一种无人机及其发动机控制方法

摘要

本发明在无人机领域，为能够有效减小飞行时的风阻，公开了一种无人机，包括：机身；发动机，设置在机身前端；转毂，连接于发动机前端，转毂能够在发动机的驱动下转动，转毂上连接有多片叶片；发动机具有至少两个缸体，至少两个缸体沿机身的前后方向分布；应用上述无人机能够有效降低飞行风阻，本发明还提供两种无人机的发动机控制方法。

权利要求

1.一种无人机，其特征在于，包括：

机身；

发动机，设置在所述机身前端；

转毂（300），连接于所述发动机前端，所述转毂（300）能够在所述发动机的驱动下转动，所述转毂（300）上连接有多片叶片；

所述发动机具有至少两个缸体（100），至少两个所述缸体（100）沿所述机身的前后方向分布；

所述发动机还包括：

缸体（100）；

加热装置（400），设置在所述缸体（100）上，所述加热装置（400）用于加热所述缸体（100）；

温度传感器（210），设置在所述缸体（100）上，用于探测所述发动机的工作温度；

发动机控制单元，能够接收所述温度传感器（210）的检测数据并控制所述加热装置（400）；

散热片（200），与所述缸体（100）顶端连接；

导流片（220），转动连接于所述散热片（200）上，所述导流片（220）能够改变流经所述导流片（220）并吹到所述缸体（100）的气流的流向；

调整装置，所述调整装置能够调节所述导流片（220）相对于所述散热片（200）的转动角度θ；

所述发动机的控制方法包括以下步骤：

检测发动机工作温度T，当T≤T0时，启动加热装置（400）直至T≥T0然后启动发动机，其中T0为启动温度；当T0≤T≤T1时，T与θ之间的关系满足T=K3*θ，其中T4、T0和T1之间满足T0≤T1≤T4，T4为第一预设温度。

2.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述发动机包括：加热装置（400），设置在所述缸体（100）上，所述加热装置（400）用于加热所述缸体（100）。

3.根据权利要求2所述的无人机，其特征在于，所述发动机包括：温度传感器（210），设置在所述缸体（100）上，用于探测所述发动机的工作温度；

发动机控制单元，能够接收所述温度传感器（210）的检测数据并控制所述加热装置（400）。

4.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述发动机包括气门组件（520），所述气门组件（520）包括：安装架（521），开设有进气通道（523），所述进气通道（523）用于连接进气管（510）和缸体（100）的进气口；

滑片（524），与所述安装架（521）滑动连接，所述滑片（524）能够滑动至封堵所述进气通道（523）；

调节机构，设置在所述安装架（521）上，所述调节机构用于调节所述滑片（524）相对于所述安装架（521）的滑动位置。

5.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于，所述安装架（521）开设有两个所述进气通道（523），所述滑片（524）有两个，两个所述滑片（524）能够一一对应地滑动至封堵两个所述进气通道（523）。

6.一种无人机的发动机控制方法，用于控制权利要求1至5任意一项所述的无人机的发动机，其特征在于，包括如下步骤：检测外界气压P，控制发动机的喷油量ξ，使得ξ和P满足ξ/ξ0=P/P0，其中P0为标准大气压，ξ0为温度273.15K，气压为标准大气压时的最佳喷油量。

7.一种无人机的发动机控制方法，用于控制权利要求1至5任意一项所述的无人机的发动机，其特征在于，包括如下步骤：检测无人机的飞行气压高度q，控制油泵转速s，使得q和s满足q=As，其中A为比例系数。

说明书

一种无人机及其发动机控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无人机领域，特别涉及一种无人机及其发动机控制方法。

背景技术

[0002] 在目前的民用无人机当中，重油发动机被越来越多的采用，与汽油发动机相比，重油发动机有耐久性好、负载能力较强、性价比高、安全性高，高空性能优越等各项优点。

[0003] 在目前的无人机当中，活塞发动机普遍采用水平对置发动机的布置形式，在飞行过程当中，发动机气缸迎风面积较大，导致发动机的风阻较大。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种无人机，能够有效减小飞行时的风阻。

[0005] 本发明的无人机，包括：机身；发动机，设置在机身前端；转毂，连接于发动机前端，转毂能够在发动机的驱动下转动，转毂上连接有多片叶片；发动机具有至少两个缸体，至少两个缸体沿机身的前后方向分布。

[0006] 根据本发明的一些实施例，发动机包括：散热片，与缸体顶端连接；导流片，转动连接于散热片上，导流片能够改变流经导流片并吹到缸体上的气流的流向。

[0007] 根据本发明的一些实施例，发动机还包括调整装置，调整装置能够调节导流片相对于散热片的转动角度。

[0008] 根据本发明的一些实施例，发动机包括：加热装置，设置在缸体上，加热装置用于加热缸体。

[0009] 根据本发明的一些实施例，发动机包括：温度传感器，设置在缸体上，用于探测发动机的工作温度；发动机控制单元，能够接收温度传感器的检测数据并控制加热装置。

[0010] 根据本发明的一些实施例，发动机包括气门组件，气门组件包括：安装架，开设有进气通道，进气通道用于连接进气管和缸体的进气口；滑片，与安装架滑动连接，滑片能够滑动至封堵进气通道；调节机构，设置在安装架上，调节机构用于调节滑片相对于安装架的滑动位置。

[0011] 根据本发明的一些实施例，安装架开设有两个进气通道，滑片有两个，两个滑片能够一一对应地滑动至封堵两个进气通道。

[0012] 本发明第二方面的发动机控制方法，用于控制上述无人机的发动机，包括如下步骤：检测外界气压P，控制发动机的喷油量ξ，使得ξ和P满足ξ/ξ0=P/P0，其中P0为标准大气压，ξ0为温度273.15K，气压为标准大气压时的最佳喷油量。

[0013] 本发明第三方面的无人机的发动机控制方法，用于控制上述的无人机的发动机，包括如下步骤：检测无人机的飞行气压高度q，控制油泵转速s，使得q和s满足q=As，其中A为比例系数。

[0014] 根据本发明的一些实施例，比例系数A通过A=Kt/B确定，其中K为油泵转速s与油泵供油量Q的比值，t为飞行气压高度q与空气密度ρ的乘积，B为发动机的最佳混油比。

[0015] 应用本发明的无人机，在飞行过程当中，由于发动机的两个气缸沿机身的前后方向分布，飞行过程当中发动机仅有一个气缸的面积迎风，相对于单缸发动机，水平对置发动机至少两个气缸迎风的布置方式而言，迎风面积大大减小，飞行过程当中的风阻有效减小。

[0016] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0017] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0018] 图1为本发明实施例中飞机发动机部分结构的轴侧图；

[0019] 图2为图1中A处的放大图；

[0020] 图3为图1中B处的放大图；

[0021] 图4为图1中C处的放大图；

[0022] 图5为本发明实施例中加热装置的示意图；

[0023] 图6为本发明实施例中飞机发动机部分结构另一视角轴侧图；

[0024] 图7为本发明实施例中气门组件的轴测图；

[0025] 图8为图7中F处的放大图；

[0026] 上述附图包含以下附图标记。

[0027]标号 名称 标号 名称
100 气缸 410 安装座
200 散热片 420 电极
210 温度传感器 430 电加热棒
220 偏转挡板 510 进气管
230 拉杆 511 气滤
240 连杆 520 气门组件
250 摇臂 521 安装架
260 偏转舵机 522 气门舵机
300 转毂 523 进气通道
400 加热装置 524 滑片
    525 滑动杆

具体实施方式

[0028] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0029] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0030] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

[0031] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

[0032] 参考图1至图8，本发明的用于发动机的气门组件520，包括：安装架521，开设有进气通道523，进气通道523用于连接进气管510和缸体100的进气口；滑片524，与安装架521滑动连接，滑片524能够滑动至封堵进气通道523；调节机构，设置在安装架521上，调节机构用于调节滑片524相对于安装架521的滑动位置。

[0033] 应用上述用于发动机的气门组件520，在发动机运转时，可以通过调节结构调节滑片524相对于安装架521的位置，使得进气通道523的部分或者全部被滑片524封堵，滑片524的位置不同，进气通道523的进气面积不同，相对于现有技术当中通过翻板控制进风量的方式而言，通过滑片524控制进风量的线性程度大大增加，有效降低了发动机进气量的控制难度，便于调节发动机的进气量。

[0034] 其中，调整机构可以通过多种方式来调节滑片524的位置，例如通过电机或者气缸等机构带动滑片524滑动，或者通过传动机构，通过发动机运转时的动力来带动滑片524滑动。

[0035] 如图6至图8所示，调节机构包括驱动机构和滑动杆525，滑动杆525与滑片524转动连接，驱动机构与滑动杆525连接；此时，驱动机构可以带动滑动杆525运动，来带动滑片524滑动，在此驱动机构可以采用电机或者液压马达等多种动力装置来实现。

[0036] 如图8所示，驱动机构包括设置在安装架521上的气门舵机522，气门舵机522的摇臂250与滑动杆525转动连接；其中，气门舵机522带动摇臂250转动，摇臂250通过滑动杆525带动滑片524滑动，而舵机是无人机当中常用的动力形式，采用舵机能够便于精确控制滑片524的位置，同时减少无人机当中的动力种类。

[0037] 如图8所示，滑动杆525可以采用可伸缩滑动杆525，通过调节滑动杆525长度，可以使得气门组件520适应不同尺寸的发动机，提高气门组件520的通用性，其中，滑动杆525可以通过多种方式可伸缩，例如将滑动杆525分为两节，在两节滑动杆525上各自开设多级销孔，通过销钉固定两节滑动杆525，或者可以采用两节螺纹连接的杆段来充当滑动杆525。

[0038] 为了提高滑片524的摩擦寿命，滑片524表面涂覆有二硫化钼涂层；其中二硫化钼能够起到固体润滑剂的作用，减小滑片524与安装座410之间的摩擦。

[0039] 其中，进气管510前端还设置有气滤511，空气通过气滤511过滤后通过进气管510进入气门组件520。

[0040] 本实施例第二方面的用于无人机的发动机，包括缸体100和进气管510，还包括上述用于发动机的气门组件520。

[0041] 具体地，如图1、图6所示，缸体100有两个，两个缸体100均沿上下方向延伸，两个缸体100沿前后方向分布；其中，进气组件可以设置在歧管前端，使得经过进气组件限流后的气流通过歧管分配至各个气缸。

[0042] 当然，也可以如图7所示，装架开设有两个进气通道523，滑片524有两个，两个滑片524能够一一对应地滑动至封堵两个进气通道523 ；此时，一个气缸对应有一个滑片524和一个进气通道523单独控制进气量。

[0043] 如图8所示，调节机构包括驱动机构和滑动杆525，滑动杆525与两个滑片524均转动连接，驱动机构与滑动杆525连接，驱动机构位于两个滑片524之间的位置；此时，驱动机构可以通过控制滑动杆525朝向两侧移动，即可做到两个缸体100的进气通道523交替进气，便于两个气缸交替做功时控制两侧的进气，减小发动机的控制难度。

[0044] 其中驱动机构包括设置在安装架521上的气门舵机522，气门舵机522的摇臂250与滑动杆525转动连接。

[0045] 参照图1，发动机还包括：缸体100；加热装置400，设置在缸体100上，加热装置400用于加热缸体100。

[0046] 应用上述用于无人机的发动机，在启动阶段，可以控制加热装置400对发动机进行加热，使得在无需发动机点火燃烧燃料的情况下，缸体100温度能够上升至适当的温度，然后点火，对于重油发动机而言，能够有效避免启动阶段重油燃料燃烧不充分导致的发动机启动故障等问题，降低发动机启动阶段的故障率。

[0047] 当采用重油充当发动机原料时，发动机对于工作温度更加敏感，当发动机工作温度过低时，使用重油更容易出现燃烧不畅、积碳等问题，因此在重油发动机当中，加热装置400的作用更加重要。

[0048] 可以理解的是，加热装置400可以通过多种方式对缸体100进行加热，例如采用电加热装置400进行加热，或者采用热泵系统对缸体100进行加热等。

[0049] 如图4、图5所示，加热装置400包括：安装座410；电加热棒430，设置在安装座410上，电加热棒430与缸体100抵接。

[0050] 具体地，电加热棒430有多个，电加热棒430一端设置有电极420，电极420用于为电加热棒430供电。

[0051] 如图4所示，为了便于发动机维护，缸体100上连接有缸盖，缸盖与缸体100可拆卸配合，加热装置400设置在缸盖上；在进行发动机维护时，可以只需拆卸缸盖和电加热装置400，即可对缸体100内壁进行维护，无需拆卸整个发动机。

[0052] 如图1所示，发动机还包括：散热片200，与缸体100顶端连接；导流片220，转动连接于散热片200上，导流片220能够改变流经导流片220并吹到缸体100上的气流的流向。

[0053] 应用上述发动机散热装置，当发动机温度过高时，可以通过调整装置带动导流片220偏转，使得流经导流片220并吹向缸体100的气流增加，加强发动机散热，使得发动机工作温度降低到指定的温度范围；当发动机温度过低时，可以通过调整装置带动导流片220偏转，使得流经导流片220并吹向缸体100的气流减少，削弱发动机的散热，使得发动机温度上升到指定的温度范围；通过控制气流方向即可达到控制发动机工作温度的目的，结构简单且便于控制。

[0054] 其中发动机还包括调整装置，调整装置能够调节导流片220相对于散热片200的转动角度，在发动机启动阶段，加热装置400可以在重油燃料不燃烧的情况下，帮助发动机尽快达到正常的工作温度，而在飞行过程当中，调整装置可以操纵导流板，调整发动机的工作温度，避免发动机温度过高或者过低，在发动机启动和工作全程，加热装置400和导流片220配合可以保障发动机稳定运行。

[0055] 如图3所示，调整装置能够调节导流片220相对于散热片200的转动角度；在飞行过程当中，调整装置可以根据发动机的运转情况，实时调整导流片220的偏转角度；当然，在无需飞行过程中适时调整的前提下，也可以不设置调整装置，手动调整导流片220的偏转位置后固定；可以理解，调整装置可以依靠多种方式调整导流片220的位置，例如通过与导流片220转轴同轴设置的电机或者气缸带动导流片220转动，也可以通过伸缩气缸或者直线电机拉动导流片220一端，使得导流片220转动。

[0056] 如图2所示，调整装置包括：拉杆230，与导流片220转动连接，拉杆230能够带动导流片220向上或者向下偏转；驱动装置，能够通过带动拉杆230上下运动；此时，驱动装置仅需通过对拉杆230仅需推拉，即可调整导流片220的转动角度.

[0057] 如图3所示，驱动装置包括偏转舵机260，偏转舵机260的摇臂250与拉杆230转动连接；此时，偏转舵机260可以控制摇臂250转动，使得摇臂250能够带动拉杆230上下运动，带动导流片220转动；在无人机上，舵机是较为常用的动力件，具有易于控制、转矩大等优点，使用舵机控制偏转角度能够简化飞机上的动力形式，便于控制。

[0058] 具体地，如图2、图3所示，调整装置还包括连杆240，连杆240的两端分别转动连接摇臂250和拉杆230，连杆240可伸缩设置。

[0059] 具体地，连杆240包括：杆体；两个连接头，分别与拉杆230和摇臂250转动连接；两个连接头与杆体的两端螺纹连接；当需要调节连杆240长度时，只需扭动连杆240，改变连杆240与两端连接头的螺纹配合距离即可，由于螺纹的反向自锁性能，调整长度后的螺杆能够较好的保持调整后的长度；当然，也可以采用其他形式的可伸缩的连杆240，例如通过多级销钉销孔配合的连杆240等。

[0060] 如图4所示，缸体100有两个，两个缸体100上均设置有加热装置400。

[0061] 可以理解的是，上述发动机还包括发动机控制单元，发动机控制单元可以接收温度传感器210的检测数据，并以此为根据控制加热装置400的运行以及调整装置的状态，有效保障发动机正常运转。

[0062] 应用上述发动机，在启动阶段，可以控制加热装置400对发动机进行加热，使得在无需发动机点火燃烧燃料的情况下，缸体100温度能够上升至适当的温度，然后点火，对于重油发动机而言，能够有效避免启动阶段重油燃料燃烧不充分导致的发动机启动故障等问题，降低发动机启动阶段的故障率；其中，发动机控制单元能够通过温度传感器210实时检测发动机的工作温度，当加热装置400将缸体100加热到预定温度后即可关闭加热装置400，防止耗电量过大导致电瓶亏电，发动机无法启动的事故。

[0063] 本实施例还公开一种用于无人机的发动机控制方法，用于控制上述用于无人机的发动机，其包括如下步骤：检测发动机工作温度T，当T低于预定值时，启动加热装置400。

[0064] 具体地，当T≤T0时，启动加热装置400直至T≥T0然后启动发动机，其中T0为启动温度；当发动机升温到启动温度之前，可以在不点火的情况下控制加热装置400对发动机进行加热，使得发动机尽快升温，避免在低温环境下燃烧重油燃料；其中T0优选为120℃。

[0065] 当发动机温度到达T0后，发动机点火运转，此时可以控制调整装置，调整导流片220的角度，具体如下:检测发动机的工作温度T，调整导流片220相对于散热片200的偏转角度θ，使得T接近第一预设温度T4，T4为第一预设温度T4。

[0066] 在飞行过程当中，当发动机温度过高时，可以通过调整装置带动导流片220偏转，使得流经导流片220并吹向缸体100的气流增加，加强发动机散热，使得发动机工作温度降低到指定的温度范围；当发动机温度过低时，可以通过调整装置带动导流片220偏转，使得流经导流片220并吹向缸体100的气流减少，削弱发动机的散热，使得发动机温度上升到指定的温度范围；通过控制气流方向即可达到控制发动机工作温度的目的，结构简单且便于控制；特别地，调整装置可以在飞行过程当中适时调整导流片220角度，控制发动机的工作温度。

[0067] 当T1≤T≤T2时，T与θ之间的关系满足T=K1*θ，其中T4、T1和T2之间满足T1≤T4≤T2；当θ为0时，导流片220处于与散热片200平行的状态；在T1‑T2这个区间内，发动机处于正常温度工作状态，在实际工况下T1优选为130℃，T2优选为150℃，而T4实际上为发动机的最佳工作温度，优选为140℃；当然，根据发动机情况不同，T1、T2与T4的数值也会改变。

[0068] 具体地，当发动机工作温度偏高时，导流片220偏转角度增大，发动机散热增强，温度逐渐回落至T4附近；当温度位于T4时，θ为0。

[0069] 进一步地，当T2≤T≤T3时，T与θ之间的关系满足T=K2*θ，其中T4、T2和T3之间满足T4≤T2≤T3；当T2≤T≤T3时，发动机处于温度偏高的警戒温度范围内，需要急剧散热，因此在该工况下，导流片220会向上偏转较大角度，使得发动机散热进一步加强，帮助发动机尽快降温；具体地，在本实施例当中，T3优选为159摄氏度。

[0070] 另一方面，当T0≤T≤T1时，T与θ之间的关系满足T=K3*θ，其中T4、T0和T1之间满足T0≤T1≤T4；当T0≤T≤T1时，发动机处于工作温度交底的境界温度范围内，需要尽快升温使得发动机回到正常温度范围内，此时导流片220向下偏转较大角度，减少发动机散热，使得发动机尽快升温。

[0071] 在本方法当中，导流片220向上偏转时θ为正值，导流片220向下偏转时θ为负值。

[0072] 如图5所示，在本实施例当中，装配于无人机上的发动机优选为纵置双缸发动机，发动机的两个缸体100沿无人机的前后方向放置，螺旋桨与转毂300位于发动机前侧，导流片220位于两个缸体100后侧；相对于传统的水平对置发动机来说，能够有效降低迎风阻力。

[0073] 在本实施例当中，发动机工作温度T和θ均为变量，其他数值例如T0、T1、T2、T3、T4、K1、K2以及K3等均为常数。

[0074] 本实施例也提供一种无人机，包括：机身；发动机，设置在机身前端；转毂300，连接于发动机前端，转毂300能够在发动机的驱动下转动，转毂300上连接有多片叶片；发动机具有至少两个缸体100，至少两个缸体100沿机身的前后方向分布。

[0075] 其中，发动机可以为本实施例其他部分的发动机。

[0076] 本实施例还提供了两种无人机的发动机控制方法，用于控制上述无人机的发动机。

[0077] 其中，第一种方法包括如下步骤：检测外界气压P，控制发动机的喷油量ξ，使得ξ和P满足ξ/ξ0=P/P0，其中P0为标准大气压，ξ0为温度273.15K，气压为标准大气压时的最佳喷油量；此时，无人机装配有大气压力传感器，可以用于检测外界气压P，发动机控制单元可以根据外界气压的大小，根据上述关系调整喷油量，使得发动机能够较好的维持最佳喷油比；其中ξ0可以采用地面标定的方法，在地面上模拟273.15K，气压为标准大气压时环境测试发动机并得出具体数值，作为控制依据。

[0078] 另一方面，第二种方法包括以下步骤：检测无人机的飞行气压高度q，控制油泵转速s，使得q和s满足q=As，其中A为比例系数；也即在其中，油泵转速s和飞机高度q成正比，当无人机爬升，q增大时，油泵转速s也随之增大，使得发动机能够较好的保持最佳油气混合比。

[0079] 具体地，比例系数A通过地面标定的方法测定，也可以通过以下方法计算得到：比例系数A通过A=Kt/B确定，其中K为油泵转速s与油泵供油量Q的比值，t为飞行气压高度q与空气密度ρ的乘积，B为发动机的最佳混油比；其中，t、B和K均为常数。

[0080] 上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。