农用多旋翼无人机作业能耗白盒模型构建与试验_李继宇.pdf
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1、2 0 2 3 年 8 月农 业 机 械 学 报第 54 卷 第 8 期doi:106041/j issn 1000-1298 2023 08 008农用多旋翼无人机作业能耗白盒模型构建与试验李继宇张植勋赵胤伟沈卓刘知杰吕佳(华南农业大学工程学院,广州 510642)摘要:为了减少因能量有限而导致无人机飞行时间有限的问题,研究农用无人机在飞行时的作业能耗是十分必要的。本研究以农用多旋翼无人机为研究对象,采用白盒建模的方法,依照动力系统各部件原理,构建了农用无人机的飞行总效率模型,再根据农用无人机的飞行特点,建立了一种针对农用无人机的作业能耗模型,并通过对农用无人机的速度、载荷和航程这 3 个动
2、态参数分组试验得到的数据进行了验证。结果表明,模型具有较高的精度,最大平均误差约为 6.582%,最大绝对误差中位数约为 7.654%。最后对模型的各个参数进行分析,引入模型修正系数对模型进行修正,修正后的模型精度相比修正前的最大平均误差减少约 3.092 个百分点,误差中位数减少约 3.612个百分点,修正后效果显著。本研究构建的理论模型可以用于农用无人机作业能耗的计算和预测,在规划无人机任务前就可以得到相应的作业能耗并进行优化,也可以适配不同控制器的其他旋翼机型,具有一定的应用价值。关键词:农业;无人机;能耗;白盒模型中图分类号:S252文献标识码:A文章编号:1000-1298(2023
3、)08-0087-10OSID:收稿日期:2022 09 09修回日期:2022 12 10基金项目:广东省自然科学基金项目(2021A1515010736)和广州市重点研发计划项目(2023B03J1323)作者简介:李继宇(1979),男,教授,博士生导师,主要从事精准农业航空研究,E-mail:lijiyu scau edu cn通信作者:吕佳(1979),女,讲师,博士,主要从事精准农业航空研究,E-mail:lvjia scau edu cnConstruction and Experiment of White Box Model for EnergyConsumption of
4、Agricultural Multi-rotor UAV OperationLI JiyuZHANG ZhixunZHAO YinweiSHEN ZhuoLIU ZhijieL Jia(College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)Abstract:In order to reduce the problem of limited flight time of UAVs due to limited energy,it isnecessary to study the oper
5、ational energy consumption of agricultural UAVs during flightTakingagricultural multi-rotor UAV as the research object,the white-box modeling method was used to constructthe total flight efficiency model of agricultural UAV according to the principle of each component of thepower system,and then an
6、operational energy consumption model was established for agricultural UAVaccording to the flight characteristics of agricultural UAV,and the data obtained were verified by groupingtests of three dynamic parameters,namely speed,load and range of agricultural UAV The resultsshowed that the model had a
7、 high accuracy,with a maximum average error of about 6.582%and amedian maximum absolute error of about 7.654%Finally,each parameter of the model was analyzedand the model correction coefficient was introduced to correct the model,and the accuracy of thecorrected model was reduced by about 3.092 perc
8、entage points of the maximum mean error and about3.612 percentage points of the median error compared with the maximum mean error before thecorrection,which was significant after the correction The theoretical model constructed can be used forthe calculation and prediction of agricultural UAV operat
9、ion energy consumption,and the correspondingoperation energy consumption can be obtained and optimized before planning the UAV mission,and it canalso be adapted to other rotor models with different controllers,which had certain application valueKey words:agriculture;UAV;energy consumption;white-box
10、model0引言当前我国农用无人机在所有机型中超过 80%,农用无人机的优势主要体现在:用途广泛,无人机在农业领域可以进行喷药施肥1、授粉播种2、农情监测3、生物检测4 和放牧喂食5 等任务。使用方便效率高,其作业地形不受限制,还可以通过航线完成监测和撒药等作业,植保用药效率高,可以最大程度减少病虫害;经济效益明显,例如其单位植保费用相比传统方法低 30%50%,效率是人工的20 50 倍。农用无人机根据类型可以分为单旋翼、多旋翼、固定翼,按旋翼类型目前主要有 4 旋翼、6 旋翼、8 旋翼及更多旋翼构型,目前大规模使用的是 4 旋翼和6 旋翼。根据能源类型可以分为电动和油动,其中无人机电动转换
11、效率为 70%,油动转换效率为30%,因此本文针对以锂电池为动力的农用无人机进行研究。目前商品锂电池的能量密度普遍低于200 W h/kg,使得农用无人机配套的电池可供续航时间最多为 20 min,难以满足当前农用无人机对长航程、长航时、大负载的作业需求。虽然增加电池数量和减少载荷可以提高续航能力,但前者增加重量,导致额外的能量消耗,后者降低了效率6。为了降低因电池容量有限而导致无人机飞行时间有限的影响,对农用无人机在飞行时的作业能耗进行研究是十分必要的。目前针对农用无人机作业能耗研究主要围绕黑盒或白盒建模。黑盒建模主要通过数据预处理、回归法、实验法和测试法等针对整体系统的各个模块实际的作业能
12、耗数据进行采集,并拟合成有关函数进行建模。ABEYWICKAMA 等7 通过使用实验法对无人机各种状态下电池使用情况进行研究,得到一个完整的无人机能耗模型,但该方法只针对单款无人机在单种电池使用情况下进行研究,缺乏对无人机系统的原理性分析。PASETIA 等8 通过使用数据收集、数据预处理和回归法提出了一种基于任务的无人机能耗预测模型,然而该方法缺乏对无人机能耗规律的研究。林晋立等9 通过测试法搭建测试平台构建了针对多旋翼农用无人机功率能耗计算的理论模型,不过该方法并未通过实际飞行测试,只使用试验架进行固定测试。ABUK 等10 通过黑盒模型中经验测量法得出每个子系统能耗对整体能耗的影响,但该
13、研究缺少对电机这个消耗最大的子系统进行进一步原理性分析。TAUB11 通过测试法使用不同种类锂电池进行风洞研究以评估电池放电行为,得到一个准确的续航估计值,通过研究电池在无人机飞行过程的能耗消耗情况对农用无人机作业能耗的研究具有一定的借鉴意义。黑盒建模研究虽然可以更加准确得到无人机的模型,但只是针对被测无人机进行建模,且需要大量重复的试验,存在一定局限性。白盒建模主要通过研究整体性系统的各个模块(包含电机、螺旋桨、电池、电调等)或者飞行任务下的原理推导进行建模。DOLING 等12 通过整体建模方法推导得出多旋翼无人机在悬停时的能耗,主要重点是将消耗的功率与无人机重量联系起来,没有 分 析 在
14、 飞 行、起 飞 或 着 陆 期 间 的 能 耗。ACHTELIK 等13 通过研究微型飞行器上 4 个以上螺旋桨和电机的影响,针对几种类型的多旋翼进行建模,以比较它们的动力学、效率和冗余,然而该方法只针对螺旋桨和电机进行建模分析,缺乏对整个动力系统进行建模和分析。SHI 等14 通过研究螺旋桨、电机、电调、电池这 4 个动力系统的主要部件,得到适合多种机型性能综合评价方法,不过该方法仅针对无人机进行静态模型建模,没有对有关动态模型建模的进一步分析。BEZZO 等15 研究飞行任务 3 个阶段的能耗特点,然而该研究最后只专注于匀速段路径,忽略了路径的加速部分和减速部分。白盒建模研究相较于黑盒建
15、模减少了比较多的重复性试验,从原理性分析可以更好地了解农用无人机任务飞行的能耗变化特点,且通过该方法建立的模型可以更好的规划无人机任务以降低能耗。国内外学者已从不同的角度对无人机作业能耗建模进行研究,提供了较高的参考价值。对于目前针对农用无人机飞行任务下不同飞行参数下的作业能耗缺乏有效评估的问题,本文在前人研究的基础上,通过白盒建模方法针对农用无人机动力系统各个能耗部件进行建模,并结合农用无人机任务中的飞行过程得到作业能耗模型,通过建立一个可靠且完整的农用无人机作业能耗模型,来评估飞行任务下的作业能耗。同时上述国内外研究所使用的无人机大多数轴距和尺寸较小,比较适用于航拍、巡检等简单任务,没有针
16、对农用无人机的任务特点进行研究。因此,本研究针对农用无人机飞行任务中的速度、航程和载荷这 3 个动态参数设计试验,并进行试验验证,以验证模型的有效性。1白盒理论模型构建理论模型主要是由电池输入功率和螺旋桨输出功率的总效率模型以及克服重力所做的功、加速减速段所做的功和克服空气阻力所做的功的做功模型组成,其中总效率模型表示电池输入功率到螺旋桨输出功率的转化关系。如图 1 所示,首先根据农用无人机所使用的动力系统的螺旋桨、电机、电调和电池这 4 个组件的原理进行白盒建模16,得到总效率模型,然后根据所得到的无人机总效率模型结合无人机飞行过程的动态飞行参数,计算出无人机匀速直线飞行所需的能量,包括保持
17、无人机高度所需能88农业机械学报2 0 2 3 年量与克服空气阻力所需能量的总和,最终得到农用无人机的作业能耗模型。图 1总效率模型示意图Fig 1Schematic of total efficiency model当前作业能耗模型的输入参数为动力系统参数和飞行参数。其中动力系统参数是来自所使用无人机供应商提供的参数,飞行参数是来自飞行任务时所设定的参数,阻力参数中无人机受空气阻力影响的有效面积近似为无人机最大截面面积17,阻力系数为无人机整体的阻力系数18。1.1总效率模型构建为了得到总效率模型,需要对农用无人机所使用的动力系统螺旋桨、电机、电调和电池这 4 个组件进行建模。在建模时首先需
18、要计算螺旋桨输出功率,再根据螺旋桨输出功率对应的螺旋桨转速和转矩,求出电池输入功率。1.1.1螺旋桨输出功率农用无人机在不同任务下有不同的高度,处于不同环境也存在不同的温度,不同高度和温度下的大气压强和空气密度不同,这两个因素都直接影响无人机螺旋桨所提供的推力,进而对无人机的能耗存在影响。将无人机当前高度 h 和温度 Tt输入,求解出当前大气压强 pa19 和空气密度 为pa(=101 3251 0.006 5h273+T)t5.256 1(1)=273pa101 325(273+Tt)0(2)式中0 标准空气密度农用无人机通常采用定直径和定螺距的螺旋桨,螺旋桨转速 N20 为N=60TD4P
19、CT槡(3)其中T=m0gnp(4)CT=1432BPK0p 0A+K0(5)式中T 单个螺旋桨所提供的拉力DP 螺旋桨直径CT 螺旋桨拉力系数m0 整机质量g 重力加速度np 螺旋桨个数 叶片翼型面积修正系数 位置系数BP 桨叶数量K0 升力曲线斜率 下洗气流校正因子p 螺旋桨桨叶角0 螺旋桨零升力角A 展弦比螺旋桨转矩是指螺旋桨运转时克服空气阻力所需的转矩,则螺旋桨转矩 M21 为M=CQ(N)602D5P(6)其中CQ=18A2Cd2B2P(7)Cd=Cfd+AK20e(p 0)2(A+K0)2(8)式中CQ 螺旋桨转矩系数,是螺旋桨转矩的无纲量系数Cd 螺旋桨叶片截面翼型的阻力系数Cf
20、d 零升阻力系数e 奥斯瓦尔德效率因子螺旋桨桨叶角定义为中螺旋桨的旋转平面(A B)与螺旋桨桨叶弦线(A C)之间的夹角。假设其沿其半径方向保持不变,则桨叶角 p为p=arctanHPDP(9)式中HP 螺旋桨螺距将上面建模得到的螺旋桨拉力特性和转矩特性与常见二叶螺旋桨试验数据进行比较,综合考虑不同螺旋桨的型号和工艺,选取一组适应性较广的平均参数22,则取值为:A=5,=0.85,=0.75,=0.5,e=0.83,Cfd=0.015,0=0,K0=6.11。综合以上公式可计算螺旋桨输出功率 Pp为Pp=30npMN(10)1.1.2电池输入功率在飞行中,螺旋桨和电机可以视为一个整体,所以螺旋
21、桨转矩等价于电机负载转矩、螺旋桨转速等价于电机空载转速,而且农用无人机一般使用无刷直流电机,无刷电机可以等效为一个永磁直流电机模型23,结合电机基本参数可得出电机等效电压Um和电机等效电流 Im24 为Um(=MKT+Im)0m+KEN(11)Im=MKT+Im0(12)式中KT 电机转矩常数98第 8 期李继宇 等:农用多旋翼无人机作业能耗白盒模型构建与试验KE 电机反电势常数Im0 电机空载电流m 电机内阻电机转矩常数 KT和电机反电势常数 KE存在关系式24,为KT=9.55KE(13)其中KE=Um0 Im0mKV0Um0(14)式中Um0 电机空载电压KV0 电机空载 KV 值电调调
22、制下无刷电机的转速范围主要取决于电机负载转矩与电池电压,所以电调调节占空比后的等效直流电压 Ue为Ue=Um+Ime(15)式中e 电调内阻电调输出电压占空比可以等效反映油门大小,所以电调输出电压占空比 和电调输入电流Ie为=UeUb(16)Ie=Im(17)式中Ub 电池电压电池除了提供动力系统的电流,还提供其他机载设备(如飞行控制器、机载计算机等)电流,同时电池电流在传输过程会出现电流损耗,根据测算这部分所消耗的电流 Io一般约为 1 A。所以电池电流Ib为Ib=nrIe+Io(18)综合以上公式得电池输入功率 Pb为Pb=UbIb(19)1.1.3总效率模型最终根据螺旋桨输出功率 Pp和
23、电池输入功率Pb得到总效率 total为total=PpPb=30nrMNUbIb(20)1.2作业能耗模型构建为了构建最终的作业能耗模型,对农用无人机的整个飞行过程的作业能耗参数进行研究。其中作业能耗参数中无人机的载荷主要影响飞行时克服重力所做的功,速度和无人机航程主要影响整段飞行任务的作业能耗。建模时结合总效率模型后,再对飞行任务中速度、航程和载荷的这 3 个动态参数进行分析,得到最终的作业能耗模型。如图 2 所示,无人机飞行时克服重力所做的功为 EG,在带载荷时还会受到额外的重力影响。再根据动能定理,得到加速减速段所做的功为 EK,最后结合阻力所做的功为ED,经过总效率模型转换得到所需作
24、业能耗 E。图 2作业能耗示意图Fig 2Schematic of dynamic energy consumption1.2.1无人机克服重力所做的功 EG根据激励盘理论,螺旋桨可以简化为一个无厚度可穿透的圆盘25,所有螺旋桨圆盘的总面积At为At=nr(DP)22(21)在飞行时,空气流过螺旋桨,向下推动空气,螺旋桨每秒向下推动的空气质量 m为ma=Atva(22)其中va(=2m0gA)t12(23)式中va 流过螺旋桨圆盘的空气速度所有螺旋桨对空气质量 ma施加的力 FP等于无人机的重力,FP为FP=mava=m0g(24)最后可得功率 P026 为P0=Atv3a2(=2A)t12(
25、m0g)32(25)图 3加速减速段所做功示意图Fig 3Schematic of work done by accelerationand deceleration sections农用无人机沿着直线飞行,如图 3 所示。在 t0时刻,从 v0开始加速直到在 t1达到速度 v1。保持速度直到 t2,在 t3减速到 v0,假设速度 v1和 v2相同,速度都等于 v,无人机克服重力所做的功 EG为EG(=dv+v)aP0(26)式中d 飞行距离v 飞行速度a 加速度1.2.2加速减速段所做的功 EK根据动能定理,如图3 所示,假设速度 v1和 v2相同,且等于设定速度 v,则加速减速段所做的功相
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