產生不同的轉矩后，與對應的發動機轉矩合成后，最終輸出給螺旋槳的轉矩產生差值，使得螺旋槳的轉速發生變化，拉力隨之發生變化，最終產生各個方向上的力矩差，從而控制飛行器各種姿態。飛行器上升或者下降，可以增大或減小電機或發動機的輸出來實現。
[0033]2、飛行器的控制系統控制動力輸出比例:
[0034]由于圖2所示的傳動結構可以合成任何大小不同的轉矩，在懸停或者平飛時，飛行器的控制系統通過調控，盡量讓發動機輸出的轉矩占更多的動力輸出比例，減少電機的輸出轉矩所占比例，這樣可以使發動機提供主要飛行動力，從而減少能耗，最大限度延長飛行時間，當需要迅速的調整姿態時，由于發動機響應速度較慢，控制系統使得電機輸出轉矩迅速做出調整，從而保證飛行器的姿態得以迅速控制。
[0035]如圖3所示為某一具有代表性的發動機的輸出特性，其中橫軸代表轉速，兩個縱軸分別代表轉矩(扭矩)和功率;如圖4所示為某一具有代表性的電機的輸出特性，其中橫軸代表轉矩，四個縱軸分別代表輸出電流、轉速、功率和效率。由圖3和圖4可以看出，發動機低轉速時轉矩輸出較小，中高轉速時能持續輸出峰值轉矩;而電機與之相反，在較低轉速時能輸出爆發性轉矩，效率最高，而高轉速時轉矩輸出爆發力下降，效率大大下降。飛行器的控制系統可以充分利用兩套動力不同的輸出曲線，通過圖2所示的傳動結構，將飛行器的動力總體輸出，盡量分配到發動機中高轉速階段和電機低轉速階段，這樣發動機有持續高轉矩輸出，而電機有高爆發性轉矩輸出，不僅能最大化的節約能耗，而且進行任何操作控制時，動力系統產生的轉矩都是持續高爆發，飛行器的機動性，可操控性都可得到極大的提高。
[0036]3、飛行器的安全飛行:
[0037]3.1、電機驅動系統出現故障
[0038]任意一個電機Al，A2，A3，A4出現故障后，飛行器控制系統可迅速關停其他所有電機，切換到全發動機驅動，同時加大發動機的動力輸出，使得飛行器依然有足夠的動力，保證其不會墜落，飛行器穩定后，控制系統減小發動機的動力輸出，同時微調剩下正常工作的的電機來微調飛行器的姿態，使其迅速安全著陸。
[0039]3.2、發動機驅動系統出現故障
[0040]本實用新型選用的電機不僅僅用于輔助飛行控制，電機驅動的和發動機是同一套螺旋槳，可以單獨通過螺旋槳系統，提供滿足飛行器正常飛行的動力。
[0041]當發動機驅動系統出現故障時，飛行控制系統可以迅速的切換到全電機驅動，此時飛行器就變為了普通的全電動多旋翼飛行器，依然可以正常的進行控制和飛行。
[0042]本實用新型提供的飛行器的氣動布局基本不受影響，飛行器的姿態控制依然是通過靈敏度高的電機進行主要控制，發動機和電機的動力是合成后輸出給同一套螺旋槳，且這兩套驅動系統的動力分配可由飛行控制系統實時調整，飛行器的兩套驅動系統均可以單獨提供足夠的動力給飛行器飛行。這個特點將賦予本實用新型中的飛行器如下優點:
[0043]1、飛行器續航能力的提高
[0044]本實用新型新增了一套發動機驅動系統為飛行器提供動力，由于發動機功率大，且以液體為燃料，提供足夠多的燃料可以大大延長飛行器續航時間；電機驅動需要配備電池為動力源，現有電池技術下單位電池重量所蘊含的能量(能量密度)遠遠低于液體燃料，因此燃料所能提供給飛行器的續航時間大大超過同樣重量的電池;更有益的是，液體燃料在飛行過程中，隨著消耗，重量會越來越輕，大大降低飛行器的總重量，但電池的重量在飛行過程中，不會產生變化，這個特性，將進一步的提高飛行器的續航時間。
[0045]假設發動機每小時消耗Ikg的汽油，轉換效率只有25%，產生的能量為1.15X 17焦耳，折合3.2千瓦時，而3.2千瓦時在螺旋槳效率為lOg/w的情況下，可以支持32千克重的飛行器懸停I個小時；如果電動飛行器產生3.2千瓦時所需要的電池(22.2v)為140000毫安時，市場上一個4000毫安時的電池重量超過300g，意味著需要重約11公斤左右的電池才能提供同等單位的能量;毫無疑問，本實用新型選用發動機提供主要動力驅動源，將大大延長飛行器的續航時間。
[0046]同時，通過圖2所示的傳動結構，飛行控制系統可以特別的選擇將發動機高功率輸出工作階段的轉矩和電機高效率工作階段的轉矩合成，盡量使得兩套動力系統在飛行器飛行全程中，全部處于最優工作階段，進一步的降低能耗，延長飛行器續航時間。
[0047]本實用新型中的發動機與電機驅動的是同一套螺旋槳系統，不需額外新增其他螺旋槳系統，因此氣動性能和傳統的全電動多旋翼飛行器基本沒有區別，最大程度上減少新增設備對于飛行器的續航時間的不利影響。
[0048]特別的，本實用新型還可以將發動機輸出的動力通過外加發電裝置，部分轉換為電能，給電機直接提供電力或者儲存在電池中，供電機使用，這樣最小化的減少飛行器所需攜帶的電池重量，最大化的延長飛行器續航時間。
[0049]2、飛行器的控制性能的提高
[0050]本實用新型選用的發動機的工作曲線如圖3，電機的工作曲線如圖4。傳動的全電動飛行器正常飛行時，電機轉速非常高，已經處于工作曲線的后半部分，動力輸出效率大大下降，轉矩爆發性輸出能力隨之降低，影響姿態調整的響應速度，同時增大了姿態調整時的電耗。
[0051]如本實用新型的【背景技術】部分中所提到的中國專利公開第CN105035328A號，第CN104943857A號，第CN104760696A號等所提到飛行器，雖然采用響應速度快的電機進行飛行器的控制輔助，但由于飛行器結構明顯冗余，對于氣動性能影響很大，飛行器的整體控制性能必然受到削弱；而中國專利公告第CN204587313U號，公開第CN103359284A號等所提到的飛行器，發動機是用來發電提供電能，依然是全電動輸出動力，同樣使得電機和傳統全電動飛行器一樣處于工作曲線中輸出效率下降的階段，產生的不利影響和普通的全電動飛行器沒有區別，甚至由于重量的大大增加，飛行器的控制性能要弱于普通的全電動飛行器。
[0052]本實用新型中，首先，發動機和電機共用一套螺旋槳系統輸出，飛行器的外形和結構對于整體的氣動性能影響是最小的；其次，飛行器可采用全自動飛行控制系統，通過高性能的計算能力，能實時將飛行器的所需動力精確的分配給發動機和電機，使得發動機和電機全部處于最優工作區間，在這個工況下，飛行器的任何操作，都能得到發動機持續性的高功率輸出和電機持續性的轉矩高效率輸出，尤其是姿態控制時采用的電機驅動系統，處于轉矩最高輸出效率峰值階段，比傳統全電動飛行器的電機反應靈敏度高出數倍，極大的提高了飛行器的控制性能。
[0053]由于飛行器控制性能的提升，本實用新型中的飛行器可以在更惡劣環境中進行工作，可抗更大級別的風力干擾，進一步的拓展了飛行器的使用范疇。
[0054]3、飛行器載重能力的提高
[0055]本實用新型中的飛行器得益于動力總成的優化，飛行器載重能力將有不小的提升，而且通過裝配適當的發動機和電機以及飛行控制系統的協調，對于載重要求比較高的飛行器，依然可以保持較高的可操控性和較長的飛行時間，進一步提高飛行器的使用范疇，有利于飛行器市場的擴大。
[0056]4、飛行器使用成本的下降
[0057]通過上述優點I中的計算結果可得知，對于現有的電動多旋翼飛行器，尤其是大型多旋翼飛行器，一塊電池的使用時間往往只有10-15分鐘，但充電耗時長達幾個小時，為了保持長時間飛行，需要準備數塊電池，這種飛行器專用的電池的成本很高，增加了飛行器的實際使用成本。
[0058]本實用新型采用了使用液體燃料的發動機作為動力源，而液體燃料的能量密度高而成本低，獲取容易，可以保證飛行器有相對較長的續航時間，同時添加液體燃料非常方便，飛行器燃料耗盡后，可隨時隨地的迅速補充燃料，保證飛行器能不間斷的工作，大大降低了飛行器的使用成本，拓寬了飛行器的使用范疇。
[0059]5、飛行器安全性能的提高
[0060]本實用新型中的飛行器，動力冗余較大，無論是電機驅動系統和發動機驅動系統，都能獨立提供足夠的動力，在任何一套系統出現故障的時候，可通過飛行控制系統切換至正常工作的動力系統，最大化的保證飛行器的安全飛行。
[0061]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種混合動力多旋翼飛行器，包括多個螺旋槳以及電機驅動系統，所述電機驅動系統包括多個電機，每個電機驅動相應一個螺旋槳轉動，其特征在于，還包括發動機驅動系統以及傳動機構，所述發動機驅動系統包括發動機且該發動機通過傳動機構與電機的輸出轉矩合成并可用于驅動對應同一個螺旋槳轉動。2.如權利要求1所述的混合動力多旋翼飛行器，其特征在于，所述傳動機構包括太陽輪、齒圈、行星架和行星輪，行星輪設置在行星架上且包圍太陽輪設置，齒圈設置在行星輪外圍，行星輪與太陽輪外嚙合，同時與齒圈內嚙合，太陽輪、齒圈以及行星架三者其中之一與電機聯動，其中第二個與發動機聯動，其中第三個為螺旋槳提供最終動力輸出。3.如權利要求2所述的混合動力多旋翼飛行器，其特征在于，太陽輪與電機聯動，齒圈與發動機聯動，太陽輪和齒圈其中至少一個可帶動中間的行星輪往某一個方向轉動，行星輪所在的行星架為螺旋槳提供最終動力輸出。4.如權利要求1-3任意一項所述的混合動力多旋翼飛行器，其特征在于，還包括飛行控制系統，所述飛行控制系統不僅控制飛行器的正常飛行，亦用于控制電機和發動機的各自占輸出總功率的比例。5.如權利要求1-3任意一項所述的混合動力多旋翼飛行器，其特征在于，還包括發電裝置，所述發動機輸出的動力通過發電裝置部分轉換為電能，所述電能用于儲存于電池中為電機供電或直接為電機供電。
【文檔編號】B64D35/00GK205469813SQ201620177370
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月9日
【發明人】楊小韜
【申請人】楊小韜