一种油电混合动力多旋翼飞行器及其飞行控制方法技术

本发明专利技术提出一种油电混合动力多旋翼飞行器及其飞行控制方法，飞行器包括机身、主动力系统和辅助控制系统；主动力系统包括燃油发动机、传动系统和主升力螺旋桨；两个主升力螺旋桨对称布置在机身两侧，燃油发动机通过传动系统驱动主升力螺旋桨旋转，两个主升力螺旋桨转速一致，旋转方向相反；辅助控制系统包括若干电机驱动的辅助螺旋桨；辅助螺旋桨通过支杆连接机身，且若干辅助螺旋桨对称分布在机身两侧；辅助螺旋桨及驱动电机绕自身安装支杆轴线向机身方向倾转设定角度。本发明专利技术提出的飞行器只增加了一套简单的传动机构，无舵机操纵机构，结构复杂度增加较少，可靠性仍有一定保证，但续航时间及载荷能力大幅提高，极大地提高了多旋翼飞行器的实用性。

Oil electric hybrid multi rotor vehicle and flight control method thereof

The invention proposes a hybrid multi rotor aircraft and its flight control method for aircraft, including the fuselage, driving force system and auxiliary control system; active power system includes a fuel engine, transmission system and the main propeller; two main propeller are arranged in symmetrical on both sides of the fuselage, the fuel engine through the transmission system to drive the main propeller the two main propeller rotation speed, rotating in the opposite direction; the auxiliary control system includes several auxiliary propeller motor drive; auxiliary propeller through a supporting rod connecting the body, and a plurality of auxiliary propellers symmetrically distributed on the sides of the fuselage; around its axis to the direction of the installation supporting rod tilting angle setting auxiliary propeller and drive motor. The aircraft only adds a simple transmission mechanism, no steering control mechanism, increasing the complexity of the structure is less, there is still a certain reliability guarantee, but the life time and load capacity is greatly improved, greatly improves the practicability of multi rotor aircrafts.

【技术实现步骤摘要】
一种油电混合动力多旋翼飞行器及其飞行控制方法
本专利技术涉及航空
，具体为一种油电混合动力多旋翼飞行器及其飞行控制方法。
技术介绍
传统多旋翼飞行器采用多个电机驱动螺旋桨提供飞行所需拉力，在飞控系统的支持下通过飞行器姿态的倾斜进行前后左右飞行，因为没有传统直升机的传动及机械操纵机构，因此具有结构简单、操纵简单、可靠性高等优点。但同时因为采用了电机作为动力源且目前电池的能量密度较低，因此电驱动多轴飞行器的巡航时间很短，一般不超过半小时，从而大大限制了电动多旋翼飞行器的应用。燃油动力多旋翼飞行器一般采用活塞动力，克服了电动多旋翼飞行器续航时间短的缺点，但仍有不足，一种燃油动力多旋翼飞行器是采用多台活塞动力直接驱动螺旋桨，但由于活塞发动机转速调节相比电机迟缓，因此该类型飞行器的飞行操纵和控制难度大，且多台活塞发动机也增加了后期维护成本；另一种是采用单台活塞动力，通过传动系统将动力传输到四周的变距旋翼，虽然增加了续航时间，但增加了传动系统和变距操纵机构，使得整个飞行器系统复杂度增加，可靠性降低，相比传统直升机的优势减弱，失去了多旋翼飞行器结构简单这一最大优点。有一种油电混合多旋翼飞行器采用活塞动力驱动发电机，发电机输出动力驱动四轴的电动机，但由于发电机和电机技术的限制，动力从发动机到四周升力螺旋桨的传输效率较低，一般不超过70％，且发电机和整流器等增加了飞行器的空机重量，从而限制了该类飞行器的载荷能力和续航时间。专利号201520706579.3和201520341172.5分别分布了一种油电混合多旋翼飞行器方案，均采用中心活塞动力直接带动螺旋桨提供主升力，四周的电机驱动螺旋桨提供辅助升力及进行姿态控制，并且均使用扰流片来克服主升力螺旋桨的反扭矩并进行偏航控制，区别在于扰流片的数量及安装位置。专利号201520704292.7和201520524032.1公布了同以上两个专利类似的油电混合多旋翼飞行器方案，不同点在于是通过增加类似于传统直升机的偏航控制尾桨来进行反扭矩和偏航控制。以上四个专利公布的方案中，活塞发动机驱动的螺旋桨均布置在机身中心部位，一方面是增加了机身载荷布置的难度，另一方面是机身对螺旋桨下洗气流具有一定的遮挡，从而降低了主升力螺旋桨的效率；此外，以上方案的偏航控制均采用舵机驱动机械操纵的扰流片或尾桨，也在一定程度上增加了飞行器的结构复杂度。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，提供一种具备较长巡航时间的多旋翼飞行器，本专利技术提出了一种油电混合动力多旋翼飞行器及其飞行控制方法。本专利技术的技术方案为：所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：包括机身、主动力系统和辅助控制系统；所述主动力系统包括燃油发动机、传动系统和主升力螺旋桨；两个主升力螺旋桨对称布置在机身两侧，燃油发动机通过传动系统驱动主升力螺旋桨旋转，两个主升力螺旋桨转速一致，旋转方向相反；所述辅助控制系统包括若干电机驱动的辅助螺旋桨；辅助螺旋桨通过支杆连接机身，且若干辅助螺旋桨对称分布在机身两侧；辅助螺旋桨及驱动电机绕自身安装支杆轴线向机身方向倾转设定角度。进一步的优选方案，所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：所述辅助控制系统包括四个电机驱动的辅助螺旋桨；四个辅助螺旋桨两两对称分布在机身两侧；机身同一侧的两个辅助螺旋桨分布在主升力螺旋桨两侧；对角布置的两个辅助螺旋桨旋转方向相同，一组对角布置的两个辅助螺旋桨旋转方向与另一组对角布置的两个辅助螺旋桨旋转方向相反；机身前部右侧及机身后部左侧的辅助螺旋桨旋转方向为左旋，机身前部左侧及机身后部右侧的辅助螺旋桨旋转方向为右旋。进一步的优选方案，所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：燃油发动机布置在机身后部中心位置；所述传动系统包括联轴器、机身中部的直角换向齿轮箱、传动轴以及桨叶驱动换向齿轮箱；燃油发动机动力输出轴通过联轴器与机身中部的直角换向齿轮箱连接，再通过传动轴与桨叶驱动换向齿轮箱连接。进一步的优选方案，所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：燃油发动机采用单台活塞发动机。所述一种油电混合动力多旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于：起飞过程中，燃油发动机启动带动主升力螺旋桨旋转，起飞时燃油发动机油门加大，主升力螺旋桨转速加大，拉力提高，带动飞行器离地上升；当由上升转为悬停时，燃油发动机油门回收，主升力螺旋桨拉力减小，飞行器上升速度渐变为零，燃油发动机油门及主升力螺旋桨转速固定，通过调节辅助螺旋桨拉力进行悬停稳定控制；在下降过程中，燃油发动机油门回收，主升力螺旋桨拉力减小，飞行器下降，直至飞行器着陆。进一步的优选方案，所述一种油电混合动力多旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于：辅助螺旋桨以一定速度旋转，并在上升过程通过增大或减小辅助螺旋桨转速的方法调节拉力，进行辅助上升速度控制；下降过程中通过增大或减小辅助螺旋桨转速的方法调节拉力，进行辅助下降速度控制。进一步的优选方案，所述一种油电混合动力多旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于：飞行过程中，在进行俯仰姿态控制时，机身前部和后部辅助螺旋桨转速差动变化，形成前后的螺旋桨拉力差，产生相对重心的俯仰力矩，控制飞行器向前或向后倾斜，主螺旋桨和辅助螺旋桨的拉力在倾斜后产生水平方向的前或后向分力，实现飞行器前或后向移动飞行；在进行滚转姿态控制时，机身左侧和右侧辅助螺旋桨转速差动变化，形成左右的螺旋桨拉力差，产生相对重心的滚转力矩，控制飞行器向左或向右倾斜，主螺旋桨和辅助螺旋桨的拉力在倾斜后产生水平方向的左或右向分力，实现飞行器左或右向移动飞行；在进行偏航控制时，当需要进行机头向左的偏航时，控制机身前部右侧及机身后部左侧的辅助螺旋桨拉力增大，机身前部左侧及机身后部右侧的辅助螺旋桨拉力减小，四个辅助螺旋桨的总垂直拉力不变，辅助螺旋桨水平拉力分量差别形成总的左偏航力矩，带动飞行器向左偏航；当需要进行机头向右的偏航时，控制机身前部右侧及机身后部左侧的辅助螺旋桨拉力减小，机身前部左侧及机身后部右侧的辅助螺旋桨拉力增大，四个辅助螺旋桨的总垂直拉力不变，辅助螺旋桨水平拉力分量差别形成总的右偏航力矩，带动飞行器向右偏航。有益效果本专利技术提出的一种油电混合动力多旋翼飞行器采用活塞动力驱动两侧对称反转的主升力螺旋桨提供飞行所需的主要拉力，采用四周电驱动辅助螺旋桨进行姿态控制，由于活塞发动机耗油率低且辅助螺旋桨耗电量小，在携带一定容量电池后，飞行器续航时间显著增加，预计可达纯电动多旋翼飞行器续航时间的两倍以上。同时主升力螺旋桨转速相同、转向相反，扭矩相互抵消，无需扰流片、尾桨等反扭矩装置。相比与纯电动多旋翼飞行器，本专利技术提出的飞行器只增加了一套简单的传动机构，无舵机操纵机构，结构复杂度增加较少，可靠性仍有一定保证，但续航时间及载荷能力大幅提高，极大地提高了多旋翼飞行器的实用性。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1：本专利技术结构立体图；图2：本专利技术结构立体俯视图；图3：本专利技术结构立体前视图；图4：本专利技术结构立体侧视图；其中：1、活塞发动机；2、机身侧板；3、辅助螺旋桨；4、驱动电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：包括机身、主动力系统和辅助控制系统；所述主动力系统包括燃油发动机、传动系统和主升力螺旋桨；两个主升力螺旋桨对称布置在机身两侧，燃油发动机通过传动系统驱动主升力螺旋桨旋转，两个主升力螺旋桨转速一致，旋转方向相反；所述辅助控制系统包括若干电机驱动的辅助螺旋桨；辅助螺旋桨通过支杆连接机身，且若干辅助螺旋桨对称分布在机身两侧；辅助螺旋桨及驱动电机绕自身安装支杆轴线向机身方向倾转设定角度。

【技术特征摘要】
1.一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：包括机身、主动力系统和辅助控制系统；所述主动力系统包括燃油发动机、传动系统和主升力螺旋桨；两个主升力螺旋桨对称布置在机身两侧，燃油发动机通过传动系统驱动主升力螺旋桨旋转，两个主升力螺旋桨转速一致，旋转方向相反；所述辅助控制系统包括若干电机驱动的辅助螺旋桨；辅助螺旋桨通过支杆连接机身，且若干辅助螺旋桨对称分布在机身两侧；辅助螺旋桨及驱动电机绕自身安装支杆轴线向机身方向倾转设定角度。2.根据权利要求1所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：所述辅助控制系统包括四个电机驱动的辅助螺旋桨；四个辅助螺旋桨两两对称分布在机身两侧；机身同一侧的两个辅助螺旋桨分布在主升力螺旋桨两侧；对角布置的两个辅助螺旋桨旋转方向相同，一组对角布置的两个辅助螺旋桨旋转方向与另一组对角布置的两个辅助螺旋桨旋转方向相反；机身前部右侧及机身后部左侧的辅助螺旋桨旋转方向为左旋，机身前部左侧及机身后部右侧的辅助螺旋桨旋转方向为右旋。3.根据权利要求1或2所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：燃油发动机布置在机身后部中心位置；所述传动系统包括联轴器、机身中部的直角换向齿轮箱、传动轴以及桨叶驱动换向齿轮箱；燃油发动机动力输出轴通过联轴器与机身中部的直角换向齿轮箱连接，再通过传动轴与桨叶驱动换向齿轮箱连接。4.根据权利要求3所述一种油电混合动力多旋翼飞行器，其特征在于：燃油发动机采用单台活塞发动机。5.一种油电混合动力多旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于：起飞过程中，燃油发动机启动带动主升力螺旋桨旋转，起飞时燃油发动机油门加大，主升力螺旋桨转速加大，拉力提高，带动飞行器离地上升；当由上升转为悬停时，燃油发动机油门回收，主升力螺旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓阳平，田力，高正红，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61