一种多旋翼电动飞机的安全控制系统及方法与流程

本发明涉及电动飞机技术领域，特别涉及一种多旋翼电动飞机的安全控制系统及方法。

背景技术：

随着城市人口的增加，为了节约使用者的时间并减少交通拥堵，出现了一种新的交通方式来替代原有的出行方式。电动飞机使用电动力推进系统代替内燃机动力，从而获得了很多优点和独特品质。与传统燃料动力飞机相比，电动飞机的电推进系统可靠性高、低噪音、清洁、运营成本低等，在飞行过程中，飞机重量不会发生变化(燃料电池飞机除外)，飞机的重心位置不变，起飞重量与着陆重量相等，着陆时刻相对灵活，乘坐舒适性好，是名副其实的环境友好飞机。而且电动飞机彻底改变短途航班，大幅减少所需飞行时间和成本费用，结构简单、操作使用简便、维修性好等特点。世界各地的大型航空公司都在努力减少排放、噪音，以及降低运营和维修等成本，因此可以预计在未来，会有更多的飞机系统使用电力。电动飞机是绿色航空发展的主要方向，此外，电动飞机的研制进一步助推绿色通航产业的发展。

传统的电动飞机多一般设计为多旋翼，且旋翼的数目可以分为四旋翼、六旋翼和八旋翼等。多旋翼电动飞机的最大特点就是具有多对旋翼，并且每对旋翼的转向相反，用于抵消彼此的反扭力矩。且传统的电动飞机也存在电池冗余设置，使用多个电池为一个电机供电或者每个螺旋桨上设置动力单元等设计，但上述设计并不能保证其中几个螺旋桨损坏时，能够稳定运行，不发生自旋，不能避免由于动力系统完全失效导致坠毁的情况发生，难以保证乘客和地面通过人员的生命安全。

基于现有技术存在的缺点，急需研究一种多旋翼电动飞机的安全控制系统及方法，来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的提供了一种多旋翼电动飞机的安全控制系统及方法，本发明通过设置多个并联连接的动力组件，其中一个动力组件发生故障时，可将其移除，这保证了其他动力组件的稳定运行；且螺旋桨中心对称设置，且安装在中心对称的两个螺旋桨上的两个第一电机与一个电池包串联连接，即当其中一个螺旋桨故障时，使电池包不对发生故障的同一动力组件上的两个第一电机进行供电，这避免了电动飞机发生自旋，保证了电动飞机的稳定运行。

本发明公开了一种多旋翼电动飞机的安全控制系统，包括动力控制器和至少两个并联连接的动力组件；

所述动力组件包括电池包、两个中心对称设置的螺旋桨和设置在各螺旋桨上的第一电机；其中，所述第一电机的数量与所述螺旋桨的数量相对应；且两个中心对称的所述螺旋桨的转向相同；

所述电池包安装在电动飞机上，一个所述电池包与两个中心对称的所述第一电机串联连接；

所述电池包和所述第一电机分别与所述动力控制器电连接。

进一步地，每个所述第一电机与所述电池包之间均设置有控制开关，所述控制开关与所述动力控制器电连接，所述控制开关用于控制所述第一电机和所述电池包之间的通断。

进一步地，还包括电池控制器，所述电池控制器分别与所述电池包和所述动力控制器电连接；所述动力控制器用于通过所述电池控制器控制所述电池包的供电状态。

进一步地，还包括第二电机和第三电机，所述第二电机和所述第三电机均设置在所述电动飞机上；

所述第二电机通过第一连接线与一个所述电池包电连接，所述第一连接线上设置有第一可控断路器；所述第三电机通过第二连接线与另一个所述电池包电连接，所述第二连接线上设置有第二可控断路器；其中，所述第一可控断路器和所述第二可控断路器均与所述动力控制器电连接。

进一步地，还包括电动飞机，所述电动飞机为对称形状，所述螺旋桨对称设置在所述电动飞机的两侧；其中，所述螺旋桨的数量为二的整数倍。

进一步地，还包括电机控制器，所述电机控制器与所述动力控制器电连接，所述电机控制器还分别与所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机电连接。

进一步地，还设置有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器与电池控制器电连接；

所述第一传感器与电池包电连接，所述第一传感器用于获取所述电池包的信息，并将所述电池包的信息发送给所述电池控制器；

所述第二传感器分别与所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机电连接，所述第二传感器用于分别获取所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的信息，并将所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机的信息发送给所述电机控制器。

本发明另一方面保护一种多旋翼电动飞机的安全控制方法，用于应用在如上任意一项所述的多旋翼电动飞机的安全控制系统，所述方法包括以下步骤：

获取每个所述第一电机的第一状态信息；

依次将每个所述第一电机的第一状态信息与第一预设条件比较；

当所述第一电机的第一状态信息不满足所述第一预设条件时，确定与其中心对称的第一电机；

控制切断与两个中心对称第一电机串联连接的控制开关。

进一步地，所述控制切断与两个中心对称第一电机串联连接的控制开关之后还包括：

获取螺旋桨转动所需的总扭矩，同时获取未切断控制开关的第一电机的数量；

根据总扭矩和所述第一电机的数量，计算第一输出扭矩；

根据第一输出扭矩驱动所述第一电机转动。

进一步地，所述根据第一输出扭矩驱动所述第一电机转动之后还包括：

获取每个所述电池包的第二状态信息；

依次将每个所述电池包的第二状态信息与第二预设条件进行比较；

当所述电池包的第二状态信息满足第二预设条件时，判定所述电池包处于运行状态；

当所述电池包的第二状态不信息满足第二预设条件时，判定所述电池包处于故障状态，同时切断与所述电池包串联连接的控制开关。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明通过设置多个并联连接的动力组件，其中一个动力组件发生故障时，可将其移除，这保证了其他动力组件的稳定运行；且螺旋桨中心对称设置，且安装在中心对称的两个螺旋桨上的两个第一电机与一个电池包串联连接，即当其中一个螺旋桨故障时，使电池包不对发生故障的同一动力组件上的两个第一电机进行供电，这避免了电动飞机发生自旋，保证了电动飞机的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其它附图。

图1为本实施例多旋翼电动飞机的安全控制系统的结构图；

图2为本实施例电动飞机的俯视图。

其中，图中附图标记对应为：

1-电池包；2-螺旋桨；3-第一电机；4-第二电机；5-第三电机；6-控制开关；7-第一可控断路器；8-第二可控断路器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现有技术存在以下缺点：传统的飞机存在电池冗余设置，使用多个电池为一个电机供电或者每个螺旋桨上设置动力单元等设计，但上述设计并不能保证其中几个螺旋桨损坏时，能够稳定运行，不发生自旋。

针对现有技术的缺陷，本发明通过设置多个并联连接的动力组件，其中一个动力组件发生故障时，可将其移除，这保证了其他动力组件的稳定运行；且螺旋桨中心对称设置，且安装在中心对称的两个螺旋桨上的两个第一电机与一个电池包串联连接，即当其中一个螺旋桨故障时，使电池包不对发生故障的同一动力组件上的两个第一电机进行供电，这避免了电动飞机发生自旋，保证了电动飞机的稳定运行。

实施例1

参见附图1～图2，本实施例提供了一种多旋翼电动飞机的安全控制系统及方法，所述系统包括动力控制器和至少两个并联连接的动力组件；

所述动力组件包括电池包1、两个中心对称设置的螺旋桨2和设置在各螺旋桨2上的第一电机3；其中，所述第一电机3的数量与所述螺旋桨2的数量相对应；且两个中心对称的所述螺旋桨2的转向相同；

所述电池包1安装在电动飞机上，一个所述电池包1与两个中心对称的所述第一电机3串联连接；

所述电池包1和所述第一电机3分别与所述动力控制器电连接。

需要说明的是：所述动力组件的个数可以根据实际需求进行设定；当所述动力组件出现故障时，可移除出现故障的动力组件，调节其他动力组件的输出状态，使得所述电动飞机达到降额且安全飞行的目的；通过设置多个并联连接的动力组件，其中一个动力组件发生故障时，可将其移除，这保证了其他动力组件的稳定运行；且所述螺旋桨2中心对称设置，且安装在中心对称的两个螺旋桨2上的两个第一电机3与一个电池包1串联连接，即当其中一个螺旋桨2故障时，使电池包1不对发生故障的同一动力组件上的两个第一电机3进行供电，这避免了电动飞机发生自旋，保证了电动飞机的稳定运行。

优选地，每个所述第一电机3与所述电池包1之间均设置有控制开关6，所述控制开关6与所述动力控制器电连接，所述控制开关6用于控制所述第一电机3和所述电池包1之间的通断。

具体地，在一个动力组件上设置有串联连接的两个所述控制开关6，这使得一个第一电机3发生失效，即切断与失效的第一电机3中心对称设置的第一电机3的控制开关6。

优选地，还包括电池控制器，所述电池控制器分别与所述电池包1和所述动力控制器电连接；所述动力控制器用于通过所述电池控制器控制所述电池包1的供电状态。

具体地，所述电池控制器的个数可以为一个或多个，当所述电池控制器为一个时，所述电池包1均与所述电池控制器电连接；当所述电池控制器为多个时，所述电池包的个数与所述电池控制器的个数一一对应，即一个电池控制器与一个电池包连接，且多个所述电池控制器均与所述动力控制器电连接。

优选地，还包括第二电机4和第三电机5，所述第二电机4和所述第三电机5均设置在所述电动飞机上；

所述第二电机4通过第一连接线与一个所述电池包1电连接，所述第一连接线上设置有第一可控断路器7；所述第三电机5通过第二连接线与另一个所述电池包1电连接，所述第二连接线上设置有第二可控断路器8；其中，所述第一可控断路器7和所述第二可控断路器8均与所述动力控制器电连接。

具体地，所述第二电机4和所述第三电机5的个数均为多个，所述第二电机4和所述第三电机5并联设置，且所述第二电机4和所述第三电机5的个数相等，具体数量不进行限制，只要保证多个所述第二电机4和所述第三电机5均并联设置即可。

具体地，也可只设置一个所述第二电机4或只设置一个所述第三电机5；所述第二电机4和所述第三电机5均可以作为推拉桨电机使用。

具体地，所述第二电机可以设置在电动飞机的后方作为推桨电机使用，所述第二电机也可以设置在电动飞机的前方作为拉桨电机使用；在此不进行限定，只要保证所述第二电机能够与所述电池包1串联连接即可；

所述第三电机可以设置在电动飞机的后方作为推桨电机使用，所述第三电机也可以设置在电动飞机的前方作为拉桨电机使用；在此不进行限定，只要保证所述第三电机能够与所述电池包1串联连接即可。

具体地，所述电池包的个数可以三个；当所述电池包的个数为三个时，每个所述第二电机4分别通过三根所述第一连接线与三个所述电池包串联连接，且每根所述第一连接线上均设置一个所述第一可控断路器7；每个所述第三电机5分别通过三根所述第二连接线与三个所述电池包串联连接，且每根所述第二连接线上均设置一个所述第二可控断路器8。

具体地，所述第一可控断路器7和所述第二可控断路器8均分别与一个电池包1串联连接。

优选地，还包括电动飞机，所述电动飞机为对称形状，所述螺旋桨2对称设置在所述电动飞机的两侧；其中，所述螺旋桨2的数量为二的整数倍，这避免了电动飞机发生自旋，保证了电动飞机的稳定运行。

优选地，还包括电机控制器，所述电机控制器与所述动力控制器电连接，所述电机控制器还分别与所述第一电机3、所述第二电机4和所述第三电机5电连接。

具体地，所述电机控制器用于控制所述第一电机3、所述第二电机4和所述第三电机5的运动状态。

优选地，还设置有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器与电池控制器电连接；

所述第一传感器与电池包1电连接，所述第一传感器用于获取所述电池包1的信息，并将所述电池包1的信息发送给所述电池控制器；

所述第二传感器分别与所述第一电机3、所述第二电机4和所述第三电机5电连接，所述第二传感器用于分别获取所述第一电机3、所述第二电机4和所述第三电机5的信息，并将所述第一电机3、所述第二电机4和所述第三电机5的信息发送给所述电机控制器。

具体地，所述第一传感器用于获取所述电池包1的电压值和电流值等，所述第二传感器用于获取所述第一电机3、所述第二电机4和所述第三电机5的电压值和电流值等。

本发明另一方面保护一种多旋翼电动飞机的安全控制方法，用于应用在如上任意一项所述的多旋翼电动飞机的安全控制系统，所述方法包括以下步骤：

获取每个所述第一电机的第一状态信息；

依次将每个所述第一电机的第一状态信息与第一预设条件比较；

当所述第一电机的第一状态信息不满足所述第一预设条件时，确定与其中心对称的第一电机；

控制切断与两个中心对称第一电机串联连接的控制开关。

需要说明的是：将所述第一电机的的第一状态信息与第一预设条件进行比较的目的是确定所述第一电机是否处于故障状态，即所述第一电机出现过载、短路或断路等情况；当所述第一状态信息满足所述第一预设条件时，判定所述第一电机处于健康状态，所述健康状态是指：所述第一电机未出现过载、短路或断路等情况，所述第一电机能够稳定的带动所述螺旋桨进行转动。

具体地，所述控制切断与两个中心对称第一电机串联连接的控制开关之后还包括：

获取与两个中心对称第一电机串联连接的电池包；

控制切断与所述电池包串联连接的第一可控断路器或第二可控断路器。

具体地，当仅是所述第一电机在进行工作时，可以将此时电动飞机的工作模式定义未升桨模式；当仅是第二电机和第三电机进行工作时，可以将此时电动飞机的工作模式定义为推拉桨模式；当所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机同时进行工作时，可以将此时电动飞机的工作模式定义为升桨和推拉桨组合模式；

在其他实施例中，根据不同的工作模式来确定不同的故障模式，所述模式包括第一故障类型、第二故障类型和第三故障类型，所述第一故障类型为所述升桨模式下发生的故障，所述第二故障类型为所述推拉桨模式下发生的故障，所述第三故障类型为推拉桨模式下发生的故障。

具体地，所述电动飞机垂直起飞和垂直降落为升桨模式；所述电动飞机平飞过渡为升桨和推拉桨组合模式；所述电动飞机加速爬升、巡航和减速下降均为推桨模式。

优选地，通过所述工作模式来确定故障类型包括：

获取所述电动飞机的第三状态信息；其中，所述第三状态信息包括所述电动飞机距离地面的高度、所述电动飞机的速度和所述电动飞机的运动方向等；

根据所述第三状态信息，判断所述电动飞机是否处于运动工况；

当所述电动飞机处于运动工况时，获取所述第一电机的第一状态信息、所述电池包的第二状态信息和所述第二电机的第四状态信息；

根据所述第一状态信息、所述第二状态信息和所述第四状态信息，确定所述电动飞机的运行工况；

当所述电动飞机处于升桨模式时，分析多个第一电机的第一状态信息；

当存在第一电机处于故障状态时，确定所述电动飞机处于第一故障类型；

将存在故障状态的动力组件与未出现故障状态的动力组件脱离开，即断开与出现故障状态的第一电机串联连接的控制开关，并切换为停止模式，控制所述电动飞机进行降落；其中，所述停止模式为电动飞机进行降落。

具体地，所述第三传感器能够获取所述第三状态信息，所述第三传感器可以为雷达高度计或空速计等。

优选地，所述第一状态信息包括第一电机的电压值和电流值；

所述依次将所述第一状态信息与所述第一预设条件比较包括：

依次获取第一电机的电压值和电流值；

将所述电压值与第一预设范围进行比较，将所述电流值与第二预设范围比较；

当所述电压值在所述第一预设范围且所述电流值在所述第二预设范围时，判定所述第一状态信息满足第一预设条件；

当所述电压值不在所述第一预设范围和/或所述电流值不在所述第二预设范围时，判定所述第一状态信息不满足第一预设条件。

所述判定所述第一状态信息不满足第一预设条件之后还包括：当所述第一状态信息不满足第一预设条件时，发出第一提示信号，所述第一提示信号用于提示所述第一电机处于故障状态；其中，两个中心对称的第一电机可能其中一个处于故障状态，或者两个都处于故障状态。

优选地，所述控制切断与两个中心对称第一电机串联连接的控制开关之后还包括：

获取螺旋桨转动所需的总扭矩，同时获取未切断控制开关的第一电机的数量；

根据总扭矩和所述第一电机的数量，计算第一输出扭矩；

根据第一输出扭矩驱动所述第一电机转动。

具体地，所述根据第一输出扭矩驱动所述第一电机转动之后还包括：

控制所述电动飞机进行降落。

具体地，所述螺旋桨转动所需的总扭矩为带动所述动力组件中每个螺旋桨转动的扭矩之和；所述螺旋桨转动所需的总扭矩也可以看成此时带动所述电动飞机稳定运行的总扭矩。

具体地，所述第一输出扭矩为根据所述总扭矩和所述第一电机的数量计算的平均扭矩；其中，此处所述第一电机的数量为未切断控制开关的第一电机的数量。

需要说明的是：当切断与两个中心对称的所述第一电机连接的控制开关之后，为了保证所述电动飞机在部分第一电机失效的情况下完成降额飞行，实现非坠毁落地，调节未处于故障状态的第一电机的输出扭矩，最后输出能够保障所述电动飞机稳定飞行的第一输出扭矩控制所述第一电机转动。

在本实施例中，还可以为了克服此螺旋桨产生的反向力矩，对每个所述第一电机的扭矩进行微调，具体根据实际情况进行设定，在此不进行赘述。

优选地，所述获取每个所述第一电机的第一状态信息之前还包括：

获取每个所述电池包的第二状态信息；

依次将每个所述电池包的第二状态信息与第二预设条件进行比较；

当所述电池包的第二状态信息满足第二预设条件时，判定所述电池包处于运行状态；

当所述电池包的第二状态不信息满足第二预设条件时，判定所述电池包处于故障状态，同时切断与所述电池包串联连接的控制开关。

具体地，所述第二状态信息包括电压值和电流值；

所述依次将所述第二状态信息与所述第二预设条件比较包括：

依次获取电池包的电压值和电流值；

将所述电压值与第三预设范围进行比较，将所述电流值与第四预设范围比较；

当所述电压值在所述第三预设范围且所述电流值在所述第四预设范围时，判定所述第二状态信息满足第二预设条件；

当所述电压值不在所述第三预设范围和/或所述电流值不在所述第四预设范围时，判定所述第二状态信息不满足第二预设条件。

所述判定所述第二状态信息不满足第二预设条件之后还包括：当所述第二状态信息不满足第二预设条件时，发出第二提示信号，所述第二提示信号用于提示所述电池包处于故障状态，其中，所述电池包的故障包括热失效等。

具体地，将当所述电池包处于故障状态时，将与其串联连接的两个控制开关、第一可控断路器或第二可控断路器切断，避免电池包发生热失效时，影响到与其并联连接的其他电池包和与其串联连接的第二电机或第三电机。

优选地，所述当所述电池包的第二状态不信息满足第二预设条件时，判定所述电池包处于故障状态，同时切断与所述电池包串联连接的控制开关之后还包括：

获取与处于故障状态下所述电池包串联连接的第一可控断路器的通断情况；当第一可控断路器处于通路时，控制所述第一可控断路器断开，使其处于断路，并控制其他第一可控断路器闭合，使第二电机能够通过其他电池包串联连接从而进行供电；

获取与处于故障状态下所述电池包串联连接的第二可控断路器的通断情况；当第二可控断路器处于通路时，控制所述第二可控断路器断开，使其处于断路，并控制其他第二可控断路器闭合，使第三电机能够通过其他电池包串联连接从而进行供电。

优选地，当所有的第一电机均处于故障状态时，断开所有控制开关，使用第二电机和/或第三电机完成平飞/滑行降落；

当所有的第二电机和第三电机均处于故障状态时，完成无推力滑翔之后，使用第一电机进行多旋翼飞行，进而完成安全降落。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征能够相互结合。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

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