无人机油电混合动力系统的设计实现

2024年1月14日发(作者：长城m2严重缺陷)

ELECTRONICS WORLD?技术交流油电混合动力系统是指油动和电动通过某种方式组合在一起并发挥某种优势性能的复合动力系统。此系统的设计实现可以改善原有的无人机动力来源单一的现状，因而能够大大提高无人机的续航时间，进而满足实际工作中长时间工作情况的需要，具有重要的现实意义。本项目所采用串联式混合动力方案对以往研究进行了改善，使各部分充分无发挥作用，从而优化效果，实现提高航人时的目的。机1.引言油随着经济的发展和科技的进步，电无人飞行器不仅在军事领域发挥着重混要的作用，其运用也在民用领域方兴未合艾。无人飞行器,又称“无人机”,英文动全称“Unmanned Aerial Vehicle”,简称“UAV”（甄云卉，路平，无人机相关技中力术与发展趋势：兵工自动化，2009）。国系民无人机的基本要求是：安全、稳定、长用统航时、易操作、结构简单等。当前无人航的机技术可基本实现稳定安全飞行，但长空设航时的要求难以满足。军用高空长航时飞行计无人机由于起飞重量大、成本局限小等学实特征，可以采用涡扇发动机、涡轮—活院现塞组合发动机等动力达到长航时的目

的。近年来，“挑战者”和“探路者”高志等高空长航时飞验证了采用太阳能和液强氢燃料电池提供动力的方式是可行的，

在未来，电池驱动是高空长航时无人机肖动力的不二之选（杨志，高空长航时无阳

人机及其动力系统发展研究：中国航空学会，2016（第六届）中国国际无人驾驶航空器系统大会论文集：中国航空学会:中国航空学会，2016）。然而，上述动力系统对于起飞重量小，成本低的民用无人机是难以使用的。民用无人机航时的提高，是亟待解决的问题。2.相关研究多旋翼无人机由于结构简单、稳定性好等特点占据了民用无人机的主流。但当前市场上绝大多数消费级电动无人机由于多种限制导致航时不超过30分钟。当前主流航拍多旋翼无人机如司马X5C的续航时间10分钟、大疆Phantom 3 Standard续航时间25分钟，其价格达到了4千元至6千元。无人机的续航时间主要取决于电池的能量密度。而近年来此方面相关技术发展陷入瓶颈。因此，采用混合动力提高续航时间变得十分必要。艾特航空科技股份有限公司研制的“AT-1290”油电混合动力工业级多旋翼无人机以燃油发动机驱动共轴双主桨提供升力，以电机驱动辅助旋翼用于操控，续航时间达到了2小时（/uav-news/201511/27/）。其问题是单缸燃油发动机的可靠性较低。盛世特种飞行器有限公司的王信忠等人设计的油电混合动力多旋翼无人机，其动力系统各部分运行模式与“AT-1290”类似（王信忠，?

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?李远伟，宋海龙，油电混合动力五旋翼无人飞行器：中国，2.0[P].2015-9-30）。此设计存在奇数旋翼的自扭转的缺陷。宗剑（2017）通过仿真设计的油电混合动力多旋翼无人机，在动力系统中加入发电机，即燃油发动机同时驱动主螺旋桨和发电机，提供升力并为锂电池充电（宗剑，油电混合动力多旋翼飞行器设计与研究：南昌航空大学，2017）。若燃油发动机停车，则利用辅助旋翼提供升力，提高了航时与安全性。然而燃油发动机的效率较为低下。2016年，陈萌获得串联式油电混合动力无人机的专利，动力系统中燃油发动机只驱动发电机为电池充电，用电能驱动旋翼（陈萌，一种串联式油电混合动力无人飞行器：湖南，CN105711826A,2016-06-29）。此设计避免了以上的问题，但未经理论设计和数据计算，因此逻辑性不足。以往研究中所采用的油电混合动力系统大致可分为三类，如表2所示：表2 三种油电混合动力系统方式简述特点优缺点研究者发动机只为发电机提充分利用电机高串供机械能，为动力电简单高效，效率，结构较为联池充电。电机驱动旋体积小，稳简单，重量轻。陈萌式翼提供升力并控制飞定。设计繁琐，负载行。低。并燃油发动机驱动主螺易于设计结构简联旋桨提供升力。电池可靠性低，单。“AT-1290”，式驱动辅助旋翼控制飞体积大，结可靠性低。旋翼大行。没有发电机。构复杂。于四个，性能降王信忠等低，自扭转问题。人发动机驱动发电机发混电，同时驱动主螺旋可靠性较可靠性较高，可联桨产生升力。发电机高，结构复负载高。结构复式为电池充电使电机转杂，体积较杂，旋翼数量宗剑动驱动辅助旋翼，控大。多，性能降低，制飞行。自扭转问题。针对以往研究的不足，本研究设计一种串联式油电混合动力系统。通过理论设计、实验获取数据并计算从而达到提高航时的目的。3.理论设计动力系统可以是无人机的“心脏”（赵保国，谢巧，梁一林，蔡森丹，白晶玉，无人机电源现状及发展趋势：飞航导弹，2017）。其主要由动力源、动力电机、速调系统三部分组成（石磊，电动无人机的动力系统构成：电子技术与软件工程，2017）。而动力电机和调速系统是根据动力源的性能参数而确定的，因此无人机动力系统的设计主要是动力源的设计。动力源包括以下几个部分：3.1 发动机民用多旋翼无人机因其重量较小，多采用单缸2冲程汽油发动机。本研究选用NITROXRC A048汽油发动机，参数如下：缸径15.5mm行程12.5mm3000—17000rpm尺寸9.5*4.5*8cm200g拉力2.2kg。3.2 发电机直流电机具有机械能与电能相互转换的特性，而有刷电机的成本较低，其性能也满足要求。因此采用有刷直流电动机作为发电机，所选用型号为奥隆RF-370CA，其参数如下：额定电压24V电流1A 转速3800rpm重量100g。3.3 动力电池当前动力电池主要有镉镍电池、锌银电池、锂电子电

ELECTRONICS WORLD?技术交流池、燃料电池等，其中前两种为传统电源，比能量低、维护不便；燃料电池为新兴能源，比能量高、但技术不成熟；当前无人机主流电源为锂电子电池，其具有比能量高等优点。此系统选用锂电子动力电池松下NCR18650PF，电压3.7v内阻25mΩ以内，容量2900mA质量47克放电电流10A。3.4 稳压模块由于发电机输出电压不稳定，本设计加入了可调压直流稳压电源模块，使得输出稳定的直流电。该模块采用XL4015开关降压型DC-DC转换芯片，固定开关频率180KHz,方便EMC设计。芯片具有出色的线性调整率与负载调整率，输出电压支持1.25V-32V间任意调节。芯片内部集成过流保护、过温保护、短路保护等可靠性模块。油发动机所带油箱容积为75毫升，燃料为汽油与二冲程机油按5：1比例混合，动力源总重为1.12Kg，经实验得出，发电机输出电压为15V左右，所采用6S锂电池内阻小于25毫欧，通过计算得出充电效率约为600毫安/时。以下是动力源满燃料5次运行实验数据：表4 主流航拍多旋翼无人机续航时间序号12345油量75ml75ml75ml75ml75ml运行时间23分10秒24分07秒22分35秒23分37秒23分15秒估计充电量232mAh241mAh226mAh236mAh233mAh实验结果证明，此研究所设计的串联式无人机混合动力系统中动力源部分是可行的，后续研究可通过大量的实物实验获得部件最优配置从而有效达到提高航时的目的，甚至走向实用化。此研究也为未来研究打下基础，点明了提高混合动力系统的质效比，实施完整的混合动力系统或可飞行的无人机系统挂载混合动力系统运行实验将成为油电混合动力无图1 稳压模块电路人机研究的主要研究方向。2018年中国民航飞行学院大学生创新创业训练计划基金（项目编号：2）。4.实验与总结将上述部件组装进行运行实验，采集数据并通过计算分析结果，汽前言：设计了一种高速串行接口协议,主要包括协议层和PCS层关键模块的设计，可集成于芯片化设计中。用于和Xilinx的7系列FPGA中的RocketIO硬核Aurora进行高速串行数据传输。基于芯片化设计的自订Aurora协议设计中国电子科技集团公司第二十研究所 胡 霄一、工作组成Aurora协议是由Xilinx提供的一个开放、免费的链路层协议，可以用来进行点到点的串行数据传输，具有实现高性能数据传输系统的高效率和简单易用的特点。Aurora允许器件之间以下图所示的方式通过多个高速通道连接完成通信。图1为Aurora通信基本结构。Aurora协议基于RocketIO IP(GTX/GTP)开发，RocketIO为Xilinx7系列FPGA的硬核，不可直接在集成在IC设计中本，本文针对ASIC芯片和Aurora核的高速数据传输需求，研究设计了可芯片化设计的自订Aurora核。一个高速通信接口主要由两部分组成：协议层和物理层(PHY)，物理层又可分为PCS子层（物理编码子层）和PMA子层（物理介质接入层），在Aurora核中，协议层为IP中的部分公开代码，它基于XILINX的高速PHY IP（GTX/GTP）设计，在使用过程中需根据芯片中的物理层对协议功能进行相应的裁剪或添加，PMA层的主要功能有：（1）为PCS层提供传输的时钟；（2）把并行数据转变成串行数据；（3）提供数据时钟恢复电路；（4）提供接收时钟；（5）把串行数据转变成并行数据；（6）提供链路状态信息。Serdes IP选取：Serdes是串行器/解串器的简称，可以将低速的并行信号转化为高速的串行信号，本文选取西安电子科技大学设计的65nm工艺的模拟SERDES核作为Aurora核的PMA子层，该SERDES串行速率可配置为800MHz至6Gbit，接口电平为CML电平，串化器、解串器接口为10bit。可匹配Xilinx的GTX/GTP高速接口物理要求。二、协议层设计图1 ASIC芯片与FPGA通信结构Aurora核的收发数据满足AXI-4协议，这是一种常见的总线收发协?

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