多旋翼无人飞行器系留系统

1.一种多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，包括作为系留平台的多旋翼无人飞行器、单条系缆和地面装置，所述系缆连接所述多旋翼无人飞行器和所述地面装置；所述多旋翼无人飞行器包括系留电源装置，所述系缆包括输电线缆，所述地面装置包括地面供电装置，所述系留电源装置通过所述系缆中的输电线缆连接所述地面供电装置；所述地面供电装置还包括依次连接的桥式整流电路、boost升压电路和第一滤波电路，所述桥式整流电路连接所述地面供电装置的交流输入端，所述第一滤波电路连接所述输电线缆；
所述系留电源装置包括相互连接的降压/稳压电路和第二滤波电路，所述降压/稳压电路连接所述输电线缆，所述第二滤波电路连接所述系留电源装置的直流输出端；所述系留电源装置还包括备用电池，所述备用电池以与所述系留电源装置的直流输出端并联的方式连接所述第二滤波电路，其中所述备用电池用于在地面供电装置或系留电源装置出现故障时，给多旋翼无人飞行器提供安全降落地面的电能。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述多旋翼无人飞行器还包括系留通信装置，所述系缆还包括通信线缆，所述地面装置还包括地面通信装置，所述系留通信装置通过所述系缆中的通信线缆连接所述地面通信装置。
3.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述输电线缆由包含在所述系缆中的两条导线组成，两条导线的两端分别与所述系留电源装置和所述地面供电装置连接。
4.根据权利要求2所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述通信线缆由包含在所述系缆中的两条光纤组成，所述两条光纤的两端分别与所述系留通信装置和所述地面通信装置连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述系缆为一根光电综合系缆，所述光电综合系缆包括缆芯和护套，所述护套包裹在所述缆芯外层，所述缆芯由2根导体电线、2根光纤和芳纶绞合而成。
6.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述多旋翼无人飞行器的旋翼数量为四旋翼、六旋翼、八旋翼或者十六旋翼。
7.根据权利要求4所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述地面通信装置包括第一光电转换装置，所述系留通信装置包括第二光电转换装置，两条光纤的两端分别与所述第一光电转换装置和所述第二光电转换装置连接。
8.根据权利要求7所述的多旋翼无人飞行器系留系统，其特征在于，所述第一光电转换装置和所述第二光电转换装置为以太网光纤收发器或者光纤承载射频收发模块。

多旋翼无人飞行器系留系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及系留系统技术领域，尤其涉及一种多旋翼无人飞行器系留系统。\n背景技术\n[0002] 气球、飞艇和涵道式飞行器等无人飞行器具有垂直起降和稳定悬停的特点，在侦查、通信及航拍等领域作为系留平台被广泛应用。系留气球或系留飞艇虽然可以在空中长时间滞留，但其体积很大，且填充气体昂贵，维护成本高。而涵道飞行器必须使用多条系缆，成本高、架设开通复杂，且需要较大的架设场地；多条系缆系留飞行时，机身水平朝向是固定的，无法根据任务的实际需求灵活旋转水平朝向，除非将飞行器降下后，将各个方向的系缆同时移动到另一水平角度后重新升起，操作十分麻烦；并且必须考虑整个飞行器的平衡配重，否则会影响飞行器的稳定性，对系统的实际应用提出了许多限制；由于涵道飞行器的自稳定能力有限，因此对伺服系统的自动控制能力要求很高。\n[0003] 可见，目前系留平台在经济性、稳定性、架设方便性、任务载荷承载的方便性和实用性、使用的灵活性等方面存在缺陷。\n发明内容\n[0004] 基于此，本发明提供了一种多旋翼无人飞行器系留系统。\n[0005] 一种多旋翼无人飞行器系留系统，包括作为系留平台的多旋翼无人飞行器、系缆和地面装置，所述系缆连接所述多旋翼无人飞行器和所述地面装置；所述多旋翼无人飞行器包括系留电源装置，所述系缆包括输电线缆，所述地面装置包括地面供电装置，所述系留电源装置通过所述系缆中的输电线缆连接所述地面供电装置。\n[0006] 与一般技术相比，本发明多旋翼无人飞行器系留系统具有结构简单、可靠性高、悬停稳定、使用方便和成本低廉等特点，将系留方式应用于多旋翼无人飞行器上，解决了系留平台在稳定性、架设方便性、使用灵活性和使用成本等方面普遍存在的问题。通过系缆中的输电线缆使得地面电源连续向系留平台供电，极大地延长了飞行器的滞空时间。\n附图说明\n[0007] 图1是本发明多旋翼无人飞行器系留系统的结构示意图；\n[0008] 图2是本发明系留供电系统结构示意图；\n[0009] 图3是本发明光电综合系缆的结构示意图；\n[0010] 图4是本发明系留通信系统结构示意图。\n具体实施方式\n[0011] 为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。\n[0012] 请参阅图1，为本发明多旋翼无人飞行器系留系统的结构示意图。本发明多旋翼无人飞行器系留系统，包括作为系留平台的多旋翼无人飞行器、系缆和地面装置，所述系缆连接所述多旋翼无人飞行器和所述地面装置；所述多旋翼无人飞行器包括系留电源装置，所述系缆包括输电线缆，所述地面装置包括地面供电装置，所述系留电源装置通过所述系缆中的输电线缆连接所述地面供电装置。\n[0013] 作为其中一个实施例，所述输电线缆由包含在所述系缆中的两条导线组成，两条导线的两端分别与所述系留电源装置和所述地面供电装置连接。\n[0014] 作为其中一个实施例，所述地面供电装置包括依次连接的桥式整流电路、boost升压电路和第一滤波电路，所述桥式整流电路连接所述地面供电装置的交流输入端，所述第一滤波电路连接所述输电线缆；\n[0015] 作为其中一个实施例，所述系留电源装置包括相互连接的降压/稳压电路和第二滤波电路，所述降压/稳压电路连接所述输电线缆，所述第二滤波电路连接所述系留电源装置的直流输出端。\n[0016] 系留供电系统的功能是实现地面电源通过系缆向飞行器及飞行器上所搭载任务载荷提供电能。请参阅图2，为系留供电系统结构示意图，系留供电系统包括地面供电装置、系缆及搭载在飞行器上的系留电源装置。\n[0017] 以四旋翼无人飞行器为例，四旋翼无人飞行器的动力完全来源于四个直流电机带动螺旋桨转动所产生的风压。目前最大起飞重量在6公斤左右的四旋翼无人飞行器，其四个直流电机所需的总平均供电功率约700W，总峰值功率可达到1000W以上。如果通过系缆直接输送25V直流电源到飞行器，则平均电流为28A，峰值电流可达56A。显然可输送如此大的电流的导线很粗，单位长度重量很大，导线长度增加引起的线损也非常严重，根本不适合小型无人机系留使用。\n[0018] 为了在上百米的轻型系缆中实现大功率供电传输，必须提高供电电压，降低供电电流。在系留供电系统的地面供电装置中设计了升压电路，将外部提供的220V交流电源利用功率因子校正模块（PFC）中的桥式整流和boost升压电路变换为360V的高压直流，经滤波后输入到轻型光电综合系缆的导线中。光电综合系缆使用两条截面约0.2平方毫米的导线即可持续传输3A（峰值6A）的电流。在飞行器上搭载的电源变换模块将高压直流降压并稳压输出，经滤波后与备用电池并接输出，提供飞行器和任务载荷所需的25V直流电源。\n[0019] 地面供电部分中功率因子校正模块可采用通用PFC电源模块，效率为94%，360V直流最大输出电流为6A（输出功率2160W）。\n[0020] 作为其中一个实施例，所述系缆为一根光电综合系缆，所述光电综合系缆包括缆芯和护套，所述护套包裹在所述缆芯外层，所述缆芯由2根导体电线、2根光纤和芳纶绞合而成。\n[0021] 请参阅图3，为光电综合系缆的结构示意图。光电综合系缆可由2根导体截面\n2\n0.2～0.4mm电线、2根B1.1单模紧包光纤和芳纶绞合而成，缆芯外松包聚乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯护套。系缆可承受100N拉力，导体直流电阻不大于0.094Ω/m，绝缘线芯间耐压1000V，重量约11g/m。\n[0022] 作为其中一个实施例，所述系留电源装置还包括备用电池，所述备用电池以与所述系留电源装置的直流输出端并联的方式连接所述第二滤波电路。\n[0023] 以四旋翼无人飞行器为例，电源变换模块代替了原自由飞行四旋翼无人飞行器的电池部分，其中的降压/稳压电路可采用两块通用的800W大功率DC/DC稳压模块并联使用，总功率1600W，效率可达90%以上，输入电压适应范围为200V～400V。在机载电源变换模块中还保留一个小容量的锂电池，用于地面供电发生意外中断或系留供电系统出现故障时给飞行器提供电能，保证飞行器有足够的时间安全降落回地面。同时，并接于电源变换模块输出端的备用电池还具有大容量储能电容器的相同作用，可以在飞行器起降、姿态大幅调整过程中提供极高的瞬间输出功率，可达1000W以上。正常工作时，系留供电系统利用地面提供的电能为备用电池充电，保持电池处于满容量状态。由于飞行器从300米高度返回地面所需时间不大于10分钟，所以备用电池的容量仅有原自由飞行四旋翼无人飞行器携带电池容量的三分之一左右，重量约600g。整个电源变换模块连同附着有100W散热片的结构外壳总重量不大于1.2kg。\n[0024] 若按飞行器正常滞空飞行所需的平均功率为700W，任务载荷功耗按50W计算，机载电源变换模块平均输出功率为750W，按转换效率90%可得机载电源变换模块输入功率为\n833W；由电源变换模块最低输入电压200V，可得最大输入电流为4.165A；根据系缆单条导线电阻率0.094Ω/m，及地面供电输出电压360V，可算出供电系统允许的最大系缆长度为（360V-200V）÷(0.094Ω/m×4.165A×2)=204.3m。\n[0025] 假设原自由飞行四旋翼飞行器搭载重约1.8kg的锂电池后有效载荷2.5kg，将\n1.8kg电池改为1.2kg电源变换模块后，有效载荷可增加到3.1kg。有效载荷包括任务载荷重量以及从飞行器到地面所用系缆重量。若系缆单位长度重量为11g/m可得出不同任务载荷重量条件下的可搭载系缆长度，最大滞留高度如表1。\n[0026] 表1不同任务载荷重量条件下的最大滞留高度\n[0027] \n任务载荷重量(kg） 2.5 2.0 1.5 1.0 0.9\n可搭载系缆重量（kg） 0.6 1.1 1.6 2.1 2.2\n最大滞留高度（m） 55 100 145 191 200\n[0028] 作为其中一个实施例，所述多旋翼无人飞行器还包括系留通信装置，所述系缆还包括通信线缆，所述地面装置还包括地面通信装置，所述系留通信装置通过所述系缆中的通信线缆连接所述地面通信装置。\n[0029] 作为其中一个实施例，所述通信线缆由包含在所述系缆中的两条光纤组成，所述两条光纤的两端分别与所述系留通信装置和所述地面通信装置连接。\n[0030] 作为其中一个实施例，所述地面通信装置包括第一光电转换装置，所述系留通信装置包括第二光电转换装置，两条光纤的两端分别与所述第一光电转换装置和所述第二光电转换装置连接。\n[0031] 作为其中一个实施例，所述第一光电转换装置和所述第二光电转换装置为以太网光纤收发器或者光纤承载射频收发模块。\n[0032] 系留通信系统的功能是为地面设备与飞行器及任务载荷之间提供宽带信息传输通道。请参阅图4，为系留通信系统结构示意图，系留通信系统包括两个光电转换装置、两条光纤（含在轻型光电综合系缆中）。其中一个光电转换装置放置在地面设备中，另一个光电转换装置放置于飞行器任务载荷中。\n[0033] 系留通信系统中的光电转换装置可以是以太网光纤收发器也可以是光纤承载射频收发模块（ROF模块）。\n[0034] 若使用以太网光纤收发器作为光电转换装置，可以通过系缆中的光纤在地面设备与飞行器及任务载荷之间建立一个高速以太网数据传输通道，传输速率可以从10Mbps到\n1000Mbps。此时整个系留通信系统看作是一条网线。飞控信息及任务载荷产生的用户数据（如图像、音频等多媒体信息）均通过这一通道传输。\n[0035] 若使用光纤承载射频收发模块（ROF模块）作为光电转换装置，可以通过系缆中的光纤在地面设备与飞行器及任务载荷之间建立两条射频传输通道，射频带宽可以达到\n25MHz～3GHz，甚至更高。此时整个系留通信系统看作是两条插损很小的射频同轴电缆。通过这种方式可以将某些无线通信系统天线和射频前端作为任务载荷安装在飞行器上，通过光纤及ROF模块与地面通信设备的射频接口相连，实现无线通信系统天线的大幅度升高，显著扩大无线通信系统的覆盖范围。这种天线升高技术在战术通信领域具有十分广阔的应用前景。另外，飞行器所需的飞控信息也可调制在不同频段的射频上，与无线通信的射频信号合并后通过这一通道传输。\n[0036] 作为其中一个实施例，所述多旋翼无人飞行器的旋翼数量为四旋翼、五旋翼、六旋翼、八旋翼或者更多。\n[0037] 可不采用光纤通信而采用有线电缆通信方式或无线通信方式实现飞行器与地面间的飞控通信或用户数据传输。\n[0038] 飞控导航定位方式可以采用北斗卫星或其它导航定位手段。\n[0039] 地面供电部分可以采用直流供电经开关电源升压输出高压到系缆；也可使用变压器直接将交流电压升高后通过系缆传输到机载电源模块再进行整流和降压。\n[0040] 系留通信系统中的光电转换装置也可是光信号到其它电信号的转换装置，如光到RS232/RS485、光到视频信号的转换装置等。\n[0041] 与一般技术相比，本发明多旋翼无人飞行器系留系统具有结构简单、可靠性高、悬停稳定、使用方便和成本低廉等特点，将系留方式应用于多旋翼无人飞行器上，解决了系留平台在稳定性、架设方便性、使用灵活性和使用成本等方面普遍存在的问题。并且，通过系缆中的输电线缆使得地面电源连续向系留平台供电，极大地延长了飞行器的滞空时间。\n[0042] 并且，本发明与目前应用的系留气球和系留飞艇等系留平台相比，系缆不需要承担牵引系留的作用。而在目前的系留平台中，系缆通常需要承担该作用，即对系留平台提供向下的拉力以使其保持稳定的高度和位置。本发明中，由于采用了轻质系缆，因此系缆可处于自然下垂状态，系留平台的飞行动力和自稳定全部依靠多旋翼无人飞行器自身实现。即使飞行器在空中时系缆发生意外断裂，系统将自动切换到机载备用电池供电，保证飞行器平稳安全地返回地面。\n[0043] 作为其中一个优选的实施方式，可采用四旋翼无人飞行器作为系留平台，四旋翼无人飞行器系留平台的四个螺旋桨对称分布于飞行器外围，飞行器的重心位于中心主体部位。在机体中心下方自由下垂一条系缆既不影响飞行器动力气流，也不会影响飞行器自身的姿态调整，而且由于系缆的自重使飞行器的重心下移，有助于提高飞行器的滞空稳定性。\n[0044] 四旋翼无人飞行器系留平台的姿态控制机制保持与原自由飞行四旋翼无人飞行器完全一致，即由飞行器自身携带的飞控系统完成，不依靠系缆的牵引来调整和维持稳定。\n[0045] 本发明采用单条系缆，解决了现有涵道系留飞行器多条系缆牵引带来的架设不便、稳定性易受系缆拉扯的影响、飞行器滞空朝向调整不方便等诸多缺陷。\n[0046] 四旋翼无人飞行器系留平台的任务载荷搭载于机体的中心下方位置，只要保证重心不要偏离机体中心轴太远即可，无需进行特殊的配重设计。而且这一挂载位置周围基本无遮挡，便于放置摄像机、天线等任务载荷。\n[0047] 在系留供电系统中设计了备用电池方案，解决了现有技术在地面供电中断或系留供电故障时引发的安全性问题。\n[0048] 本发明中，系缆不用于飞行器的牵引，系缆的强度只需能承受自身悬垂部分的重力及环境风力即可，因而设计了一种轻型的光电综合系缆。该轻型光电综合系缆包括了两条导线和两条光纤，单位长度重量仅约11g/m。系缆的轻量化可以极大地减轻系留飞行器的载荷，便于实现系留无人机平台的小型化，也为搭载更多任务设备留出载重余量。\n[0049] 本发明设计了一种适用于轻型系缆的大功率系留供电方案。该方案结构简单，重量轻，便于小型无人飞行器搭载。经过累计数百小时的实际测试表明，系统工作可靠稳定。\n[0050] 本发明设计了一种光纤通信方案，解决飞行器与地面传输带宽问题。通过光纤建立的宽带输出通道，可以很方便地实现空中高清视频图像的回传；也可以建立ROF系统实现无线通信系统的天线升高，扩大通信覆盖范围。\n[0051] 整套四旋翼无人飞行器系留平台可放入一个约1米立方便携式包装箱中，可与发电机设备一同装载于一辆小型越野车中。展开场地不超过30×30平米，展开/撤收时间不超过20分钟。因此系统具有很好的机动性能。\n[0052] 四旋翼无人飞行器成本较低、性能稳定、使用方便，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦查等多种空中任务。拥有较大的任务载荷，较强的抗风能力，优秀的姿态控制能力。目前比较成熟的四旋翼无人飞行器采用全碳纤维机身结构，安装有飞控导航电路板、4只无刷电机、结合三维磁力计的GPS/INS导航系统，支持2.0B CAN总线，支持全自动导航自动驾驶飞行。最大起飞重量可达6kg。四旋翼无人飞行器系留供电及通信系统无论在民用还是军事方面均具有十分可观的应用前景。\n[0053] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。