多旋翼无人机动力系统的实现形式研究

周乐

摘   要：多旋翼无人机因其比传统飞行器体积小、操控简单、飞行成本低等优点，已经被广泛应用于影视航拍、新闻媒体、交通管理、飞行表演、农业植保、电力巡线、测绘等领域。文章主要介绍了多旋翼无人机动力系统的几种实现形式，通过内燃机、锂电池、燃料电池锂电池混合动力3种驱动形式的动力系统示意图分别简述其工作原理和优缺点。

关键词：多旋翼无人机;动力系统;混合动力;燃料电池

1    多旋翼无人机发展

自20世纪20年代出现多旋翼无人机以来，四旋翼无人机已有近90年的發展历程[1]，然而，由于多旋翼飞行器的飞行效率并不高，并且受到过去技术发展水平的限制，多旋翼无人机的稳定性设计非常差，容易受到气流扰动和碰撞的影响，其有效载荷很小，并且由于当时有关人员没有强调控制困难和缺乏实用性[2]，缺乏设备组件的集成，机体太笨重。在21世纪，科学技术的发展，特别是高新技术的发展、算法控制的出现、传感器的小型化等，使得多旋翼无人机再次受到人们的关注，越来越多国家的科研机构高等院校以及高新技术企业开始重视这一行业。

1.1  国外多旋翼无人机发展历史和研究现状

为了成功实现飞行，许多国外工程师试图在设计的多旋翼飞机上安置各种飞行动力。如早在20世纪20年代，法国C.Richet教授就设计了一架小的直升机，尽管结果不成功，但这一举动却激发了他的学生Breguet的兴趣，1907年，Breguet兄弟开发出世界上第一台36.7 kW内燃机驱动的“Breguet-Richet Gyroplane No.1”多旋翼飞机，1907年8月24日，在法国北部杜埃，“Breguet-RichetGyroplane No.1”号多旋翼飞机首次试飞，在试飞时，飞机高出地面0.61 m，徘徊了将近1 min[3-6]。

在小型多旋翼无人机的研究领域，由美国Draganflyer公司开发的名为“Draganflyer Ⅲ”的多旋翼无人机，其主体材料为高性能塑料和碳纤维复合材料，高度为18 cm，整机重481.1 g，旋翼直径28 cm，整个无人机可负载113.2 g，驱动电池可以提供大约16～20 min的连续飞行，并且其4个电机转速可以通过飞控设备来控制，“Draganflyer Ⅲ”还有3个陀螺仪来控制其姿态稳定[7]，这可以提高整体飞行的稳定性。

虽然微型多旋翼无人机的研究取得了成果，国外对工业级多旋翼无人机和载人多旋翼飞行器的研究也在持续进行，例如，在德国，名为“E-vovo”的公司开发了一种名叫“VC200”的载人多旋翼飞机，它的机身主要由超轻碳纤维的复合材料制成，这种多旋翼飞机可以飞行约20 min[8]。

1.2  国内多旋翼飞行器的发展与研究现状

在消费级多旋翼无人机的开发过程中，东莞银辉玩具有限公司开发了一种电动四旋翼无人机，该机的主体材料由聚丙烯塑料发泡材料制成，其机身长度为68.5 cm，高度为14 cm，该机的动力系统是一个电力驱动的系统[9]。

创立于2006年的大疆创新科技有限公司，是一家研发、生产、销售多旋翼无人机的独角兽企业，它的产品涵盖了消费级多旋翼无人机、工业级多旋翼无人机以及无人机任务挂载设备。该公司发布的多类型多旋翼无人机已经广泛应用于全球各地，例如DJI公司最近于2018年8月23号发布的“御”Mavic 2系列无人机，“御”Mavic 2系列多旋翼无人机属于大疆航拍系列第5代消费级多旋翼无人机，该无人机装配有专业相机，能实现8 km高清图传，具有左、右、上、下、前、后6个方向的避障飞行功能[10]。

2    多旋翼无人机系统组成

无人机系统（Unmanned AeriaI System，UAS）由地面部分和空中部分组成。（1）地面部分，包含地面站、数传电台，图传电台、遥控器。其中，地面站由指挥处理中心、无人机控制站、载荷控制站3部分组成。（2）空中部分，包含飞机和任务载荷[11]，空中部分的飞机指多旋翼无人机，通过每个轴上的电动机或者内燃机旋转驱动以产生向下的推力使多旋翼无人机垂直飞离地面，它是一种特殊的直升机。多旋翼无人机包括动力装置、控制系统、机械部件、数据传输装置、无人机任务载荷和遥控器。

2.1  动力装置

多旋翼无人机动力装置的主要作用是为无人机的飞行提供动力，主要包括电动机或者内燃机、电子调速器、螺旋桨和电池4个部分[12]。（1）电动机或者内燃机，负责将电能或者化学能转化为机械能，目前，多旋翼无人机的电动机以无刷直流电机为主，内燃机以四冲程发动机为主。（2）电子调速器，负责将飞行控制系统的控制信号快速转变为电枢电压和电流，以控制电动机的速度。（3）螺旋桨，是直接产生推力的部件，旋转方向分为正反两种。（4）电池，是多旋翼无人机的能源，与多旋翼无人机的飞行距离和最大负载重量等重要指标直接相关。对于多旋翼无人机而言，动力系统是其起飞阶段、稳定飞行阶段、降落阶段的核心硬件。

2.2  控制系统

通过多旋翼无人机所配置的姿态传感器、气压计、加速度计甚至雷达及视觉传感来接收信号。接收的信号进入中央处理器，中央处理器里的飞行控制算法和程序进行信号处理来稳定多旋翼无人机的飞行姿态。在GPS模式下通过路线规划或者自主返航可实现飞机的自主、半自主飞行。

2.3  机械部件

机械部件是多旋翼无人机的结构支撑体，一般由轻型材料切割、装配、加工而成，除了用于安装机臂、负载设备、飞控等设备外，还用于多旋翼无人机起降时支撑，通常还加装一些橡胶件起到减缓降落冲击作用。

2.4  数据传输设备

将各种类型的数据（例如无人机拍摄的图片和视频）无线传播到数据接收设备。

2.5  任务载荷

多旋翼无人机根据执行的任务需要，搭载不同的任务载荷，如影视航拍设备、新闻媒体播报设备、交通管理设备、飞行表演设备、农业植保设备、电力巡线设备、测绘设备等。同时，遥控器用于无线实时控制多旋翼无人机。

3    内燃机动力系统

多旋翼无人机内燃机动力系统由活塞式航空发动机、燃油供给系统、电喷系统等组成。活塞航空发动机是一种四冲程、由火花塞点火的发动机，工作原理如图1所示。

燃油供给系统由以下部分（见图2）组成：①为油泵支架;②为油泵;③为泄压阀;④为燃油滤清器;⑤为1号直通快插接头;⑥为2号直通快插接头;⑦为一分六分油器;⑧为供油盒下盒;⑨为供油盒上盒;⑩为供油盒油滤盖。

电喷系统由以下部分组成：①为电喷主体;②为电喷嘴支架;③为发动机空滤;④为舵机;⑤为舵机摇臂;⑥为球头拉杆;⑦为电喷嘴;如图3所示。

采用内燃机动力的无人机续航时间长，一般可以达到1～4 h，且加注燃油方便快捷，动力系统强劲有力，非常适合植保作业，有利于农药的下沉扩散。但是该动力系统长时间工作稳定性差，容易出现供油不足甚至油泵损坏，而且发动机的维护保养专业性强，一般操作人员难以正确使用和维护，维护所需工具繁多，一旦出现炸机，修复成本高，更换发动机耗时过长。

4    锂电池动力系统

锂电池动力系统通常包括锂电池、ESC、电机、螺旋桨等，锂电池多旋翼无人机结构如图4所示。

锂电池动力系统相较于其他动力系统体积更小、重量更轻，尤其是目前锂电池技术发展迅速，单位体积能量密度越做越大，有利于多旋翼无人机的设备布置，增加任务负载的挂载位置。目前，很多锂电池在功能上设计成插拔式，大大提升了换电速度，提高了作業效率。但是目前锂电池的续航时间基本没有超过1 h，平均续航时间没有超过30 min，在进行远距离或者长时间飞行任务时，往往需要频繁地返回起飞点更换电池，影响飞行任务的完成实效性甚至无法完成飞行任务，同时，频繁地更换电池导致需要储备较多电池，使得整机的购买成本大大上升，考虑到锂电池的使用寿命一般只有3年左右，使得无人机的使用成本比较高。

5    燃料电池锂电池混合动力系统

燃料电池组成高电压大功率系统，实现无人机系统效率和续航时间的提升，从而提升了系统的飞行半径和挂载能力。采用高可靠性、节能型的高电压动力系统，进一步提高了系统的效率。高压动力系统采用矢量控制技术，进一步提高了系统的飞行性能。最大起飞重量可以达到100 kg，最大有效载荷可以达到20 kg，抗风等级可以达到12 m/s，可以连续地将化学能转换成电能而不受卡诺循环的限制。

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电机。是利用燃料发电的最高效方式，整个反应没有燃烧过程，没有任何有害物质排放，几乎没有噪音，也不需要维护，可以直接使用天然气、甲醛、氢气。但是燃料电池反应过程不能快速变化，即电机无法实现快速地变换转速，所以整个动力系统还需并联锂电池进行电流的补充。实现多旋翼无人机的起飞以及快速机动。

该混合动力系统中燃料电池使用的是质子交换膜型燃料电池，质子交换膜燃料电池是一种低温燃料电池，采用空气作为氧化剂，能量转化效率可以达到40%～60%，明显高于内燃机的能量转化效率，而且在常温下启动快、寿命长、无污染。燃料电池锂电池混合动力无人机，具有以下优势：

（1）高电压电子调速系统针对大惯量、长航时特性飞行平台设计，拥有强可靠性和节能型等优势。

（2）完成高电压电子调速系统的设计验证、老化和产品化等工作，符合模块化设计需求，可以满足多种同类型产品的需求。

（3）达到高可靠性，满足工业、军工、反恐等特殊需求。

（4）高节能型，有效延长飞行器续航时间，并且减少功率器件额外能量损耗，有助于提高可靠性。

但该动力系统体积大，燃料电池造价昂贵，加注氢气不够便捷。

6    结语

多旋翼无人机的经济性指标、动力性、成本、用途、续航时间等在无人机设计之前会有一些共性的要求，比如长续航、载重量大、能量源加注快等，而锂电池动力系统已经广泛应用于消费级和工业级多旋翼无人机。目前，该行业面临一个共同瓶颈就是飞行时间短，当需要长时间飞行时，必须储备较多电池，间接导致飞行成本增加，而随着燃料电池技术的成熟，批量生产后燃料电池的价格未来将大大降低，燃料电池锂电池混合动力在多旋翼无人机上的应用将大大延长多旋翼无人机续航时间，减少能量源加注次数和加注时间，大大提升多旋翼无人机作业效率。

[参考文献]

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