一種多旋翼機長航時飛行的設計方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多旋翼機應用太陽能電源供電的設計方法及系統，屬于新能源和航空技術領域。
【背景技術】
[0002]無人機是指可重復使用的無人駕駛飛行器，它有相應的航電系統、傳感器系統、通信系統、飛行控制系統等，具有自主飛行和獨立完成某項任務的功能，也有人稱之為空中機器人。相對于有人駕駛飛行器，無人機具有造價低廉，適用于多種復雜任務環境、可降低人員傷亡等優點。英國早在1917年就研制成功了世界上第一架無人機，到20世紀80年代左右，無人機的發展逐漸得到重視，目前，世界上很多國家都展開了無人機的研究和制造。
[0003]旋翼式無人機是無人機的一個主要分類，依靠一個或者多個旋翼提供機體的升力和動力。隨著無人機在各個領域中的深入發展，旋翼式無人機以其獨特的空中懸停能力、較固定翼式無人機更優良的低空低速特性、對起降場地的低要求、極佳的機動靈活性以及高可靠性得到了越來越多的青睞，被廣泛運用于軍民各個行業。
[0004]無人機的續航對無人機的應用影響非常大，無人機在飛行中會直接受到光照，太陽能是環保能源，無人機在飛行中可通過太陽能進行充電，目前被越來越多的用于無人機領域，而現在常見的由三個及多個電動螺旋槳升力的組合控制飛行的電動多軸旋翼機(簡稱多旋翼機)在使用上存在電池的持續供電能力弱，飛行續航時間較短的缺點，僅靠解決電池技術實現多旋翼機較長時間飛行續航的需求在近幾年里較難取得進展。
[0005]旋翼式無人機通常機體中部為一個球形體，可以考慮將球形體表面設置太陽能集能板從而利用太陽能進行供電，但由于球面的采光面積受限制，且不容易擴展面積因而原理上采能受限很大，而且太陽能電池基本材料硅片絕大多數是平面材料，特制球面的不宜推廣。另外，多旋翼機的飛行速度慢，對太陽能板面積擴大不敏感，利用其低速特點安裝面積較大的平面采光面板更具實用性。
[0006]因此，如何實現多旋翼無人機的長航時飛行是目前需要解決的一個重要技術問題。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種多旋翼機應用太陽能電源供電的設計方法及系統，以解決多旋翼無人機較長時間飛行續航的問題。
[0008]本發明的技術方案如下:
首先，本發明提出了一種多旋翼機長航時飛行的設計方法，它至少包括如下A、B、C三種方案之一或者A方案與B方案的結合或者A方案與C方案的結合:
A方案:通過多旋翼機上自帶的太陽能電池板向多旋翼機上的蓄電池充電以實現多旋翼機的長航時飛行；
B方案:多旋翼機定點飛行時，多旋翼機采用供電電纜與地面的或汽車上的太陽能電池，汽車發電機，或引入市電組成的電源管理系統連接以實現對多旋翼機供電，電源管理系統可通過地面太陽能電源板或市電對其蓄電池進行充電再連接到供電電纜；
C方案:多旋翼機移動飛行時，多旋翼機采用供電電纜與地面的汽車上的電源管理系統連接以實現對多旋翼機供電，電源管理系統可以配置蓄電池，通過車載太陽能電源對其蓄電池進行充電再連接到供電電纜。
[0009]其中，在A方案中，多旋翼機自帶的太陽能電池板及其支撐結構安裝在多旋翼機的電動機軸臂延長結構上，可以拆卸，太陽能電池板的設計使多旋翼機的螺旋槳氣流順利向下流通，太陽能電池板設計變結構的減小風阻的機構，以及調節板面結構形式的機構。
[0010]B方案和C方案中，汽車在行駛過程中，通過導航信息讓移動飛行的多旋翼機獲得汽車的實時位置，引導和控制移動飛行的多旋翼機跟隨汽車移動，保持相互的位置和距離從而獲得持續的供電。供電電纜通過安裝在汽車上的電纜收放裝置實現電纜長度的調節，對電纜收放長度的控制采用電動和手動結合的兩種方式；手動方式可用在斷電或其他特殊情況；電動調節方式設計為通電狀態處于放線的松弛狀態，電纜收放裝置自動記錄放線長度，電纜收放裝置根據其自動測量數據或與導航信息結合實現對放線長度的收線和放線的控制。
[0011]在以上各方案中，還可以在多旋翼機上與通常配置的遙測遙控與信息傳輸鏈路并聯加裝4G/LTE (含LTE-A)通訊設備，將任務載荷或探測傳感器的數據在機上記錄或下傳給指定的接收設備，指定的地面或移動平臺上的接收設備可以多臺同時接收下傳的信息。
[0012]基于上述方法，本發明的一種多旋翼機長航時飛行控制系統是這樣的:它包括設有蓄電池和充電器的多旋翼機，該多旋翼機設有太陽能供電系統；所述太陽能供電系統為下面任意一種:
第一種是:太陽能供電系統包括設置在多旋翼機上的太陽能電池板，該太陽能電池板向多旋翼機上的蓄電池充電；
第二種是:太陽能供電系統包括設置在地面汽車上的電源管理系統，電源管理系統通過地面太陽能電源板，汽車發電機或市電進行供電，電源管理系統通過供電電纜向多旋翼機的蓄電池充電，或直接連接多旋翼機的用電設備進行供電；其主要用于多旋翼機定點飛行的情形；
第三種是:太陽能供電系統包括設置設置在地面汽車上的電源管理系統，電源管理系統通過車載太陽能電源或汽車發電機進行供電，電源管理系統通過供電電纜向多旋翼機的蓄電池充電，或直接連接多旋翼機的用電設備進行供電；其主要用于多旋翼機移動飛行的情形。
[0013]其中，太陽能電池板安裝在多旋翼機的電動機軸臂延長結構，可以拆卸，太陽能電池板為同心圓環板狀結構。也就是說，太陽能電池及其支撐結構可以從多旋翼機上拆卸，太陽能電池板面的設計，能夠保證多旋翼機的螺旋槳氣流順利向下流通，太陽能電池板面可以設計分塊式縫隙間隔的或變結構的減小風阻的機構，以及調節板面結構形式的機構。因此，優選的的太陽能電池板面形狀是同心圓環。因為一般的多旋翼機結構都采用復合材料，因此，太陽能電池板及其支撐架構也采用復合材料及輕質結構材料。
[0014]設置在地面或汽車上的電源管理系統包括蓄電池、充電器及電源管理器。供電電纜在輸出和懸掛的兩端應設置可靠的緊固設計，供電電纜的強度可根據抗風要求選擇。
[0015]車載太陽能電源可折疊地安裝在汽車上，車載太陽能電源的供電可以與其他地面電源進行混合電源供電，由電源管理器進行管理，并由車載的充電器經過供電電纜向多旋翼機上的蓄電池進行供電，其中，車輛的發電機供電，以及便攜蓄電池供電是比較容易獲得的可移動電源，并可與車載的太陽能電池構成混合供電電源。電源管理器可以與充電器一體化設計。
[0016]連接到多旋翼機用電設備的供電電纜設計兩個安裝點，一個安裝點與多旋翼機上的用電設備的結構連接，另一個安裝點則應該根據多旋翼機的結構尺寸將安裝點設計在多旋翼機起降支架上或專門設計的固定架上，保持與云臺運動結構的適當距離并使對多旋翼機的重心的力矩盡量小，這個安裝點作為承受風力或牽引力的承力緊固點，可讓觀測載荷的云臺作180度左右或360度左右旋轉而不被供電電纜纏繞或遮擋，即使遮擋也可以通過多旋翼機自己的航向適當旋轉得以避開。
[0017]本發明的實現多旋翼機長航時飛行的設計方法及系統，技術成熟，實現的成本較低，適合與現有的多旋翼機改進并結合應用。原則上可以實現三種方式的長航時飛行，即:可以實現多旋翼機持續晝夜定點飛行，可以實現多旋翼機與地面車輛協同，以較低速度的移動供電并進行較長時間的飛行，還可以實現小風天氣多旋翼機自帶太陽能電池較長時間飛行。
[0018]與目前多旋翼機飛行時間普遍只有I小時以內的能力相比，本發明可實現的長航時飛行時間將提高到定點晝夜長航時飛行、自帶太陽能電池陽光天白天可達6小時飛行的能力提升。至于地面供電方式涉及的供電電纜抗風問題，全年3/4以上大多數天氣可以穩定飛行，少數天氣會有影響，一是小功率的多旋翼機受到大風天使用的限制，二是大功率的多旋翼機可以不受大風天使用的限制。因此，對于需要持續長航時飛行的多旋翼機，可以選用較大功率的多旋翼機解決抗風問題，滿足大風天使用的需求。特別是混合電源供電的方案，可以保證復雜天氣和夜間對多旋翼機供電，滿足晝夜長航時飛行的需求。
[0019]本發明的給多旋翼機供電的長航時飛行設計方法及系統，是以多旋翼機系統的設計方法及系統為基礎，增加的供電設計不會帶來新的技術難點和原理改變。
[0020]針對長航時飛行的用途，可以給出若干舉例。按照應用領域，包括民用、軍用等領域，如城市和高速交通、集