[發明專利]一種電動系留多旋翼冗余動力系統結構和控制方法

在審

• 申請號: 201710635246.X
• 申請日: 2017-07-30
• 公開（公告）號: CN107219757A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 吳述梗
• 申請（專利權）人: 吳述梗
• 主分類號: G05B9/03
• 分類號: G05B9/03;B64C27/14;H02P6/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬電動多旋翼無人機技術領域，特別是涉及一種電動系留多旋翼冗余動力系統結構和控制方法。

背景技術

電動力多旋翼無人機的動力系統目前基本都采用無傳感器無刷直流電機直接驅動旋翼，具有結構簡單重量輕成本低等眾多優點，但另一方面，因為此類無刷電機轉速非常高，又是直接風冷散熱，軸承溫度高磨損快，繞組絕緣老化也不容忽視，造成電機使用壽命較短，并且很容易發生在空中飛行中的突然失效，另外其電子換向控制器即電調也是在實際使用中經常發生突然失效故障的部件，旋翼也經常發生在飛行中由于疲勞或外界撞擊突然斷裂的事故，據統計這三類偶發故障造成的墜機事故占全部墜機事故原因的70%以上。特別是針對長時間不間斷飛行的系留多旋翼，因為其連續空中飛行時間一般為幾十甚至幾百小時，相比動力系統的平均無故障時間來說已經不是很小了，因此這種常規動力系統在系留多旋翼實際應用中有必要進行冗余設計。

針對上述問題，目前一般采用六旋翼以上的多旋翼設計，使用自動駕駛儀直接控制每一個電機的電調，按自駕內的冗余算法，在檢測到某個電機或旋翼失效后進行整個飛行器控制算法的重構。這種方法雖然能夠實現一定程度上的動力冗余設計，提高飛行器的安全系數，但控制相對較復雜，需要自駕算法上的支持，而一般的非專用自駕支持這類算法的并不多，而且對于超長飛行時間的系留多旋翼也很難做到主動控制一些電機輪班休息以降低電機磨損和發熱。

發明內容

針對背景技術中的不足和問題，本發明公開了一種電動系留多旋翼冗余動力系統結構和控制方法。

本發明采用每個機臂上都安裝兩套旋翼、電機和電調的方法，實現動力系統的真正雙余度冗余，這兩套動力系統工作時旋翼旋轉方向一致，因此反扭力矩的方向也一致，它們在多旋翼中產生的升力和反扭力矩可以相互替代冗余備份，但與傳統技術不同的創新點是，這兩套動力系統的故障檢測和切換是由獨立的冗余控制器自動完成，可以對自駕控制來說完全透明；同時這冗余控制器還有一個模式選擇PWM輸入信號線，可以實現這兩套動力系統同時以不同的功率工作而總體效果上與其中一個單獨工作相同，而兩套動力系統所分配的功率比例是可以通過遙控接收機或自駕提供一路PWM信號，接入模式選擇PWM輸入信號線進行控制。這樣，本發明不但實現了不用專用自駕就可以實現故障時動力系統的自動冗余切換，也可以通過地面遙控器手動切換使用哪套動力系統或兩套動力系統各以多大的功率比例運行，從而實現用遙控器主動控制一些電機輪班休息以降低電機磨損和發熱，也可以將冗余控制器切換到自動輪班模式，讓其自動定時控制兩套動力系統按一定時間周期輪流工作，而這種切換和切換中的過渡過程對自駕來說是完全透明的；當然，模式選擇PWM輸入信號線也可以與自駕的一路任務控制輸出連接，從而用地面站對動力冗余模式進行控制，或自駕內部擴展一些算法完成對動力冗余更高一層次的調控。

下面詳細說明本發明的系統結構和控制方法：

附圖說明：

圖1為所述電動系留多旋翼冗余動力系統結構示意圖，其中圖1中各標號所對應部件說明如下：

101第一螺旋槳；102第一電機；103第一電機驅動電纜；

104第一電調；105第一供電輸出電纜；106第一PWM輸出信號線；

201第二螺旋槳；202第二電機；203第二電機驅動電纜；

204第二電調；205第二供電輸出電纜；206第二PWM輸出信號線；

300冗余控制器；301微處理器電路；302板載電源；

303第一電流傳感器；304第二電流傳感器；305供電輸入電纜；

306動力控制PWM輸入信號線；

307模式選擇PWM輸入信號線；

308故障報警輸出信號線。

圖2為第一種實施方案的電機和槳安裝示意圖，其中圖2中各標號所對應部件說明如下：

101第一螺旋槳； 102第一電機；201第二螺旋槳；

202第二電機； 100單桿機臂。

圖3為第二種實施方案的電機和槳安裝示意圖，其中圖3中各標號所對應部件說明如下：

101第一螺旋槳； 102第一電機；201第二螺旋槳；

202第二電機； 200雙桿機臂。

下面對照附圖詳述電動多旋翼冗余動力及控制系統的組成和各部件間連接關系：

下邊所述的電纜，是指供電或驅動用的一束導線，電機驅動線是三根導線，而電源電纜是包括供電線和地兩根導線；

下邊所述的信號線，也是指傳遞所述信號的導線和相應的參考地導線的兩根導線；