一种弹射式无人机动力系统快速启动方法
阅读说明：本技术 一种弹射式无人机动力系统快速启动方法 (Rapid starting method for power system of ejection type unmanned aerial vehicle ) 是由 周明 郭志永 汪强 冯阳建 王磊 李海飞 张鑫 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种弹射式无人机动力系统快速启动方法,解决现有无人机由于低温启动可靠性低、需经历预启动和暖机过程,无法满足箱体发射集群无人机起飞阶段动力要求的问题。该方法包括：步骤一、无人机完全弹射出箱；步骤二、直流无刷电机和活塞式发动机同时启动,高压电子调速器控制直流无刷电机在T1时间内满负荷输出,同时,控制模块将活塞式发动机的油门设置为中小负荷,在直流无刷电机的拖动下,活塞式发动机快速启动,并进入暖机程序；步骤三、活塞式发动机暖机程序完成后,立即满负荷对外输出最大功率,带动螺旋桨为无人机提供动力并完成后续起飞过程,同时高压电子调速器控制直流无刷电机零负荷输出。(The invention provides a quick starting method of a power system of an ejection type unmanned aerial vehicle, which solves the problem that the power requirement of a box body emission cluster unmanned aerial vehicle in a take-off stage cannot be met due to the fact that the existing unmanned aerial vehicle is low in low-temperature starting reliability and needs to undergo pre-starting and warming processes. The method comprises the following steps: firstly, completely ejecting an unmanned aerial vehicle out of a box; step two, the direct current brushless motor and the piston engine are started simultaneously, the high-voltage electronic speed regulator controls the direct current brushless motor to output full load within T1 time, meanwhile, the control module sets an accelerator of the piston engine to be medium and small load, the piston engine is started rapidly under the dragging of the direct current brushless motor, and a warming-up program is entered; and step three, immediately outputting maximum power to the outside under full load after the piston engine warm-up procedure is completed, driving the propeller to provide power for the unmanned aerial vehicle and completing the subsequent takeoff process, and simultaneously controlling the zero-load output of the direct-current brushless motor by the high-voltage electronic speed regulator.)
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种弹射式无人机动力系统快速启动方法，该方法可实现小型长航时弹射无人机起飞阶段动力系统快速满负荷响应的控制。
背景技术
随着无人机自主化和网络通信技术的发展，无人机的运用模式也在不断发展，单架无人机由于受探测能力、载荷等因素限制，难于完成复杂的飞行任务，而集群无人机可将单个完备无人机平台所具备的各项功能如侦察监视、通信中继等“化整为零”，且其个体数量庞大，具备可执行复杂任务、体系生存率高、覆盖范围广等核心优势，在民用领域具有广泛的应用前景。
基于运输便捷性和快速部署考虑，通常将个体数量庞大的集群无人机放置于发射车高密度布置的发射箱内，其起飞方式一般为箱体内弹射（包括火箭发射和弹射架弹射起飞）。发射箱内部空间极为狭小，当无人机未弹射出箱前，动力系统通常不能预先启动；无人机弹射出箱后，亟需动力系统立即输出最大功率，使无人机空速保持在安全空速以上并迅速爬升至安全高度，以保障起飞阶段的飞行安全，这就对动力系统的瞬时响应速度提出了极高要求。
目前，应用于无人机起飞阶段的动力系统控制方法主要有：
a）基于航空活塞式发动机的动力系统控制方法。起飞前，由控制模块发出启动指令，预先启动发动机（低温环境下，启动2-3次可成功启动），并驱动螺旋桨保持怠速运转，发动机进入暖机程序；经过数十秒以上的暖机过程，待发动机缸温满足使用要求后完成暖机，动力系统进入待飞状态；控制模块发出启动指令后，控制模块调节发动机负荷，输出最大功率并满足起飞要求。该种方式启动时，发动机启动时间较长，低温环境启动可靠性较低；其次，活塞式发动机启动后需经历数十秒以上的热机过程，不能立即满负荷工作；
b）基于纯电驱动动力系统的控制方法。控制模块接收到起飞指令后，通过电子调速器，使电机驱动螺旋桨并输出起飞阶段所需功率。该控制方法较为简单，但是由于电池能量密度受限，难以满足长航时需求；
c）基于油电混合动力系统的控制方法。现有的无人机油电混合动力系统主要表现形式较为多样，其控制方法也各不相同，主要有：
（1）由活塞式发动机驱动发电机，整流输出后，由发电机驱动螺旋桨工作。其起飞阶段的控制方法与基于航空活塞式发动机的螺旋桨推进动力系统相似，包含预启动和暖机阶段，不能短时间内最大功率输出以满足起飞要求；
（2）发动机和电机相互独立工作。其起飞阶段的控制方法主要为：起飞前发动机预启动，并完成暖机程序；起飞指令发出后，发动机和电机均满负荷输出，为起飞阶段提供充足的动力，但是，此种方式需预启动和暖机过程，启动时间较长，不满足集群无人机弹射起飞要求；
（3）发动机和电机通过齿轮传动（或链传动、带传动等型式）实现动力耦合输出，其起飞阶段的控制方法主要为：起飞前，由电机通过齿轮传动带动发动机实现预启动，并完成暖机程序；起飞指令发出后，发动机和电机均满负荷工作并通过齿轮传动耦合输出，带动螺旋桨提供起飞阶段的动力，但同样由于需预启动和暖机过程，启动时间较长，不满足集群无人机弹射起飞要求；另外，此种型式动力系统结构复杂且笨重，外廓尺寸大，占用空间也较大，不满足集群无人机箱内弹射起飞要求；
（4）启发一体油电混合动力系统。该系统将小型启发电机与发动机直连，其起飞阶段的控制方法为：起飞前，由启发一体电机带动发动机实现预启动，并完成暖机程序；起飞指令发出后，为满足起飞阶段动力需求，发动机带动螺旋桨满负荷输出，同时启发电机空载运行，不对外输出电能。
综上所述，现有无人机动力系统在起飞阶段的控制方法由于低温启动可靠性低、需经历预启动和暖机过程、结构复杂、外廓尺寸较大或不符合长航时要求，无法满足箱体发射集群无人机起飞阶段的动力要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有无人机动力系统由于低温启动可靠性低、需经历预启动和暖机过程，无法满足箱体发射集群无人机起飞阶段动力要求的问题，提供一种弹射式无人机动力系统快速启动方法。该方法针对小型长航时弹射式无人机弹射起飞阶段，是一种可实现该动力系统瞬时启动和满负荷功率输出的控制方法，可实现动力系统快速满负荷响应。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的弹射式无人机动力系统包括活塞式发动机、直流无刷电机、高压电子调速器、启动锂电池组、稳压电源模块、控制模块和机载电池组；所述活塞式发动机的输出端与螺旋桨连接，用于驱动螺旋桨转动，为无人机飞行提供动力；所述直流无刷电机设置在活塞式发动机的前端，且直流无刷电机的转子与活塞式发动机的曲轴刚性连接；所述直流无刷电机的满负荷输出功率不小于活塞式发动机的满负荷输出功率，活塞式发动机满负荷输出功率不小于起飞转速下螺旋桨的吸收功率；所述高压电子调速器设置在无人机本体内部，其输入端分别与启动锂电池组、控制模块连接，输出端与直流无刷电机的绕组连接；所述启动锂电池组通过高压电子调速器给直流无刷电机提供电能；所述机载电池组通过稳压电源模块分别给控制模块和高压电子调速器供电。
进一步地，所述直流无刷电机的转子与活塞式发动机的曲轴通过锥面过盈配合实现刚性连接，此种连接方式结构简单、紧凑，无传动机械损失。
进一步地，所述动力系统通过减震装置设置在无人机本体的机身尾部，使得无人机弹射时减小对动力系统的影响。
进一步地，所述活塞式发动机为小型航空活塞式发动机。
同时，本发明还提供一种弹射式无人机动力系统快速启动方法，该方法基于设置在无人机本体尾部的动力系统实现，其具体包括以下步骤：
步骤一、控制模块发出起飞指令，启动无人机弹射程序，无人机完全弹射出箱；
步骤二、无人机完全弹射出箱后，控制模块发出启动指令，直流无刷电机和活塞式发动机同时启动，高压电子调速器控制直流无刷电机在T1时间内满负荷输出，同时，控制模块将活塞式发动机的油门设置为中小负荷，在直流无刷电机的拖动下，活塞式发动机快速启动，并进入暖机程序；
步骤三、活塞式发动机暖机程序完成后，立即满负荷对外输出最大功率，带动螺旋桨为无人机提供动力并完成后续起飞过程，同时高压电子调速器控制直流无刷电机零负荷输出，直流无刷电机不再对外输出功率。
进一步地，步骤二中，活塞式发动机的油门设置为中小负荷具体设置为15%-35%负荷，T1=1.5s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明方法和系统采用活塞式发动机和直流无刷电机相配合的启动方式，启动时无需预启动，使得其启动时间较短，满足集群无人机箱体发射起飞阶段对动力系统的快速满负荷响应需求。
2.本发明动力系统启动转速高，低温启动性好，启动可靠，保证起飞阶段的飞行安全。
3.本发明无人机在巡航阶段，可通过控制直流无刷电机带载运行，对机载电池组进行充电，延长无人机航时。
附图说明
图1为搭载有本发明动力系统的弹射式无人机的轴侧示意图；
图2为本发明弹射式无人机动力系统示意图；
图3为本发明中直流无刷电机的转子与活塞式发动机的曲轴连接示意图。
附图标记：1-无人机本体，2-动力系统，3-控制模块，4-启动锂电池组，5-高压电子调速器，6-机载电池组，7-稳压电源模块，8-直流无刷电机，9-曲轴，10-活塞式发动机，11-螺旋桨，12-直流无刷电机的转子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种弹射式无人机动力系统快速启动方法及动力系统，该动力系统在活塞式发动机的基础上融合了高功重比直流无刷电机，利用该系统的快速响应特性，能够满足弹射式无人机弹射起飞阶段的动力需求。
本发明动力系统2通过减震装置安装于无人机本体1的机身尾部，其结构型紧凑，占用空间较小，适合箱内发射。如图1和图2所示，该动力系统2具体包括活塞式发动机10、直流无刷电机8、高压电子调速器5、启动锂电池组4、控制模块3、稳压电源模块7和机载电池组6。活塞式发动机10具体可为小型航空活塞式发动机，设置在无人机本体1上，其输出端与无人机的螺旋桨11连接，用于给螺旋桨11提供动力，螺旋桨11安装于活塞式发动机10的后端。
本发明直流无刷电机8安装于活塞式发动机10的前端，该直流无刷电机的转子12与活塞式发动机10的曲轴9为刚性连接，直流无刷电机8的定子通过螺钉固定于活塞式发动机10曲轴箱上，高压电子调速器5、启动锂电池组4和控制模块3放置于无人机机身内部，直流无刷电机8的绕组与高压电子调速器5输出端相连，控制模块3和启动锂电池组4与高压电子调速器5输入端连接，高压电子调速器5和控制模块3由稳压电源模块7通过机载电池组6供电，启动锂电池组4通过高压电子调速器5给直流无刷电机8提供电能。
本发明直流无刷电机8的设计输出功率与发动机机械损失功率和螺旋桨吸收功率之和高度匹配，即直流无刷电机8在确定选型时，其满负荷输出功率应不小于活塞式发动机10的满负荷输出功率，活塞式发动机10满负荷输出功率应不小于起飞转速下螺旋桨11的吸收功率。
如图3所示，在本发明实施例中，直流无刷电机的转子12与活塞式发动机10的曲轴9通过锥面过盈配合实现刚性连接，此种连接方式结构简单、紧凑，无传动机械损失。
基于上述系统，本发明弹射式无人机动力系统快速启动过程如下：
控制模块3发出无人机起飞指令，启动无人机弹射程序，0.5s后无人机完全弹射出箱；无人机完全弹射出箱后，控制模块3发出启动指令，直流无刷电机8和活塞式发动机10同时启动，高压电子调速器5控制直流无刷电机8在起飞指令发出2s内满负荷输出，同时，控制模块3将活塞式发动机10的油门设置为中小负荷（15%-35%负荷），在直流无刷电机8的拖动下，活塞式发动机10快速并可靠启动，进入暖机程序，该过程中，活塞式发动机10带动螺旋桨11至起飞转速并维持不少于30s，实现起飞阶段初期无人机的空速保持，并正常爬升至安全高度；
起飞指令发出30.5s后，发动机暖机程序完成，活塞式发动机10立即满负荷对外输出最大功率，带动螺旋桨11为无人机提供动力并完成后续起飞过程，同时由高压电子调速器5控制直流无刷电机8零负荷输出，直流无刷电机8不再对外输出功率。
本发明无人机采用活塞式发动机10、直流无刷电机8相配合的启动方式，从而满足箱体发射集群无人机起飞阶段对启动系统的快速响应需求。同时，启动系统的启动转速高，低温启动性好，启动可靠，保证起飞阶段的飞行安全。此外，本发明无人机在巡航阶段，可通过控制直流无刷电机8带载运行，对机载电池组6进行充电，延长无人机航时。
本发明方法采用活塞式发动机10和直流无刷电机8相配合的启动方式，实现了启动指令发出后1.5s内可快速启动和满负荷运行，满足集群无人机箱体发射起飞阶段对启动系统2的快速满负荷响应需求。
本发明实施例中，动力系统2主要包括活塞式发动机10、螺旋桨11、直流无刷电机8、高压电子调速器5、启动锂电池组4、控制模块3、稳压电源模块7和机载电池组6。为实现本发明方法的应用效果，直流无刷电机8在确定选型时，其满负荷输出功率应不小于发动机的满负荷输出功率，发动机满负荷输出功率应不小于起飞所需功率。具体的，直流无刷电机8在转速6200rpm时输出功率12kw，发动机在转速6200rpm时输出功率10.5kw，起飞阶段所需功率约9.5kw。
起飞前，由机载电池组6通过稳压电源模块7为控制模块3供电。起飞时，控制模块3发出起飞指令，启动小型长航时可折叠固定翼无人机弹射程序，0.5s后无人机弹射出箱；起飞指令发出0.5s后，控制模块3发出启动指令，直流无刷电机8和活塞式发动机10同时启动，高压电子调速器5控制直流无刷电机8在1.5s内满负荷输出，同时，活塞式发动机的油门设置为35%负荷，在直流无刷电机8的拖动下，活塞式发动机10快速并可靠启动，并进入暖机程序，该过程中，活塞式发动机10带动螺旋桨11至不低于起飞转速6200rpm，并维持不少于30s，实现起飞阶段无人机的空速保持，并正常爬升至安全高度；起飞指令发出30.5s后，发动机暖机程序完成，立即满负荷对外输出最大功率，带动螺旋桨11转速至不低于6200 rpm，为无人机提供动力并完成后续起飞过程，同时由高压电子调速器5控制直流无刷电机8零负荷输出，直流无刷电机8退出工作，不再对外输出功率。
本发明动力系统的启动转速高，具体可为6200rpm，且持续时间长，最长可达30s，因此动力系统本身具有低温启动性好，启动可靠，能够保证起飞阶段的飞行安全。
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