一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法

摘要

本发明公开了一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法，包括步骤：测量并标定电动力无人机空载质量M0；将质量可变载重物安装到电动力无人机上；启动电动力无人机作业，保持电机转速、扭矩并控制电动力无人机上的载重物质量逐渐较少为Mk，记录电机实时电压、电流等数据；再次启动电动力无人机作业，保持电动力无人机上的载重物质量不变，逐渐改变电机转速、扭矩，并记录电机实时电压、电流等数据；计算电动力无人机电机的负载系数K、运行效率ηem、和功率因数；分别计算两次无人机作业过程的电能消耗量；分析电动力无人机电机系统能耗影响因素。利用该方法可了解农业无人机的能量消耗情况，为无人机节能优化提供参考与支持。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机能耗领域，具体涉及一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法。

背景技术

近年来，“智能”这两个字越来越多地出现在人们的生活当中。农业植保无人机的出现，是农业智能化的显著特征和标志之一。推出的农业喷药无人机，喷药效率是人工作业的40-60倍，防治害虫效果更好，彻底解放了人工喷药的辛苦和低效率，被称为智能喷药的神器。生活因为科技的发展变得多姿起来，农业也因为科技而更加高效。但是续航时间和更加智能化控制这两个问题是未来有待提升之处。当前，市面上的大多数无人机续航都在15-25分钟之间，空中的续航能力普遍不高，这也就限制了无人机的使用。虽然可以降落后更换电池使用，但一般用户备用电池只有一两块，并且电池充电慢。续航时间短大部分原因归咎于目前电池技术的局限，锂电池的密度已经近于一个峰值，很难再有很明显的突破，所以很多无人机厂商已经开始研究其他动力的消费级无人机。

基于目前仍未解决无人机的动力问题，那么提高无人机的续航能力就必须由降低无人机能耗方面入手，如果无人机作业时候能耗控制到最低，就能大大提高无人机的续航能力，通过动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法，能够了解农业无人机动态喷施时候电力系统的能量消耗情况，为无人机节能优化提供参考与支持，然而现有技术中还没有相关的动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法，利用该方法了解农业无人机动态喷施时电力系统的能量消耗情况，从而为无人机节能优化提供参考与支持。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法，包括以下步骤：

步骤一、测量并标定电动力无人机空载质量M₀；

步骤二、将质量可变载重物安装到电动力无人机上；

步骤三、启动电动力无人机作业，保持电机转速、扭矩并控制电动力无人机上的载重物质量逐渐较少为M_k，记录电机实时电压、电流、电池输出功率、电池剩余电量及飞行距离S；

步骤四、再次启动电动力无人机作业，从起点飞至S，保持电动力无人机上的载重物质量不变，逐渐改变电机转速、扭矩，并记录电机实时电压、电流、电池输出功率、电池剩余电量；

步骤五、根据步骤一至步骤四，计算电动力无人机电机的负载系数K、运行效率η_em和功率因数；

步骤六、分别计算步骤三及步骤四两次无人机作业过程的电能消耗量；

步骤七、分析电动力无人机电机系统能耗影响因素。

本发明的一个优选方案，其中，所述电动力无人机由无人机地面控制站的飞行控制模块控制，通过无人机地面控制站调节无人机的电机转速、扭矩及控制载重物质量变化。

本发明的一个优选方案，其中，所述电动力无人机佩戴库伦计、压力传感器及无线信号传输器模块，霍尔库伦计中的电压电流表用于测量无人机电池的电压、电流、充放电容量、充放电时间、功率等多种物理量。

进一步的，所述压力传感器用于测得所述载重物的实时压力，无线信号传输器能将所述电压电流表的显示数据及压力传感器的显示数据转换为无线信号传递到无人机地面控制站上的信号接收装置，进而显示实时电池电压、电流、功率等数据。

本发明的一个优选方案，其中，所述电动力无人机电机的负载系数为无人机电机输出功率与其额定功率之比，计算公式为：

其中P_N为额定功率，P_e为空载功率，η_n为额定效率，P_EM-in为电机输入功率。

进一步的，所述电动力无人机电机的运行效率η_em为电机输出功率与其输入功率之比，计算公式为：

P_EM-out＝KP_N，其中P_EM-out为电机输出功率。

进一步的，所述电动力无人机电机的功率因数为：

其中U_EM-in为电机输入电压；I_EM-in为输入电流。

本发明的一个优选方案，其中，所述无人机作业过程的电能消耗量的计算步骤为：

(一)、计算电动力无人机的电机驱动力F：

其中m为无人机质量；g为重力加速度；f为机翼旋转阻力系数；h为飞行高度；C为常数；V为无人机飞行速度；A为旋翼旋转面积；a为无人机飞行加速度；δ为无人机质量换算系数；

(二)、计算无人机电能消耗量：

其中E_e为电机消耗电能；η_e为电池平均放电效率；η_i为传动系统平均效率；η_m为电机电动平均效率。

本发明的一个优选方案，其中，所述电动力无人机电机系统能耗影响因素包括电流变化、功率因数变化、电源质量、负载特性和负载率，所述分析方法包括以下步骤：

(一)、建立层次结构模型。明确所要解决的问题及问题所涉及的因素以及各因素之间的相互关系；

(二)、构造判断矩阵。设有m个目标，根据某一准则，将这m个目标两两进行比较。

(三)、判断矩阵的一致性检验。对于每一层次作单准则排序时，均需要作一致性的检验。对判断矩阵的一致性进行检验，首先进行一致性指标C.I，计算公式为：其中γ_max为矩阵最大特征向量值；n为矩阵阶数；

(四)、层次排序，给出决策排名。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法，从载重物质量、电机转速、扭矩等因素探索对无人机耗能的影响，并通过电机实时电压、电流、电池输出功率、电池剩余电量等因素判断无人机的耗能情况，从而得出不同飞行状态下的无人机耗能情况，从而探索出影响无人机耗能的因素，进而获知哪些因素给无人机作业带来了额外的无用耗能，从而为无人机节能优化提供参考与支持。

2、在本发明的优选方案中，调节无人机载重物质量机电机转速、扭矩由无人机地面控制站控制，方便且准确。

3、在本发明的优选方案中，无人机佩戴库伦计、压力传感器及无线信号传输器，库伦计中的电压电流表能测量无人机电池的电压、电流、充放电容量、充放电时间、功率等多种物理量，压力传感器能够实时测得无人机载重物的质量变化情况。

4、在本发明的优选方案中，无人机地面控制站能够接收多种基础数据及能耗数据，进而能够计算出无人机电机的负载系数K、运行效率η_em、和功率因数，电能消耗量。

5、在本发明的优选方案中，通过无人机地面控制站控制无人机载重物的质量变化和电机转速、扭矩和接收能耗数据通过能耗数据来分析影响电机系统效率的因素及影响电机能耗的因素，进一步通过无人机有效作业能耗评价方法来评价个影响因素所占权重。

附图说明

图1为本发明的一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法的流程图。

图2为本发明的一种动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法中无人机作业过程的电能消耗量计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1，本实施方式的动载荷电动力无人机有效作业能耗评价方法，包括以下步骤：

步骤一、测量并标定电动力无人机空载质量M₀；

步骤二、将质量可变载重物Z安装到电动力无人机上；载重物原始质量为M，最小质量为M_k；

步骤三、启动电动力无人机作业，保持电机转速、扭矩并控制电动力无人机上的载重物质量逐渐较少为M_k，记录电机实时电压U、电流I、电池输出功率P、电池剩余电量SOC及飞行距离S；

步骤四、再次启动电动力无人机作业，从起点飞至S，保持电动力无人机上的载重物质量不变，逐渐改变电机转速V、扭矩N，并记录电机实时电压U′、电流I′、电池输出功率P′、电池剩余电量SOC′；

步骤五、根据步骤一至步骤四，计算电动力无人机电机的负载系数K、运行效率η_em、和功率因数；

步骤六、分别计算步骤三及步骤四两次无人机作业过程的电能消耗量；

步骤七、分析电动力无人机电机系统能耗影响因素。

通过无人机地面控制站调节无人机的电机转速、扭矩及控制载重物质量变化，通过电动力无人机佩戴的库伦计、压力传感器及无线信号传输器模块，库伦计中的电压电流表能测量无人机电池的电压、电流、充放电容量、充放电时间、功率等多种物理量；压力传感器能够测得所述载重物的实时压力，无线信号传输器能将所述电压电流表的显示数据及压力传感器的显示数据转换为无线信号传递到无人机地面控制站上的信号接收装置，进而显示实时电池电压、电流、功率等数据。

作为一种可选实施例，根据无人机电机的额定P_N，测得的空载功率P_e、额定效率η_n，根据无人机地面控制站实时监测到的电机输入功率P_EM-in，计算电动力无人机电机的负载系数为无人机电机输出功率与其额定功率之比，计算公式为：

具体的，所述电动力无人机电机的运行效率η_em为电机输出功率与其输入功率之比，计算公式为：

P_EM-out＝KP_N，其中P_EM-out为电机输出功率；

具体的，根据电机输入电压U_EM-in、输入电流I_EM-in；计算电动力无人机电机的功率因数为：

如图2所述，无人机作业过程的电能消耗量的计算步骤为：

步骤一、：测量无人机空载质量m；重力加速度g；机翼旋转阻力系数f；旋翼旋转面积A；

根据无人机地面控制站监控无人机飞行数据，记录飞行高度h；飞行速度V；δ为无人机质量换算系数；C为常数；

根据公式计算电动力无人机的电机驱动力F

步骤二、根据无人机地面控制站后台计算出电机消耗电能E_e；电池平均放电效率η_e；传动系统平均效率η_i；电机电动平均效率η_m；

根据公式计算出无人机电能消耗量。

作为一种可选实施例，电动力无人机电机系统能耗影响因素包括电流变化、功率因数变化、电源质量、负载特性和负载率，所述分析方法包括以下步骤：

(一)、建立层次结构模型。明确所要解决的问题，搞清楚问题所涉及的因素以及各因素之间的相互关系；

(二)、构造判断矩阵。设有m个目标，根据某一准则，将这m个目标两两进行比较。

(三)、判断矩阵的一致性检验。对于每一层次作单准则排序时，均需要作一致性的检验。对判断矩阵的一致性进行检验，首先进行一致性指标C.I，计算公式为：其中γ_max为矩阵最大特征向量值；n为矩阵阶数；

(四)、层次排序，给出决策排名。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。