用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機及飛行控制方法與流程
2023-07-04 05:51:32
本發明涉及無人機技術領域，特別涉及一種用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機及飛行控制方法。
背景技術：
目前，我國通信基站已經覆蓋至全國各個區域，傳統的人工巡檢方式已經滿足不了現代通信系統的廣泛需求，而無人機巡檢的誕生使巡檢效率提升十分顯著，特別是無人機巡檢尤其適合應用在山區、荒嶺、湖泊等偏遠地區的通信基站上，自然災害導致道路受阻、人員無法巡檢時，這些地區地形複雜，人工巡檢方式在行進道路上費時多，效率低，無人機可以發揮替代作用，且視角更廣，能避免「盲點」。
目前，用於巡檢通信基站的無人機主要是旋翼式無人直升機，旋翼式無人直升機具有起降限制少，能懸停拍照，操作靈活的優點。目前用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機有兩種動力方式：
一種是採用航空燃油發動機作為動力，其燃油消耗量非常大，燃油利用效率較低，因此無人機需要攜帶大量航空燃油，不僅航空燃油價格高昂、成本高，而且造成無人機的重量較重，此外，還需要設置由燃油發動機帶動的發電機，以向機體控制系統供電，設置發電機後，增加了燃油發動機的負荷，降低了能量轉換效率；並且，航空燃油發動機在工作時會產生大量廢氣，造成空氣汙染，不利於保護環境。
另一種是採用電動機作為動力，採用可充電動力電池組作為電源，其可充電動力電池組非常笨重，且續航時間很短，很難適用於對通信基站的巡檢。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術中的不足，提供一種用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機，該無人直升機能量利用率及轉換率高、重量較輕、航程遠、續航時間長、運行成本低、機體本身運行不汙染環境。為此，本發明還要提供一種該用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機的飛行控制方法。
為解決上述第一個技術問題，本發明的技術方案是：一種用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機，其特徵在於：包括無人機飛行控制器、航拍攝像設備、無線信號接收與發送器、甲醇水重製氫及發電模組、空氣輸送道、甲醇水儲存容器、輸送泵、電力控制器、儲能蓄電池、直升機馬達、主傳動系統、螺旋槳、副傳動系統、尾槳，其中：
所述無人機飛行控制器分別電性連接航拍攝像設備、無線信號接收與發送器、甲醇水重製氫及發電模組、輸送泵、電力控制器、儲能蓄電池、直升機馬達、主傳動系統、副傳動系統；所述航拍攝像設備用於對通信基站進行巡檢，以獲取通信基站的實時圖像數據，同時將該實時圖像數據通過無線信號接收與發送器發送至地面控制站；
所述甲醇水重整制氫及發電模組整合有重整器與燃料電池，所述重整器內設有重整室及氫氣純化裝置，重整室內的溫度為300-570℃溫度，重整室內設有催化劑，甲醇和水在重整室內發生甲醇和水的重整制氫反應製得含氫氣體，重整室與氫氣純化裝置通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置於重整室內，能通過重整室內的高溫繼續加熱從重整室輸出的氣體；所述連接管路作為重整室與氫氣純化裝置之間的緩衝，使得從重整室輸出的氣體的溫度與氫氣純化裝置的溫度相同或接近，從氫氣純化裝置的產氣端得到氫氣，供應給燃料電池；所述燃料電池用於氫氣與空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能；
所述空氣輸送道用於輸入外界空氣，輸入的外界空氣經燃料電池排出，在燃料電池中，空氣為燃料電池提供電化學反應所需要的氧氣，並為燃料電池散熱降溫；
所述甲醇水儲存容器內儲存有液態的甲醇和水原料，所述輸送泵用於將甲醇水儲存容器中的甲醇和水原料輸送至甲醇水重整制氫及發電模組的重整器；
所述電力控制器用於將燃料電池輸出的電能轉換為直升機馬達/儲能蓄電池/無人機飛行控制器所需求的適當電壓、電流的交流電/直流電；所述儲能蓄電池用於無人直升機啟動時供電，並在直升機馬達即時功率迅速增大時，為直升機馬達供電；
所述直升機馬達通過主傳動系統驅動螺旋槳旋轉，通過副傳動系統驅動尾槳旋轉。
所述甲醇水重整制氫及發電模組至少設置有兩組，所述輸送泵至少設置有兩個，且甲醇水重整制氫及發電模組與輸送泵的數量相匹配。
所述輸送泵與甲醇水重整制氫及發電模組的重整器之間設有換熱器，低溫的甲醇和水原料在換熱器中，與重整器輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化，高溫氫氣溫度降低，輸向甲醇水重整制氫及發電模組的燃料電池。
所述重整器設有電加熱器，該電加熱器由燃料電池供電，該電加熱器為重整室提供300-570℃溫度。
所述儲能蓄電池包括具有若干單體電池的電池組、電池組信息採集模塊、均衡控制模塊、電池組保護模塊；所述電池組信息採集模塊的輸入端與電池組中的各單體電池電性連接，所述電池組信息採集模塊的輸出端與所述無人機飛行控制器電性連接；所述無人機飛行控制器還電性連接均衡控制模塊、電池組保護模塊，所述均衡控制模塊、電池組保護模塊還分別與所述電池組中的各單體電池電性連接；所述均衡控制模塊採用被動電阻能耗均衡控制模式，以鋰電池組內的單體電池端電壓為均衡依據，所述均衡控制模塊根據電池組信息採集模塊實時採集到的數據對某節或者某幾節單體電池做均衡處理。
所述旋翼式無人直升機還包括全球定位模塊、航向傳感模塊、高度傳感模塊、空速傳感模塊、飛行姿態傳感模塊；所述無人機飛行控制器分別電性連接全球定位模塊、航向傳感模塊、高度傳感模塊、空速傳感模塊、飛行姿態傳感模塊。所述全球定位模塊為GPS衛星定位模塊或北鬥衛星定位模塊；所述空速傳感模塊為空速管；所述航向傳感模塊為三軸磁航向傳感器；所述高度傳感模塊為半導體矽壓阻式氣壓高度傳感器；所述飛行姿態傳感模塊包括檢測無人直升機俯仰/傾側姿態角的垂直陀螺儀和檢測無人直升機俯仰/傾側姿態角速率的角速率陀螺儀。
為解決上述第二個技術問題，本發明的技術方案是：用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機的飛行控制方法，包括以下工作步驟：
a.啟動旋翼式無人直升機，在啟動過程中，由儲能蓄電池為無人機飛行控制器、甲醇水重整制氫發電模組及輸送泵供電；在甲醇水重整制氫發電模組啟動之後，由甲醇水重整制氫發電模組為無人機飛行控制器、輸送泵及直升機馬達供電，並為儲能蓄電池充電；
b.旋翼式無人直升機飛向目標空域，在飛行過程中，電力控制器將甲醇水重整制氫發電模組輸出的電能轉換為直升機馬達/儲能蓄電池/無人機飛行控制器所需求的適當電壓、電流的交流電/直流電，當直升機馬達即時功率迅速增大時，儲能蓄電池與甲醇水重整制氫發電模組一起為直升機馬達供電；
c.巡檢通信基站，航拍攝像設備對通信基站進行巡檢，獲取通信基站的實時圖像數據，同時將該實時圖像數據通過無線信號接收與發送器發送至地面控制站，完成巡檢作業。
所述甲醇水重整制氫及發電模組至少設置有兩組，直升機馬達在工作過程中，將即時功率需求量反饋給無人機飛行控制器；無人機飛行控制器根據即時功率需求量信息控制適當數量的甲醇水重整制氫發電模組運轉，並控制甲醇水儲存輸送裝置向運轉的甲醇水重整制氫發電模組輸送甲醇水原料；當即時功率需求量較小時，控制較少的甲醇水重整制氫發電模組運轉，當即時功率需求量較大時，控制較多的甲醇水重整制氫發電模組運轉。
所述旋翼式無人直升機的飛行控制方法，還包括飛行控制方法步驟：
a.旋翼式無人直升機在飛行過程中，地面控制站通過無線信號接收與發射器向無人機飛行控制器發送控制指令；相應地，無人機飛行控制器通過無線信號接收與發射器向地面控制站發送通信基站圖像數據信息；
b.旋翼式無人直升機在飛行過程中，無人機飛行控制器分別採集全球定位模塊的經緯度信息、航向傳感模塊的航向信息、高度傳感模塊的無人機高度信息、空速傳感模塊的無人機飛行速度信息、飛行姿態傳感模塊的無人機飛行姿態信息；
c.無人機飛行控制器採集到經緯度信息、航向信息、無人機高度信息、無人機飛行速度信息、無人機飛行姿態信息之後，通過控制直升機馬達、主傳動系統及副傳動系統來實現轉彎、升降、懸停及航速的調整，並將即時控制信息反饋給地面控制站。
本發明的有益效果是：
（1）本發明採用甲醇水重整制氫及發電模組為發動機及機身控制系統供電，拼棄了傳統航空燃油發動機作為動力的方式，也拼棄了採用電動機和可充電動力電池組相配合的動力方式，甲醇水原料價格低廉，能量密度大，並且甲醇水重整制氫及發電模組對甲醇水原料的利用效率能達到99%以上，甲醇水重整制氫及發電模組自身重量也非常輕，因此，旋翼式無人直升機無需捷帶大量航空燃油，也無需安裝笨重的可充電動力電池組，只需捷帶較輕量的甲醇水原料即可，從而顯著地減輕了旋翼式無人直升機的重量；
（2）本發明的甲醇水重整制氫及發電模組，在為直升機馬達供電的同時，能直接為飛機控制系統各個模塊供電，因而無需另外安裝發電機，降低了直升機馬達的負荷；
（3）本發明採用甲醇水原料進行重整制氫，並通過燃料電池發電，無汙染氣體產生，機體本身運行不汙染環境；
（4）本發明的優選方式採用至少兩組甲醇水重整制氫及發電模組，當即時功率需求量較小時，控制較少的甲醇水重整制氫發電模組運轉，當即時功率需求量較大時，控制較多的甲醇水重整制氫發電模組運轉，因此，能極大減少空載，其整體耗能較小，甲醇和水原料消耗較低、利用率高，穩定性可靠性好，智能化高；
（5）本發明的優選方式中，儲能蓄電池的均衡控制模塊能根據電池組信息採集模塊實時採集到的數據對某節或者某幾節單體電池做均衡處理，提高了鋰電池組內單體電池的一致性、使用容量和使用壽命，並且提高了旋翼式無人直升機的飛行安全性。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構方框圖。
圖2為本發明的甲醇水重整制氫及發電模組結構方框圖。
圖3為本發明一優選實施例的整體結構方框圖。
圖4為本發明的甲醇水重整制氫及發電模組與換熱器相配合的結構方框圖。
圖5為本發明的控制系統結構方框圖。
圖6為本發明的儲能蓄電池與無人機飛行控制器相配合的結構方框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
實施例一
如圖1～圖6所示，本發明為一種用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機，包括無人機飛行控制器1、航拍攝像設備2、無線信號接收與發送器3、甲醇水重製氫及發電模組4、空氣輸送道5、甲醇水儲存容器6、輸送泵7、電力控制器8、儲能蓄電池9、直升機馬達10、主傳動系統11、螺旋槳12、副傳動系統13、尾槳14，其中：
所述無人機飛行控制器1分別電性連接航拍攝像設備2、無線信號接收與發送器3、甲醇水重製氫及發電模組4、輸送泵5、電力控制器8、儲能蓄電池9、直升機馬達10、主傳動系統11、副傳動系統13；所述航拍攝像設備2用於對通信基站進行巡檢，以獲取通信基站的實時圖像數據，同時將該實時圖像數據通過無線信號接收與發送器3發送至地面控制站；
所述甲醇水重整制氫及發電模組4整合有重整器41與燃料電池42，所述重整器41內設有重整室及氫氣純化裝置，重整室內的溫度為300-570℃溫度，所述重整室內設有催化劑，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統，反應方程為：(1)CH3OH→CO+2H2、(2)H2O+CO→CO2+H2 、(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2，製得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體；重整室與氫氣純化裝置通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置於重整室內，能通過重整室內的高溫繼續加熱從重整室輸出的氣體；所述連接管路作為重整室與氫氣純化裝置之間的緩衝，使得從重整室輸出的氣體的溫度與氫氣純化裝置的溫度相同或接近，從氫氣純化裝置的產氣端得到氫氣，供應給燃料電池42；所述燃料電池42用於氫氣與空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能；在燃料電池42的陽極：2H2→4H++4e-，H2分裂成兩個質子和兩個電子，質子穿過質子交換膜（PEM），電子通過陽極板，通過外部負載，並進入陰極雙極板，在燃料電池42的陰極：O2+4e-+4H+→2H2O，質子、電子和O2重新結合以形成H2O；
所述空氣輸送道5用於輸入外界空氣，輸入的外界空氣經燃料電池42排出，在燃料電池42中，空氣為燃料電池42提供電化學反應所需要的氧氣，並為燃料電池42散熱降溫；
所述甲醇水儲存容器6內儲存有液態的甲醇和水原料，所述輸送泵7用於將甲醇水儲存容器6中的甲醇和水原料輸送至甲醇水重整制氫及發電模組4的重整器41；
所述電力控制器8用於將燃料電池41輸出的電能轉換為直升機馬達10/儲能蓄電池9/無人機飛行控制器1所需求的適當電壓、電流的交流電/直流電；所述儲能蓄電池9用於無人直升機啟動時供電，並在直升機馬達10即時功率迅速增大時，為直升機馬達10供電；
所述直升機馬達10通過主傳動系統11驅動螺旋槳12旋轉，通過副傳動系統13驅動尾槳14旋轉。
如圖3所示，所述甲醇水重整制氫及發電模組4至少設置有兩組，所述輸送泵7至少設置有兩個，且甲醇水重整制氫及發電模組4與輸送泵7的數量相匹配。當設置多組甲醇水重整制氫及發電模組時，優選為採用功率小於500W的微型甲醇水重整制氫及發電模組。當即時功率需求量較小時，控制較少的甲醇水重整制氫發電模組運轉，當即時功率需求量較大時，控制較多的甲醇水重整制氫發電模組運轉。
如圖4所示，所述輸送泵7與甲醇水重整制氫及發電模組4的重整器41之間設有換熱器43，低溫的甲醇和水原料在換熱器43中，與重整器41輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化，高溫氫氣溫度降低，輸向甲醇水重整制氫及發電模組4的燃料電池42。
作為重整器41的優選方式，重整器內設有燃燒腔，該燃燒腔用於部分製得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器41的運行提供熱量；如圖4所示，作為重整器41的更優選方式，所述重整器41設有電加熱器，該電加熱器由燃料電池42供電，該電加熱器為重整室提供300-570℃溫度。
如圖6所示，所述儲能蓄電池9包括具有若干單體電池的電池組91、電池組信息採集模塊92、均衡控制模塊93、電池組保護模塊94；所述電池組信息採集模塊92的輸入端與電池組91中的各單體電池電性連接，所述電池組信息採集模塊92的輸出端與所述無人機飛行控制器1電性連接；所述無人機飛行控制器1還電性連接均衡控制模塊93、電池組保護模塊94，所述均衡控制模塊93、電池組保護模塊94還分別與所述電池組91中的各單體電池電性連接；所述均衡控制模塊93採用被動電阻能耗均衡控制模式，以電池組91內的單體電池端電壓為均衡依據，所述均衡控制模塊93根據電池組信息採集模塊92實時採集到的數據對某節或者某幾節單體電池做均衡處理。所述電池組信息採集模塊包括電壓採集模塊、溫度採集模塊、電流採集模塊，實時讀取電池組各單體電池的電壓、溫度、電池組充放電電流信息。所述電池保護模塊包括電池過充電電路、過放電電路、過流電路、短路電路及溫度過高或者溫度過低時對電池組進行保護的電路。
如圖5所示，該用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機還包括全球定位模塊15、航向傳感模塊16、高度傳感模塊17、空速傳感模塊18、飛行姿態傳感模塊19；所述無人機飛行控制器1分別電性連接全球定位模塊15、航向傳感模塊16、高度傳感模塊17、空速傳感模塊18、飛行姿態傳感模塊19。優選地，所述全球定位模塊15為GPS衛星定位模塊或北鬥衛星定位模塊；所述空速傳感模塊16為空速管；所述航向傳感模塊17為三軸磁航向傳感器；所述高度傳感模塊18為半導體矽壓阻式氣壓高度傳感器；所述飛行姿態傳感模塊19包括檢測無人直升機俯仰/傾側姿態角的垂直陀螺儀和檢測無人直升機俯仰/傾側姿態角速率的角速率陀螺儀。
實施例二
在上述技術方案中，所述用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機的飛行控制方法，包括以下工作步驟：
a.啟動旋翼式無人直升機，在啟動過程中，由儲能蓄電池為無人機飛行控制器、甲醇水重整制氫發電模組及輸送泵供電；在甲醇水重整制氫發電模組啟動之後，由甲醇水重整制氫發電模組為無人機飛行控制器、輸送泵及直升機馬達供電，並為儲能蓄電池充電；
b.旋翼式無人直升機飛向目標空域，在飛行過程中，電力控制器將甲醇水重整制氫發電模組輸出的電能轉換為直升機馬達/儲能蓄電池/無人機飛行控制器所需求的適當電壓、電流的交流電/直流電，當直升機馬達即時功率迅速增大時，儲能蓄電池與甲醇水重整制氫發電模組一起為直升機馬達供電；
c.巡檢通信基站，航拍攝像設備對通信基站進行巡檢，獲取通信基站的實時圖像數據，同時將該實時圖像數據通過無線信號接收與發送器發送至地面控制站，完成巡檢作業。
優選地，所述甲醇水重整制氫及發電模組至少設置有兩組，直升機馬達在工作過程中，將即時功率需求量反饋給無人機飛行控制器；無人機飛行控制器根據即時功率需求量信息控制適當數量的甲醇水重整制氫發電模組運轉，並控制甲醇水儲存輸送裝置向運轉的甲醇水重整制氫發電模組輸送甲醇水原料；當即時功率需求量較小時，控制較少的甲醇水重整制氫發電模組運轉，當即時功率需求量較大時，控制較多的甲醇水重整制氫發電模組運轉。
優選地，所述用於巡檢通信基站的旋翼式無人直升機的飛行控制方法，其特徵在於：
a.旋翼式無人直升機在飛行過程中，地面控制站通過無線信號接收與發射器向無人機飛行控制器發送控制指令；相應地，無人機飛行控制器通過無線信號接收與發射器向地面控制站發送通信基站圖像數據信息；
b.旋翼式無人直升機在飛行過程中，無人機飛行控制器分別採集全球定位模塊的經緯度信息、航向傳感模塊的航向信息、高度傳感模塊的無人機高度信息、空速傳感模塊的無人機飛行速度信息、飛行姿態傳感模塊的無人機飛行姿態信息；
c.無人機飛行控制器採集到經緯度信息、航向信息、無人機高度信息、無人機飛行速度信息、無人機飛行姿態信息之後，通過控制直升機馬達、主傳動系統及副傳動系統來實現轉彎、升降、懸停及航速的調整，並將即時控制信息反饋給地面控制站。
以上所述，僅是本發明較佳實施方式，凡是依據本發明的技術方案對以上的實施方式所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的範圍內。