一种混合动力无人机实验平台设计

王 鹤 肖 岩 唐鑫祥 薛慧芳

（北方民族大学，宁夏 银川750000）

目前市面上无人机主要分为电动型无人机和油动型无人机，伴随着科技进步和国家大力鼓励创新的背景下，混合动力型无人机变成了研究热门。混合动力无人机结合了电动型无人机的精准控制、转速高、能源清洁等优点以及油动无人机负载大、滞空时间长等优点，是一种新型实用的机型。

尽管多旋翼无人机的技术在一定程上已趋于成熟，但在实际运用过程中还是会暴露出一些问题。多旋翼无人机是通过螺旋桨旋转动产生的升力来承担负载重量的，这种飞行方式的效率是低于固定翼飞机的翼载方式。在携带同等重量的负载时，多旋翼无人机的耗能要高于固定翼无人机和无人直升机。目前锂电池是市面上绝大部分消费级和工业级多旋翼无人机的动力能源，难以实现长滞空大负载的应用需求。

基于此，本文设计一种油电混合动力无人机的实验平台，用于研究电动和油动相结合的一种无人机飞行控制方案，改善当前各类型无人机的性能。

1 系统设计比较

油电混合动力无人机主要分为三种：串联式油电混合动力系统、并联式油电混合动力系统、混联式油电混合动力系统。

串联式油电混合动力系统：螺旋桨与电动机单独连接给无人机提供主要的升力，进而驱动飞机平稳飞行，同时还能驱动发电机给电池供电机械和电气系统之间的能量转换造成大量的能量损失。

并联式油电混合动力系统：该系统具有较高的能量转换效率。但因为飞机螺旋桨驱动轴与发动机传动机构直接耦合在了一起, 所以这种设计可能会使得发动机不能在最佳工况点附近工作，能量效率会有所限制。

联式油电混合动力系统：将串联式与并联式一定程度的结合在一起就形成了混联式。发动机所产生的机械能被分成两部分，一部分传递给电机，另一部分传给发电机之后转化为电能存储到电池中。但是增加了机械结构的复杂度，从而使得其整体重量要远高于串联式和并联式。

设计考虑实验平台能做到轻量化、能量使用效率高、设计结构简洁有效。因此，本文选择并联式油电混合动力系统为基础的解耦并列式油电混合模式作为动力系统的基本设计方案。

2 系统设计方案

如图1 所示，该系统是基于电动六旋翼无人机的硬件框架进行设计和改装的机型。顶端加装油动内燃机和主螺旋桨，为其提供主要动力。发动机利用油箱供应燃油，利用飞控发出的控制信号控制内燃机的开车和刹车，电池用于给其它旋翼进行供能，利用飞控对电调进行控制进而控制飞行电机。由于单纯在发动机上安装一个螺旋桨作为升力旋翼也会使得无人机在飞行时产生自旋的现象。因此，本文提出一种设计方案，以传统六旋翼无人机作为平台，将其中一对螺旋桨作为平衡升力旋翼所产生扭矩的反扭矩旋翼，余下四个旋翼作为辅助旋翼。如图1所示，将六旋翼无人机的A、D 两个旋翼作为平衡旋翼，飞行时与主旋翼作为相反方向，平衡加装的主旋翼所产生的扭矩，剩下B、C、E、F 四个旋翼作为姿态调整。

图1 无人机旋翼示意图

3 系统无人机平台的组建

因为本文实验所需要搭建的多旋翼无人机平台为六旋翼无人机，另外考虑到还要加装发动机等辅助实验设备以及后期要开展的实验验证，所以使用F550 机架。

电机和电调是多旋翼无人机的主要动力输出设备。多旋翼大多使用的外转子电机，因为外转子电机的磁钢是做成片状贴在外壳上，相比内转子电机来说转子的转动惯量要大很多。因此本文所搭建的六旋翼无人机平台选用了银燕2216 直流无刷外转子电机。

电调最主要的作用是通过改变PWM 信号的占空比来对电机的转速进行改变，电调起到了对信号的放大作用。本文所搭建的六旋翼无人机平台的电调选用XRotor-20A-亚太版。

飞控是用来控制无人机本身的姿态、位置、路径的飞行控制系统。本文所搭建的六旋翼无人机平台选择PX4 自驾仪系列中的Pixhawk4 作为飞控。

数传是数据传输系统的简称，主要作用是帮助地面操作人员实时的对无人机的飞行状态进行感知与定位等。机载收发模块安装在无人机机体上，地面收发模块安装在遥控设备上。本文选择3DR 公司推出的3DR Radio Telemetry 模块，遥控器和接收机是无人机遥控链路的重要组成部分，它们的作用是把地面操作人员的控制命令传到自驾仪上，通常遥控器上提供给操作人员一些自定义的设置选项，比如油门的正反、摇杆灵敏度等。本文所搭建的六旋翼无人机平台选择乐迪At9s 作为遥控器，其有九个通道，能够满足实验需求。接收机选择与遥控器适配的乐迪R9DS 接收机电池的功能是为动力系统提供能量。本文所搭建的六旋翼无人机平台的电池选5300mAh 锂电池，它由三节电芯组成，额定电压11.1V。

4 发动机实验平台搭建

无人机通常选择活塞式燃油发动机。活塞式燃油发动机一般分为四冲程和二冲程，四冲程发动机常用于大型无人机，虽然燃油效率高但其体积较为庞大，重量较重，而且成本较高，而二冲程发动机则结构较为简单、体积小、重量轻、低成本，在中小型无人机上被普遍使用。因此本设计选择了OS 公司生产的MAX-55HZ Hyper 发动机二冲程活塞燃油发动机。具体参数如表1。

表1 发动机主要参数

发动机模块的硬件设计如图2 所示。图中1 为升力旋翼，2为飞轮，3 为油箱，4 为油管，5 为回油管，6 为接收器，7 为降压模块，8 为电源线，9 为排气筒，10 为油门舵机，11 为油门连杆，12 为启动按钮，13 为启动控制装置；发动机底座包括两块20cm×15cm 的底板，两块底板间的高度为5cm，并且夹层中放置了启动器电池以及控制线。其中，飞轮的设置是为了保证发动机转轴在转动时的稳定性。排气筒的设置有两个作用，一方面是为了更高效率的排出废弃燃料，另一方面是为了增加气缸内的压力。

图2 发动机模块硬件

5 无人机电动平台控制

电机转速的控制实际上是通过改变由主FMU 发出的PWM信号的占空比来实现的。在整个PWM 控制中，一般使用高电平时间1000us 到2000us 为有效信号区间，其中1000us 为最低输出，2000us 为最高输出，停转信号设定为900us。

在正常情况下PWM 的输出过程首先通过飞控姿态解算部分得到姿态的控制量，然后通过px4io.cpp 程序将姿态控制量发送到IO 串口，由IO 串口来对姿态控制量进行读取；之后调用systemlib 部分进行混合控制，把姿态控制量转换为电机控制量；同样还是在混合控制部分中，使用mixer_tick()函数将电机控制量转换为PWM 控制量，紧接着再调用up_pwm_servo_set 函数对PWM 寄存器进行设置；最终完成PWM 的输出。

6 发动机的控制

本文设计油门舵机与无人机共用一块电池供电。设计一个降压电路来对接收机供电。接收机负责接收遥控器的控制信号对油门舵机进行控制，油门舵机通过油门连杆与发动机节气门进行联动，利用节气门的开合程度的改变来控制发动机的进气量，进而控制发动机的转速。只要能够控制发动机的转速，就能实现对升力旋翼转速的控制，如图3 所示，使用油门连杆将油门舵机连接到化油器，上通过舵机的运动行程控制发动机节气门的开度，调节发动机的供油量。此外，在油门连杆的一端还加装弹簧，用来辅助舵机能够自动回中，保证发动机不轻易熄火。再将油门舵机通过接收机与遥控器连接，并在遥控器中选定一路可以自动回中的通道。

图3 油门控制系统

7 实物图展示

图4 平台实物图

8 结论

本文设计了一种并联式油电混合动力系统为基础的解耦并列式油电混合模式的无人机实验平台。该实验平台利用燃油发动机作为无人机主旋翼，利用六轴无人机其中两轴作为平衡主旋翼的平衡旋翼，利用剩余四只旋翼进行姿态稳定，通过二次发开PX4 开源飞控源码，使其能够为混合动力无人机相关实验开展提供平台。经过实践证明，该平台符合开发要求，并顺利试飞，对今后更多相关项目的开发与应用提供了经验，具有一定的推广价值。