CN111498122A - 一种无人机电动功率耗电量的控制方法 - Google Patents

一种无人机电动功率耗电量的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种无人机电动功率耗电量的控制方法，包括以下步骤：a、拆除无人机的燃油动力系统，组装上电推进系统；b、计算所需的最大推力Fc；c、计算电动机耗电量,步骤如下：S3、计算无人机爬升阶段耗电量，S4、计算无人机巡航阶段的耗电量；S5、计算无人机下滑阶段的耗电量；S6、伞降回收阶段耗电量为0；S7、计算无人机设备用电耗电量：S6、计算无人机总耗电量Wcell。能够保证无人机换装电推进系统后，性能基本不变，并较大幅度降低无人机使用成本的改造方法。

Description

一种无人机电动功率耗电量的控制方法
技术领域
本发明属于飞机动力技术领域，具体涉及一种无人机电动功率耗电量的控制方法。
背景技术
目前在无人机领域，采用电动机作为动力的主要集中在微小型无人机、无人旋翼机和太阳能无人机，重量大且航时较长的无人机基本都采用了燃油动力系统，但是燃油动力系统排放的尾气会污染环境，存在燃油泄漏甚至着火的危险，电动飞机在国内外已有成功的应用，将现有的中小型燃油动力无人机改造为电动无人机，目前尚未出现此方面的研究成果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种无人机电动功率耗电量的控制方法，能够保证无人机换装电推进系统后，性能基本不变，并较大幅度降低无人机使用成本的改造方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种无人机电动功率耗电量的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、拆除无人机的燃油动力系统，组装上电推进系统；
b、计算所需的最大推力Fc，在电推进系统中，选择起飞时需要最大功率PC的电动机额定功率作为参考，计算无人机在起飞时，计算所需的最大推力，公式如下;
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（一）
其中，a1为飞机起飞爬升时的加速度，Vl为爬升结束时的平飞速度，Vtk为起飞速度，β为爬升角，Sc为爬升飞行的距离；D为阻力，S为机翼面积，ρ为空气密度，Cd为阻力系数，Fc为起飞时最大推力，m为无人机重量，g为重力加速度；
计算电动机最大功率PC，公式如下：
Figure 398894DEST_PATH_IMAGE002
（二）
计算电动机实际所需功率Pm，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（三）
其中，ηp为无人机上的螺旋桨效率，ηe为电动机效率；
c、计算电动机耗电量,步骤如下：
S1、计算无人机地面等待阶段耗电量Wwait，公式如下，：
Figure 551438DEST_PATH_IMAGE004
（四）
其中，设置地面等待时间为1min，所需功率P为电动机额定功率Pm的1/5；
S2、计算无人机地面滑跑阶段耗电量，公式如下；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（五）
其中， Srun为滑跑距离，a2为滑跑的加速度，t为滑跑时间；
地面滑跑阶段电动机功率取爬升阶段起飞时功率的90%，由式（一）和（二）求出无人机起飞时需用最大功率的耗电量Wrun，公式如下：
Figure 951196DEST_PATH_IMAGE006
(六)
d、计算无人机爬升阶段耗电量，步骤步骤；
P1、计算为爬升结束时的平飞速度Vl，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（七）
P2、计算为爬升阶段耗电量Wclimb，公式如下：
Figure 421098DEST_PATH_IMAGE008
(八)
e、计算无人机巡航阶段的耗电量，公式如下；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（九）
Figure 208794DEST_PATH_IMAGE010
（十）
其中，Pcruise为无人机巡航阶段需用的功率，Wcruise为无人机巡航阶段的耗电量，K为升阻比；
f、计算无人机下滑阶段的耗电量，公式如下；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（十一）
其中，h1为下滑高度，Vg为下滑时间；
g、伞降回收阶段耗电量为0；
h、计算无人机设备用电耗电量：
计算用电设备Wother的耗电量公式如下：
Figure 875399DEST_PATH_IMAGE012
（十二）
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（十三）
其中，Pother为用电设备总功率，Wsave为无人机30min巡航时间余量的电池余量；
S6、计算无人机总耗电量Wcell，公式如下:
Figure 908208DEST_PATH_IMAGE014
(十四)。
所述电推进系统包括锂电池组、电动机、电动机控制器、电源管理系统和螺旋桨。
本发明带来的有益效果有。
1、通过对燃油动力无人机进行电动化改造，对耗电量进行计算，可大大提高无人机的环保性，电动机相对于燃油发动机几乎可以做到零排放，大大减少了环境污染,同时也可降低噪音；电推进系统与燃油发动机系统相比，系统组成更加简洁，更利于维护，安全性更高（不存在燃油泄漏甚至着火的危险），也具有更高的可靠性（空中停车的可能性更低），电动化改造后无人机的控制将变得更加简单，同时还能降低使用成本（每次任务只需要充电，而不是耗费昂贵的燃油），能够使用户获得更好的经济效益。
附图说明
图1是本发明无人机电推进系统组成示意图。
图2是无人机任务剖面示意图。
图中标记：1.锂电池组，2. 电动机，3.控制器 ，4. 电源管理系统，5. 螺旋桨。
具体实施方式
实施例1
如图1至2所示，一种无人机电动功率耗电量的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、拆除无人机的燃油动力系统，组装上电推进系统；
b、计算所需的最大推力Fc，在电推进系统中，选择起飞时需要最大功率PC的电动机额定功率作为参考，计算无人机在起飞时，计算所需的最大推力，公式如下;
Figure 343869DEST_PATH_IMAGE001
（一）
其中，a1为飞机起飞爬升时的加速度，Vl为爬升结束时的平飞速度，Vtk为起飞速度，β为爬升角，Sc为爬升飞行的距离；D为阻力，S为机翼面积，ρ为空气密度，Cd为阻力系数，Fc为起飞时最大推力，m为无人机重量，g为重力加速度；
计算电动机最大功率PC，公式如下：
Figure 771308DEST_PATH_IMAGE002
（二）
计算电动机实际所需功率Pm，公式如下：
Figure 253105DEST_PATH_IMAGE003
（三）
其中，ηp为无人机上的螺旋桨效率，ηe为电动机效率，实际选择电动机时应考虑20%~30%的余量；
c、计算电动机耗电量,步骤如下：
S1、计算无人机地面等待阶段耗电量Wwait，公式如下，：
Figure 542135DEST_PATH_IMAGE004
（四）
其中，设置地面等待时间为1min，所需功率P为电动机额定功率Pm的1/5；
S2、计算无人机地面滑跑阶段耗电量，公式如下；
Figure 691356DEST_PATH_IMAGE005
（五）
其中， Srun为滑跑距离，a2为滑跑的加速度，t为滑跑时间；
地面滑跑阶段电动机功率取爬升阶段起飞时功率的90%，由式（一）和（二）求出无人机起飞时需用最大功率的耗电量Wrun，公式如下：
Figure 805810DEST_PATH_IMAGE006
(六)
d、计算无人机爬升阶段耗电量，步骤步骤；
P1、计算为爬升结束时的平飞速度Vl，公式如下：
Figure 915849DEST_PATH_IMAGE007
（七）
P2、计算为爬升阶段耗电量Wclimb，公式如下：
Figure 867624DEST_PATH_IMAGE008
(八)
S4、计算无人机巡航阶段的耗电量，公式如下；
Figure 995986DEST_PATH_IMAGE009
（九）
Figure 640594DEST_PATH_IMAGE010
（十）
其中，Pcruise为无人机巡航阶段需用的功率，Wcruise为无人机巡航阶段的耗电量，K为升阻比；
e、计算无人机下滑阶段的耗电量，公式如下；
Figure 237928DEST_PATH_IMAGE011
（十一）
其中，h1为下滑高度，Vg为下滑时间，这一阶段的需用功率取巡航阶段的80%；
f、伞降回收阶段耗电量为0；
g、计算无人机设备用电耗电量：
计算用电设备Wother的耗电量公式如下：
Figure 993395DEST_PATH_IMAGE012
（十二）
Figure 477728DEST_PATH_IMAGE013
（十三）
其中，Pother为用电设备总功率，Wsave为无人机30min巡航时间余量的电池余量；
h、计算无人机总耗电量Wcell，公式如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE015
(十四)。
所述电推进系统包括锂电池组1、电动机2、电动机控制器3、电源管理系统4和螺旋桨5。
通过对燃油动力无人机进行电动化改造，对耗电量进行计算，可大大提高无人机的环保性，电动机相对于燃油发动机几乎可以做到零排放，大大减少了环境污染,同时也可降低噪音；电推进系统与燃油发动机系统相比，系统组成更加简洁，更利于维护，安全性更高（不存在燃油泄漏甚至着火的危险），也具有更高的可靠性（空中停车的可能性更低），电动化改造后无人机的控制将变得更加简单，同时还能降低使用成本（每次任务只需要充电，而不是耗费昂贵的燃油），能够使用户获得更好的经济效益。
在此具体实施实例中，除锂电池组外，其他机载设备重量变化不大，且锂电池组安装于全机重心附近，重心位置计算结果变化不大。因此无需对机上其他设备布置进行调整。如重量重心计算结果无法满足无人机使用要求，则需对无人机的总体布置进行调整。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (2)

1.一种无人机电动功率耗电量的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、拆除无人机的燃油动力系统，组装上电推进系统；
b、计算所需的最大推力Fc，在电推进系统中，选择起飞时需要最大功率PC的电动机额定功率作为参考，计算无人机在起飞时，计算所需的最大推力，公式如下;
Figure 619290DEST_PATH_IMAGE001
（一）
其中，a1为飞机起飞爬升时的加速度，Vl为爬升结束时的平飞速度，Vtk为起飞速度，β为爬升角，Sc为爬升飞行的距离；D为阻力，S为机翼面积，ρ为空气密度，Cd为阻力系数，Fc为起飞时最大推力，m为无人机重量，g为重力加速度；
计算电动机最大功率PC，公式如下：
Figure 960272DEST_PATH_IMAGE002
（二）
计算电动机实际所需功率Pm，公式如下：
Figure 484795DEST_PATH_IMAGE003
（三）
其中，ηp为无人机上的螺旋桨效率，ηe为电动机效率，实际选择电动机时应考虑20%~30%的余量；
c、计算电动机耗电量,步骤如下：
S1、计算无人机地面等待阶段耗电量Wwait，公式如下，：
Figure 661960DEST_PATH_IMAGE004
（四）
其中，设置地面等待时间为1min，所需功率P为电动机额定功率Pm的1/5；
S2、计算无人机地面滑跑阶段耗电量，公式如下；
Figure 930131DEST_PATH_IMAGE005
（五）
其中， Srun为滑跑距离，a2为滑跑的加速度，t为滑跑时间；
地面滑跑阶段电动机功率取爬升阶段起飞时功率的90%，由式（一）和（二）求出无人机起飞时需用最大功率的耗电量Wrun，公式如下：
Figure 125620DEST_PATH_IMAGE006
(六)
d、计算无人机爬升阶段耗电量，步骤步骤；
P1、计算为爬升结束时的平飞速度Vl，公式如下：
Figure 211256DEST_PATH_IMAGE007
（七）
P2、计算为爬升阶段耗电量Wclimb，公式如下：
Figure 984040DEST_PATH_IMAGE008
(八)
S4、计算无人机巡航阶段的耗电量，公式如下；
Figure 665689DEST_PATH_IMAGE009
（九）
Figure 105897DEST_PATH_IMAGE010
（十）
其中，Pcruise为无人机巡航阶段需用的功率，Wcruise为无人机巡航阶段的耗电量，K为升阻比；
e、计算无人机下滑阶段的耗电量，公式如下；
Figure 601250DEST_PATH_IMAGE011
（十一）
其中，h1为下滑高度，Vg为下滑时间，这一阶段的需用功率取巡航阶段的80%；
f、伞降回收阶段耗电量为0；
g、计算无人机设备用电耗电量：
计算用电设备Wother的耗电量公式如下：
Figure 861330DEST_PATH_IMAGE012
（十二）
Figure 346669DEST_PATH_IMAGE013
（十三）
其中，Pother为用电设备总功率，Wsave为无人机30min巡航时间余量的电池余量；
h、计算无人机总耗电量Wcell，公式如下:
Figure 766018DEST_PATH_IMAGE014
(十四)。
2.如权利要求1所述的一种无人机电动功率耗电量的控制方法，其特征在于：所述电推进系统包括锂电池组(1)、电动机(2)、电动机控制器(3)、电源管理系统(4)和螺旋桨(5)。
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