一种集群式僚机接力供电的重载旋翼无人机系统

本发明涉及无人飞行器设计与电力传输，尤其是涉及一种集群式僚机接力供电的重载旋翼无人机系统。

背景技术：

1、旋翼无人机凭借其垂直起降、定点悬停及灵活机动的特性，在应急救援物资投送、偏远地区大宗货物运输、高空作业辅助以及军事后勤保障等领域展现出广阔的应用前景。尤其是针对百公斤级以上重载物的低空吊运任务，多旋翼重载无人机已成为当前的研究与应用热点。

2、现有的重载旋翼无人机通常在无人机机身内部或底部直接搭载动力电池组或燃油发动机作为唯一动力源，旋翼系统、飞控系统及任务载荷（如重载吊钩）均集成于同一物理平台之上。该架构在轻小型无人机中已趋于成熟，但在重载场景下暴露出以下难以克服的缺点：

3、1. 能源自重挤压有效载荷，空重比严重失衡

4、重载任务要求无人机具备足够大的旋翼拉力，而旋翼产生的升力需同时克服机体自重、能源重量及任务载荷重量。由于当前高能量密度电池或燃油的能量质量比存在物理极限，为延长续航或提供足够的功率冗余，无人机必须携带大量能源，导致机体空重急剧上升。

5、2. 载重能力与续航时间无法兼顾

6、在起飞重量受限的前提下，若优先保障载重能力，则必须削减能源携带量，导致续航时间大幅缩短、作业半径严重受限；若优先保障航程，则需增加电池或油箱容量，进而直接侵占有效载荷空间。

7、3. 单机能源密度瓶颈导致作业半径受限，跨区域任务难以完成

8、即便采用当前能量密度最高的电池或涡轮动力，单机重载无人机的航时通常仍局限在数十分钟至一小时量级。对于跨区域、远距离的重型物资运输任务（如山区救援、海岛补给），单机无法覆盖完整航程，中途降落充电或更换电池又会导致任务中断。

9、4. 能源耗尽即任务终止，无法长时间持续作业

10、现有重载无人机在电池电量耗尽或燃油用尽时，必须降落充电/加油，无法实现不间断悬停或持续飞行。在需要长时间定点保持（如高空吊装、应急照明、通信中继）的场景下，单机架构完全无法满足要求。

11、cn202111134137.2公开了蜂巢式集群多旋翼无人机结构及其控制方法，包括多台无人机本体，每台所述无人机本体上均架设有框架，所述框架呈多边形并围绕在所述无人机本体的外侧，所述框架内侧通过连接杆与所述无人机本体相连接；所述框架上还设有固定机构，所述固定机构用于使各所述框架之间可拆卸连接，从而使多台所述无人机本体互相组合并同步飞行。当其中一台无人机发生故障，通过控制权及实时飞行数据转移，并判断动力故障是否低于动力冗余设定，以执行返航程序或继续预设航线任务。但是能源与载荷仍共平台，续航仍受单机电池总量限制。

12、综上所述，现有重载旋翼无人机受限于能源与载荷共平台的物理架构，存在空重比高、续航与载重互斥、作业半径受限、无法持续作业、设备通用性差等系统性缺陷，严重制约了低空重工领域的工程化应用。因此，亟需一种能够将能源供应与载荷平台物理分离、并支持空中动态能源接续的新型无人机系统架构。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集群式僚机接力供电的重载旋翼无人机系统，主机空重压低，有效载荷比提升，超长航程任务可行，动力连续性有保障。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种集群式僚机接力供电的重载旋翼无人机系统，包括重载主机、供电僚机和中央协调控制器；

4、所述重载主机包括轻质高刚度多边形框架主体、多组大功率旋翼升力组件、中心重载吊钩、受电母线及伸缩臂；所述大功率旋翼升力组件通过长悬臂设置于所述多边形框架主体周侧，所述受电母线沿主机中心轴向分布，用于汇总电力输入；所述伸缩臂安装于重载主机上部，伸缩臂根部设有线缆绞盘，伸缩臂内部设有线缆导向槽，伸缩臂末端设有圆形集口及带有引导斜面的主机侧快插件，伸缩臂内还设有电控锁止结构；

5、所述供电僚机设有动力电源，供电僚机通过线缆与所述主机侧快插件可拆卸连接；所述线缆集成高压超细导线与高强抗拉纤维；

6、中央协调控制器用于控制所述线缆绞盘调节线缆长度、控制所述电控锁止结构动作，以及协供电僚机的供电状态切换。

7、进一步的，所述供电僚机的动力电源为电池组、涡轮发电机或氢燃料电池动力系统中的一种。

8、进一步的，所述供电僚机的数量为多个，多台供电僚机分布于所述重载主机的周侧。

9、进一步的，供电僚机更换控制逻辑为：当供电僚机的剩余电量降至预设临界阈值时，所述中央协调控制器控制对应伸缩臂的线缆绞盘启动主动回收模式，引导供电僚机向伸缩臂末端的圆形集口靠拢飞行；当主机侧快插件完全进入圆形集口并达到硬性物理限位时，所述电控锁止结构激活，锁定主机侧快插件；随后，低电量供电僚机释放快插锁扣并脱离，满电供电僚机通过视觉传感器与无线射频标签识别主机侧快插件位置，执行靠泊并使机载快插口与主机侧快插件嵌合，电控锁止结构闭合完成电路导通；满电供电僚机疏散飞行时，所述线缆绞盘控制线缆脱出至安全距离，恢复供电状态。

10、进一步的，所述中央协调控制器采用能量梯度分配算法，为不同周侧的供电僚机设定差异化的电量预警值，形成交替式供电阶梯；在供电僚机更换过程中，中央协调控制器锁定正常供电的供电僚机进入高功率模式。以补偿换电工位缺失的升力与电能，确保重载主机周围始终至少有一台僚机处于满负荷供电状态。

11、进一步的，在供电僚机更换时，所述伸缩臂根据重载主机重心变化动态调节伸缩长度，通过力臂调整抵消因供电僚机脱离产生的倾覆力矩。

12、进一步的，还包括分布式能源接力站网络：在超长航程任务的航线关键节点预置僚机能量补充站；当在役供电僚机剩余能量接近预设阈值时，地面指挥中心调度补充站内的满电供电僚机集群起飞，在预定汇合区域与重载主机进行速度及姿态同步；采用分批轮换机制进行供电僚机更换：重载主机与供电僚机协同减速至交会窗口速度，首批低电量供电僚机脱离机械连接，补充站的满电供电僚机随即完成捕获与接驳；待首批接驳稳态确认后，剩余旧供电僚机依次撤离，由新一轮供电僚机组补位。

13、进一步的，所述重载主机内部不设置主要动力电源，仅通过受电母线接收供电僚机输送的电能。

14、进一步的，所述旋翼升力组件具备动力冗余特性，以保障吊运重物过程中的姿态稳定。

15、进一步的，所述主机侧快插件的引导斜面用于辅助满电供电僚机的机载快插口对准嵌合。

16、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

17、（1）主机空重压低，有效载荷比提升，超长航程任务可行。重载主机内部不设置主要动力电源，只保留受电母线汇总电力；能源重量全部外置到僚机。传统旋翼无人机电池/燃油自重随续航需求平方级增长，挤压载重；本发明僚机轮替补给，或依托分布式能源接力站网络在航线节点分批换机。僚机能量补充站、分批轮换机制，使低空重吊运可跨区、全天候连续作业。

18、（2）动力连续性有保障。中央协调控制器采用能量梯度分配算法，不同周侧僚机设差异化电量预警，形成交替供电阶梯；其余正常僚机被锁定进入高功率模式，补偿缺失的升力与电能；伸缩臂根据重心变化动态调节长度，力臂调整抵消倾覆力矩。