專利名稱：多旋翼無人飛行器系留系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及系留系統技術領域，尤其涉及一種多旋翼無人飛行器系留系統。
背景技術：
氣球、飛艇和涵道式飛行器等無人飛行器具有垂直起降和穩定懸停的特點，在偵查、通信及航拍等領域作為系留平臺被廣泛應用。系留氣球或系留飛艇雖然可以在空中長時間滯留，但其體積很大，且填充氣體昂貴，維護成本高。而涵道飛行器必須使用多條系纜，成本高、架設開通復雜，且需要較大的架設場地；多條系纜系留飛行時，機身水平朝向是固定的，無法根據任務的實際需求靈活旋轉水平朝向，除非將飛行器降下后，將各個方向的系纜同時移動到另一水平角度后重新升起，操作十分麻煩；并且必須考慮整個飛行器的平衡配重，否則會影響飛行器的穩定性，對系統的實際應用提出了許多限制；由于涵道飛行器的自穩定能力有限，因此對伺服系統的自動控制能力要求很高。可見，目前系留平臺在經濟性、穩定性、架設方便性、任務載荷承載的方便性和實用性、使用的靈活性等方面存在缺陷。
發明內容
基于此，本發明提供了一種多旋翼無人飛行器系留系統。一種多旋翼無人飛行器系留系統，包括作為系留平臺的多旋翼無人飛行器、系纜和地面裝置，所述系纜連接所述多旋翼無人飛行器和所述地面裝置；所述多旋翼無人飛行器包括系留電源裝置，所述系纜包括輸電線纜，所述地面裝置包括地面供電裝置，所述系留電源裝置通過所述系纜中的輸電線纜連接所述地面供電裝置。與一般技術相比，本發明多旋翼無人飛行器系留系統具有結構簡單、可靠性高、懸停穩定、使用方便和成本低廉等特點，將系留方式應用于多旋翼無人飛行器上，解決了系留平臺在穩定性、架設方便性、使用靈活性和使用成本等方面普遍存在的問題。通過系纜中的輸電線纜使得地面電源連續向系留平臺供電，極大地延長了飛行器的滯空時間。
圖1是本發明多旋翼無人飛行器系留系統的結構示意圖；圖2是本發明系留供電系統結構示意圖；圖3是本發明光電綜合系纜的結構示意圖；圖4是本發明系留通信系統結構示意圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發明所采取的技術手段及取得的效果，下面結合附圖及較佳實施例，對本發明的技術方案，進行清楚和完整的描述。請參閱圖1，為本發明多旋翼無人飛行器系留系統的結構示意圖。本發明多旋翼無人飛行器系留系統，包括作為系留平臺的多旋翼無人飛行器、系纜和地面裝置，所述系纜連接所述多旋翼無人飛行器和所述地面裝置；所述多旋翼無人飛行器包括系留電源裝置，所述系纜包括輸電線纜，所述地面裝置包括地面供電裝置，所述系留電源裝置通過所述系纜中的輸電線纜連接所述地面供電裝置。作為其中一個實施例，所述輸電線纜由包含在所述系纜中的兩條導線組成，兩條導線的兩端分別與所述系留電源裝置和所述地面供電裝置連接。作為其中一個實施例，所述地面供電裝置包括依次連接的橋式整流電路、boost升壓電路和第一濾波電路，所述橋式整流電路連接所述地面供電裝置的交流輸入端，所述第一濾波電路連接所述輸電線纜；作為其中一個實施例，所述系留電源裝置包括相互連接的降壓/穩壓電路和第二濾波電路，所述降壓/穩壓電路連接所述輸電線纜，所述第二濾波電路連接所述系留電源裝置的直流輸出端。系留供電系統的功能是實現地面電源通過系纜向飛行器及飛行器上所搭載任務載荷提供電能。請參閱圖2，為系留供電系統結構示意圖，系留供電系統包括地面供電裝置、系纜及搭載在飛行器上的系留電源裝置。以四旋翼無人飛行器為例，四旋翼無人飛`行器的動力完全來源于四個直流電機帶動螺旋槳轉動所產生的風壓。目前最大起飛重量在6公斤左右的四旋翼無人飛行器，其四個直流電機所需的總平均供電功率約700W，總峰值功率可達到1000W以上。如果通過系纜直接輸送25V直流電源到飛行器，則平均電流為28A，峰值電流可達56A。顯然可輸送如此大的電流的導線很粗，單位長度重量很大，導線長度增加引起的線損也非常嚴重，根本不適合小型無人機系留使用。為了在上百米的輕型系纜中實現大功率供電傳輸，必須提高供電電壓，降低供電電流。在系留供電系統的地面供電裝置中設計了升壓電路，將外部提供的220V交流電源利用功率因子校正模塊(PFC)中的橋式整流和boost升壓電路變換為360V的高壓直流，經濾波后輸入到輕型光電綜合系纜的導線中。光電綜合系纜使用兩條截面約0.2平方毫米的導線即可持續傳輸3A (峰值6A)的電流。在飛行器上搭載的電源變換模塊將高壓直流降壓并穩壓輸出，經濾波后與備用電池并接輸出，提供飛行器和任務載荷所需的25V直流電源。地面供電部分中功率因子校正模塊可采用通用PFC電源模塊，效率為94%，360V直流最大輸出電流為6A (輸出功率2160W)。作為其中一個實施例，所述系纜為一根光電綜合系纜，所述光電綜合系纜包括纜芯和護套，所述護套包裹在所述纜芯外層，所述纜芯由2根導體電線、2根光纖和芳綸絞合。請參閱圖3，為光電綜合系纜的結構示意圖。光電綜合系纜可由2根導體截面
0.2 0.4mm2電線、2根B1.1單模緊包光纖和芳綸絞合而成，纜芯外松包聚乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯護套。系纜可承受100N拉力，導體直流電阻不大于0.094 Ω/m，絕緣線芯間耐壓1000V，重量約llg/m。作為其中一個實施例，所述系留電源裝置還包括備用電池，所述備用電池以與所述系留電源裝置的直流輸出端并聯的方式連接所述第二濾波電路。以四旋翼無人飛行器為例，電源變換模塊代替了原自由飛行四旋翼無人飛行器的電池部分，其中的降壓/穩壓電路可采用兩塊通用的800W大功率DC/DC穩壓模塊并聯使用，總功率1600W，效率可達90%以上，輸入電壓適應范圍為200V 400V。在機載電源變換模塊中還保留一個小容量的鋰電池，用于地面供電發生意外中斷或系留供電系統出現故障時給飛行器提供電能，保證飛行器有足夠的時間安全降落回地面。同時，并接于電源變換模塊輸出端的備用電池還具有大容量儲能電容器的相同作用，可以在飛行器起降、姿態大幅調整過程中提供極高的瞬間輸出功率，可達1000W以上。正常工作時，系留供電系統利用地面提供的電能為備用電池充電，保持電池處于滿容量狀態。由于飛行器從300米高度返回地面所需時間不大于10分鐘，所以備用電池的容量僅有原自由飛行四旋翼無人飛行器攜帶電池容量的三分之一左右，重量約600g。整個電源變換模塊連同附著有100W散熱片的結構外殼總重量不大于1.2kg。若按飛行器正常滯空飛行所需的平均功率為700W，任務載荷功耗按50W計算，機載電源變換模塊平均輸出功率為750W，按轉換效率90%可得機載電源變換模塊輸入功率為833W ;由電源變換模塊最低輸入電壓200V，可得最大輸入電流為4.165A ;根據系纜單條導線電阻率0.094 Ω /m,及地面供電輸出電壓360V，可算出供電系統允許的最大系纜長度為(360V-200V) + (0.094Ω/πιΧ4.165AX2)=204.3m。假設原自由飛行四旋翼飛行器搭載重約1.8kg的鋰電池后有效載荷2.5kg，將
1.8kg電池改為1.2kg電源變換模塊后，有效載荷可增加到3.1kgo有效載荷包括任務載荷重量以及從飛行器到地面所用系纜重量。若系纜單位長度重量為llg/m可得出不同任務載荷重量條件下的可搭載系纜長度，最大滯留高度如表I。表I不同任務載荷重量條件下的最大滯留高度
權利要求
1.一種多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，包括作為系留平臺的多旋翼無人飛行器、系纜和地面裝置，所述系纜連接所述多旋翼無人飛行器和所述地面裝置；所述多旋翼無人飛行器包括系留電源裝置，所述系纜包括輸電線纜，所述地面裝置包括地面供電裝置，所述系留電源裝置通過所述系纜中的輸電線纜連接所述地面供電裝置。
2.根據權利要求1所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述多旋翼無人飛行器還包括系留通信裝置，所述系纜還包括通信線纜，所述地面裝置還包括地面通信裝置，所述系留通信裝置通過所述系纜中的通信線纜連接所述地面通信裝置。
3.根據權利要求1所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述輸電線纜由包含在所述系纜中的兩條導線組成，兩條導線的兩端分別與所述系留電源裝置和所述地面供電裝置連接。
4.根據權利要求2所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述通信線纜由包含在所述系纜中的兩條光纖組成，所述兩條光纖的兩端分別與所述系留通信裝置和所述地面通信裝置連接。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述系纜為一根光電綜合系纜，所述光電綜合系纜包括纜芯和護套，所述護套包裹在所述纜芯外層，所述纜芯由2根導體電線、2根光纖和芳綸絞合而成。
6.根據權利要求1所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述多旋翼無人飛行器的旋翼數量為四旋翼、六旋翼、八旋翼或者十六旋翼。
7.根據權利要求1所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述地面供電裝置包括依次連接的橋式整流電路、boost升壓電路和第一濾波電路，所述橋式整流電路連接所述地面供電裝置的交流輸入端，所述第一濾波電路連接所述輸電線纜； 所述系留電源裝置包括相互連接的降壓/穩壓電路和第二濾波電路，所述降壓/穩壓電路連接所述輸電線纜，所述第二濾波電路連接所述系留電源裝置的直流輸出端。
8.根據權利要求7所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述系留電源裝置還包括備用電池，所述備用電池以與所述系留電源裝置的直流輸出端并聯的方式連接所述第二濾波電路。
9.根據權利要求4所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述地面通信裝置包括第一光電轉換裝置，所述系留通信裝置包括第二光電轉換裝置，兩條光纖的兩端分別與所述第一光電轉換裝置和所述第二光電轉換裝置連接。
10.根據權利要求9所述的多旋翼無人飛行器系留系統，其特征在于，所述第一光電轉換裝置和所述第二光電轉換裝置為以太網光纖收發器或者光纖承載射頻收發模塊。
全文摘要
本發明公開了一種多旋翼無人飛行器系留系統，包括作為系留平臺的多旋翼無人飛行器、系纜和地面裝置，所述系纜連接所述多旋翼無人飛行器和所述地面裝置；所述多旋翼無人飛行器包括系留電源裝置，所述系纜包括輸電線纜，所述地面裝置包括地面供電裝置，所述系留電源裝置通過所述系纜中的輸電線纜連接所述地面供電裝置。本發明多旋翼無人飛行器系留系統具有結構簡單、可靠性高、懸停穩定、使用方便和成本低廉等特點，將系留方式應用于多旋翼無人飛行器上，解決了系留平臺在穩定性、架設方便性、使用靈活性和使用成本等方面普遍存在的問題。并且，通過系纜中的輸電線纜使得地面電源連續向系留平臺供電，實現飛行器長時間滯空飛行。
文檔編號B64F1/36GK103144779SQ201210510858
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者付松源, 彭革新, 楊濤, 程曉潔, 武廣友 申請人:中國電子科技集團公司第七研究所