CN105425160B - 一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置，用以对飞行器的电池组状态进行监测，采集电池组的实时放电电流；测量电池组的电压；通过对电流和电压等参数进行处理，从而得出电池组的soc(荷电状态或剩余电量)，并利用无线数传模块将数据实时传输并显示在地面终端，用来时刻监测电池soc状况，在并联电池之间进行切换，以保持飞行器时刻处于电量或电压安全值以上。利用所采集数据对多轴旋翼无人机航时进行计算，可用以计算飞行器在不同参数下的飞行时长。本发明的优点为：能够同时根据变动的电池容量和飞行器质量对飞行时间进行实时计算，尽可能的延长飞行器的飞行时间。

Description

一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种航时计算方法，具体来说，是一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法，主要针对的是更适合使用在交通领域的多旋翼无人机。

技术背景

随着科技的发展及军用转民用设备的增多，低空无人飞行器开始被广泛应用于各个民用领域，如地理测绘、消防、公安、应急响应、海洋监控、重大灾害等。在地理测绘方面，利用无人机对地理地形状况进行测绘；在应急处理方面，城市道路出现重大交通事故，救援车辆及人员无法及时赶到事故现场，利用无人机对事故现场进行勘察及疏导，得到事故现场的救援信息；利用无人机在无人区执法及取证，对偷盗猎者进行监视及取证；在交通领域的应用也越来越广泛，如得采集道路的流量、密度、平均交通量、道路服务水平等，进行2h的定点盘旋试验，来监测城市道路交通，采集了交叉口排队长度、小型路网OD以及停车场利用率等信息，对地面检测数据和航拍检测数据进行融合来对地面交通状况进行预测。

然而制约无人机应用的最大因素是其续航能力，目前针对无人机的计算方法的专利较少。

目前申请号为201410101206.3的发明专利《微小型电动无人机续航时间估算方法》中公开的无人机航时计算方法，其存在以下问题：

1、首先该项专利针对的为小型无人机，对称旋翼的距离只有10cm。而本文涉及专利其模型尺寸较大，对称旋翼的距离为35cm，属于中小型无人机，功耗不具有可比性。此外本文设计的无人机是一个可以航拍的系统，其功耗不只包括无人机的功耗，功耗组成更为复杂

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置，能够同时根据变动的电池容量和飞行器质量对飞行时间进行实时计算，尽可能的延长飞行器的飞行时间，并对飞行器的电池组的soc、电流和电压进行监控，通过对以上数据的监控，实现在电池在空中进行更换，不需要降落后再更换电池，利用控制器对电池组内已用电池和新电池进行切换。

本发明一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法，通过下述步骤实现：

步骤1：确定无人机旋翼转速n与飞行器质量m间关系，为：

其中，D表示螺旋桨直径，p表示螺旋桨的螺距，g为重力加速度。

步骤2：确定整个飞行器系统的总功耗；

利用螺旋桨转速与飞行器上电机负载电压U_m之间的关系，即：n＝kU_m，结合式(3)可得：

其中，电机电压每升高1v，电机转速升高k转；

对整个飞行器系统进行功耗分析，得到：

P＝P_m+P_t+P_y+P_c (3)

式(5)中，P为飞行器系统总功耗；P_m为飞行器系统中电机产生的功耗，P_t为飞行器系统中图传设备产生的功耗，P_y为飞行器系统中相机云台所产生功耗，P_c为飞行器系统中飞行控制模块所产生功耗；

令P_const＝P_t+P_y+P_c，则：

P＝P_m+P_const (4)

其中，为飞行器中电机的功耗；

I(t)为航时为t时，飞行器的总电流；I_d为飞行器图传、云台和主控三者的总电流。

步骤3：确定无人机航时的计算值；

通过公式Q＝It，得到无人机中电池电量Q和时间的关系为：

Q_＝∫I(t)dt (6)

利用式(5)可得出：

将式(6)带入到式(7)即可得出电池电量Q与总功耗P、质量m和飞行器航时t之间的关系为：

则飞行器的航时计算值为：

步骤4：确定无人机航时的实际值；

引入系数c，系数c为预先通过有限次试验确定的航时实际值与航时计算值比值c₀的均值，则式(9)可写为：

则无人机航时的实际值为：

步骤5：确定飞行器电池的剩余电量；

利用电池组的电流信号计算电池组消耗的电量Q_w＝∫Idt，进而通过得到电池组的剩余电量。

步骤6：电池组的电压值和剩余电量进行判断；

当Q-Q_w≤Q_截止或U≤U_截止时，对飞行器更换电池，若飞行器采用一组电池组，则飞行器自动接入一块新电池组，并将已使用过的电池所在支路断开；Q_截止为电池组的截止电量；U_截止为电池组的截止电压。

步骤7：飞行航时与剩余电量的监测；

通过无线数传模块将飞行器的剩余航时与电池组的剩余电量实时传输到地面端的上位机，实现飞行器可飞行航时与剩余电量的监测。

针对上述一种基于多轴旋翼无人机的航时确定装置，包括电流采集模块、电压采集模块、A/D转换模块、数字处理模块、无线数据传输模块与上位机。

其中，电流采集模块采用闭环霍尔电流传感器对飞行器系统中电池组的电流进行实时采集；电压采集模块用来采集飞行器电池组电压，并采用比例放大电路对无人机电池组的电压信号进行放大；A/D转换模块用来将电流采集模块与电压采集模块采集到的模拟信号转化为数字信号；反相器用来将放大后的电压信号变为正相；所述数字信号处理模块用来接收电流采集模块、电压采集模块采集的飞行器电池组的电流与电压信号，根据上述公式(5)得到飞行器系统的总功耗 P，进而通过式(11)得到飞行器当前时刻的实际航时T。

本发明的优点在于：

1、本发明一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置，能够同时根据变动的电池容量和飞行器质量对飞行时间进行实时计算，尽可能的延长飞行器的飞行时间；

2、本发明一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置，对多旋翼无人机的电池组进行监测，实时获取其电池组的电流、电压，计算电池组的soc，并通过一种新的航时计算方法对多旋翼无人机的航行时间进行计算，并将以上数据实时回传至上位机；

3、本发明一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法及装置，能够更改接入供电线路的电池数，以获得最佳的航行时状态所需要的电池个数。

附图说明：

图1为本发明一种基于多轴旋翼无人机的航时计算方法流程图；

图2为本发明一种基于多轴旋翼无人机的航时计算装置结构框图。

具体实施方案

本发明基于多轴旋翼无人机的航时计算方法，具体通过下属步骤实现：

步骤1：确定无人机旋翼转速与飞行器质量m间关系；

从飞行器力学模型入手，由于在拍摄过程中飞行器多处于悬停状态，本发明将飞行器悬停状态作为主要研究对象，此时飞行器中各个螺旋桨的拉力相等，由力学平衡可得：

L＝G (1)

其中，L为单个螺旋桨拉力，单位是N；G为无人机总重力；n为无人机中螺旋桨个数。螺旋桨拉力可通过Abbott公式计算得到：

L＝6.8×10^-17×D³×p×n² (2)

其中，D表示螺旋桨直径，单位是mm，p表示螺旋桨的螺距，单位是mm，n表示螺旋桨的转速，单位是rpm。

由此根据式(1)与式(2)式可以推导出螺旋桨转速与无人机质量m之间的关系：

式中，g为重力加速度。

步骤2：确定整个飞行器系统的总功耗；

利用螺旋桨转速与飞行器上电机负载电压U_m之间的关系，即：n＝kU_m，结合式(3)可得：

其中，参数k取决于电机的固有特性，单位是r/v,电机电压每升高1v，电机转速升高k转；且因旋翼螺旋桨和电机型号确定之后，参数D、p、k均为常量；

对整个飞行器系统进行功耗分析，得到：

P＝P₁+P_{heat_loss}+P_unknown (5)

式(5)中，P为飞行器系统总功耗；P₁为飞行器系统中各个产生功耗设备的功耗合，对于通常飞行器系统来说，P₁＝P_m+P_t+P_y+P_c，其中，P_m为飞行器系统中电机产生的功耗，P_t为飞行器系统中图传设备产生的功耗，P_y为飞行器系统中相机云台所产生功耗，P_c为飞行器系统中飞行控制模块所产生功耗；P_{heat_loss}为飞行器系统所损失的热量，P_unknown为未知的其他一部分功耗。经过实验计算分析，可得到P_{heat_loss}与P_unknown这对飞行器系统总体功耗影响不大，因此将其舍去，进而得到：

P＝P₁ (6)

则对式(6)中飞行器上各个产生功耗的部分进行计算得到总功耗为：

P＝P_m+P_const (7)

P_const＝P_t+P_y+P_c，P_t、P_y、P_c分别为图传设备、相机云台与飞行控制模块，为通过测试可得到的定值。

式(8)中，为飞行器中电机的功耗；

I(t)为航时为t时，飞行器的总电流；I_d为飞行器图传、云台和主控三者的总电流，则I(t)-I_d即为飞行器中电机的电流；

步骤3：确定无人机航时的计算值；

通过公式Q＝It，可推出在无人机中电池电量Q和时间的关系为：

Q_＝∫I(t)dt (9)

利用式(8)可得出：

将式(9)带入到式(8)即可得出电池电量Q与总功耗P、质量m和飞行器航时t之间的关系为：

则飞行器的航时计算值为：

步骤4：确定无人机航时的实际值；

引入系数c来衡量式(12)的稳定性。系数c为预先确定的航时实际值与航时计算值比值c₀的均值，则式(12)可写为：

则无人机航时的实际值为：

步骤5：确定飞行器电池的剩余电量；

利用电池组的电流信号计算电池组消耗的电量Q_w＝∫Idt，进而通过得到电池组的剩余电量；

步骤6：电池组的电压值和剩余电量进行判断；

当Q-Q_w≤Q_截止或U≤U_截止时，对飞行器更换电池，若飞行器采用一组电池组，则飞行器自动接入一块新电池组，并将已使用过的电池所在支路断开；Q_截止为电池组的截止电量；U_截止为电池组的截止电压；

步骤7：飞行航时与剩余电量的监测；

通过无线数传模块将飞行器的剩余航时与电池组的剩余电量实时传输到地面端的上位机，实现飞行器可飞行航时与剩余电量的监测。

上述c的值可通过下述方法得到：

a、无人机具有云台、相机和图传设备；分别对无人机的三种装载状态进行试验，状态一为无人机具有云台、相机和图传设备，且均通电；状态二为去除图传和云台设备用电；状态三位摘除云台、相机和图传设备。

b、控制无人机定点盘旋，当电池电压降低到截止电压时，飞行器会进行报警，且从无人机起飞开始至电压报警结束过程中，利用霍尔电流传感器测量飞行器电池组的输出电流，同时通过计时器测量整个过程的所用时间，此时间即为飞行器的航时实际值。

c、进行j次步骤b得到飞行器电池组的输出电流平均值，j＞1；

d、根据电池组的输出电流平均值，结合式(12)得到飞行器的航时计算值。

e、采用相同电量电池组无人机，分别在无人机三种状态等高悬停时，执行步骤b～d。分别得到无人机三种状态下的航时实际值与航时计算值，进而得到一个c₀值。

f、为无人机更换j次不同电量的电池组，进行步骤b～e；上述无人机中采用电池并联，实现飞行器供电电量的增减。

g、将最终得到全部c₀值取平均，即可得到c值。

下面通过实施利来进一步说明参数c的值确定方法：

对无人机悬停航时进行测试，无人机三种装载状态分别为：第一种是无人机满载状态下全功率消耗；第二种是无人机满载状态下，去除图传和云台设备用电，但不摘除图传和云台设备；第三种是无人机摘除云台、相机和图传设备后进行实验。利用电池并联，实现飞行器供电电量的增减，一共有三种电池电量分别为2200mah、4400mah、6600mah。令飞行器均在10米高空处进行定点盘旋，当电池电压降低到截止电压时，飞行器会进行报警，航时的计时范围是从飞行器起飞开始至电压报警结束，在实验中利用霍尔电流传感器测量电池的输出电流。实验数据如表1。

表1飞行器悬停实验数据

表1中的悬停平均功率测量的是电源输出的总电流，电池充电限制电压为4.2v，共三节满电总电压为12.6v，截止电压为飞行器停止飞行时的电池电压。

同时采用本发明中式(12)对飞行器航时进行计算，得到的计算结果和实际值的如表2：

表2计算后T/t值和数值偏差

T为飞行器实际测量的航时时间，即为表1中悬停时间。由表2可知T/t的值较为恒定，偏差均在±10％以内。因此利用本公式计算航时是可靠的。

由此将得出该型号的多旋翼电动无人机实际航时T为：

步骤5：确定飞行器电池的剩余电量；

利用电池组的电流信号计算电池组消耗的电量Q_w＝∫Idt，进而通过得到电池组的剩余电量。

步骤6：电池组的电压值和剩余电量进行判断；

当Q-Q_w≤Q_截止或U≤U_截止时，飞行器将自动接入一块新电池组，供飞行器用电，将已使用过的电池所在支路断开；Q_截止为电池组的截止电量；U_截止为电池组的截止电压。由此可实现飞行器无需降落即可更换电池，从而达到延长飞行器的留空时间的目的。

步骤7：飞行航时与剩余电量的监测；

通过无线数传模块将飞行器的剩余航时与电池组的剩余电量实时传输到地面端的上位机，实现飞行器可飞行航时与剩余电量的监测，进而及时为飞行器进行电池的更换。

针对上述方法本发明还提出一种基于多轴旋翼无人机的航时确定装置，包括 电流采集模块、电压采集模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、无线数据传输模块与上位机。其中，电流采集模块采用闭环霍尔电流传感器对飞行器系统中电池组的电流进行实时采集；采用闭环霍尔电流传感器，不需要接触测量，可以获得较好的线性度和较高的精度，精度一般可达0.2％。电压采集模块用来采集飞行器电池组电压，并采用比例放大电路对无人机电池组的电压信号进行放大。A/D转换模块用来将电流采集模块与电压采集模块采集到的模拟信号转化为数字信号；反相器用来将放大后的电压信号变为正相，从而实现对电池组电压的测量。所述数字信号处理模块用来接收电流采集模块、电压采集模块采集的飞行器电池组的电流与电压信号，根据上述公式(8)得到飞行器系统的总功耗P，进而通过式(12)得到飞行器当前时刻的实际航时T。无线数据传输模块用来实现无人机与上位机间的数据通讯，可将飞行器可飞行航时与剩余电量发送至上位机，实现上位机对无人机的监测，进而及时为飞行器进行电池的更换。

本发明中可在无人机中采用多组并联相接的电池组，则可在本发明基于多轴旋翼无人机的航时确定装置中增加控制模块，通过上位机对数字信号处理模块中的数据进行判断，通过控制模块控制电池组中电池支路切换和中断供电操作各个电池组件，具体方式为：上位机以固有周期对接收到的正在使用中的电池组的电压值和剩余电量进行判断，当Q-Q_w≤Q_截止或U≤U_截止时，即：当剩余电量低于截止电量或者电池组电压值低于截止电压时，将自动接入一块新电池组，供飞行器用电；同时对电池组电流大小进行判断，当电池组电流大于未接入之前的电流时，则说明新电池组已经接入，则将已使用过的电池所在支路断开。由此可实现飞行器无需降落即可更换电池，从而达到延长飞行器的留空时间的目的。

在为无人机上电池使用前，需进行一次充分的充放电实验，并记录绘制该种电池的充放电电量与电压(Q-U)特性曲线，以记录该种电池的截止电压U_截止和对应的截止电量值Q_截止，作为衡量电池是否还能继续工作并切换组内电池的重要指标。

通过上述方法及装置，能够根据飞行器的质量、飞行器功耗、电池容量等参数准确的对飞行器的航行时间进行估算，进而提前获知飞行器的安全飞行时间，以保证飞行器每个飞行任务都能达到最大的飞行时间。

Claims (4)

1.一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法，其特征在于：通过下述步骤实现：

步骤1：确定无人机旋翼转速n与无人机质量m间关系，为：

其中，D表示螺旋桨直径，p表示螺旋桨的螺距，g为重力加速度；

步骤2：确定整个无人机系统的总功耗；

利用螺旋桨转速与无人机上电机负载电压U_m之间的关系，即：n＝kU_m，结合式(3)可得：

其中，电机电压每升高1v，电机转速升高k转；

对整个无人机系统进行功耗分析，得到：

P＝P_m+P_t+P_y+P_c (3)

式(5)中，P为无人机系统总功耗；P_m为无人机系统中电机产生的功耗，P_t为无人机系统中图传设备产生的功耗，P_y为无人机系统中相机云台所产生功耗，P_c为无人机系统中飞行控制模块所产生功耗；

令P_const＝P_t+P_y+P_c，则：

P＝P_m+P_const (4)

其中，为无人机中电机的功耗；I(t)为航时为t时，无人机的总电流；I_d为无人机图传、云台和主控三者的总电流；

步骤3：确定无人机航时的计算值；

通过公式Q＝It，得到无人机中电池电量Q和时间的关系为：

Q＝∫I(t)dt (6)

利用式(5)可得出：

将式(6)带入到式(7)即可得出电池电量Q与总功耗P、质量m和无人机航时t之间的关系为：

则无人机的航时计算值为：

步骤4：确定无人机航时的实际值；

引入系数c，系数c为预先通过有限次试验确定的航时实际值与航时计算值比值c₀的均值，则式(9)可写为：

则无人机航时的实际值为：

步骤5：确定无人机电池的剩余电量；

利用电池组的电流信号计算电池组消耗的电量Q_w＝∫Idt，进而通过得到电池组的剩余电量；

步骤6：电池组的电压值和剩余电量进行判断；

当Q-Q_w≤Q_截止或U≤U_截止时，对无人机更换电池，若无人机采用一组电池组，则无人机自动接入一块新电池组，并将已使用过的电池所在支路断开；Q_截止为电池组的截止电量；U_截止为电池组的截止电压；

步骤7：飞行航时与剩余电量的监测；

通过无线数传模块将无人机的剩余航时与电池组的剩余电量实时传输到地面端的上位机，实现无人机可飞行航时与剩余电量的监测。

2.如权利要求1所述一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法，其特征在于：上述c的值可通过下述方法得到：

a、无人机具有云台、相机和图传设备；分别对无人机的三种装载状态进行试验，状态一为无人机具有云台、相机和图传设备，且均通电；状态二为去除图传和云台设备用电；状态三为 摘除云台、相机和图传设备；

b、控制无人机定点盘旋，当电池电压降低到截止电压时，无人机会进行报警，且从无人机起飞开始至电压报警结束过程中，利用霍尔电流传感器测量无人机电池组的输出电流，同时通过计时器测量整个过程的所用时间，此时间即为无人机的航时实际值；

c、进行j次步骤b得到无人机电池组的输出电流平均值，j＞1；

d、根据电池组的输出电流平均值，结合式(9)得到无人机的航时计算值；

e、采用相同电量电池组无人机，分别在无人机三种状态等高悬停时，执行步骤b～d，分别得到无人机三种状态下的航时实际值与航时计算值，进而得到一个c₀值；

f、为无人机更换j次不同电量的电池组，进行步骤b～e；上述无人机中采用电池并联，实现无人机供电电量的增减；

g、将最终得到全部c₀值取平均，即可得到c值。

3.针对权利要求1中所述的一种基于多轴旋翼无人机的航时确定方法的航时计算装置，其特征在于：电流采集模块、电压采集模块、A/D转换模块、数字处理模块、无线数据传输模块与上位机；

其中，电流采集模块采用闭环霍尔电流传感器对无人机系统中电池组的电流进行实时采集；电压采集模块用来采集无人机电池组电压，并采用比例放大电路对无人机电池组的电压信号进行放大；A/D转换模块用来将电流采集模块与电压采集模块采集到的模拟信号转化为数字信号；反相器用来将放大后的电压信号变为正相；所述数字信号处理模块用来接收电流采集模块、电压采集模块采集的无人机电池组的电流与电压信号，根据上述公式(5)得到无人机系统的总功耗P，进而通过式(11)得到无人机当前时刻的实际航时T。

4.如权利要求3所述一种基于多轴旋翼无人机的航时确定装置，其特征在于：若无人机中采用多组并联相接的电池组，则还具有控制模块，通过上位机对数字信号处理模块中的数据进行判断，通过控制模块控制电池组中电池支路切换和中断供电操作各个电池组件，具体方式为：上位机以固有周期对接收到的正在使用中的电池组的电压值和剩余电量进行判断，当Q-Q_w≤Q_截止或U≤U_截止时，即：当剩余电量低于截止电量或者电池组电压值低于截止电压时，将自动接入一块新电池组，供无人机用电；同时对电池组电流大小进行判断，当电池组电流大于未接入之前的电流时，则说明新电池组已经接入，则将已使用过的电池所在支路断开。