CN115407215B - 一种无人机的电池续航性能管理评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机的电池续航性能管理评估系统，电池续航性能管理评估系统包括服务器、无人机、任务设定模块、电池监控模块、环境采样模块、评估模块；任务设定模块用于接收操作者设定的任务数据，并根据任务数据分析完成巡检任务所需的续航代价，环境采样模块用于对无人机的飞行环境进行数据的采集，电池监控模块采集无人机的电池数据，评估模块根据任务设定模块、电池监控模块的数据，对无人机的续航能力进行评估。本发明通过评估模块与环境采样模块、任务采集模块的相互配合，使得无人机在巡检过程中的电池消耗量以及续航能力进行评估，使得整个系统具有巡航智能程度高、能动态对无人机的状态进行续航评估的优点。

Description

一种无人机的电池续航性能管理评估系统

技术领域

本发明涉及飞机上动力装置的布置或安装技术领域，尤其涉及一种无人机的电池续航性能管理评估系统。

背景技术

不同的任务需要不同的无人机执行，续航和载重是目前无人机发展的瓶颈，由于锂电池的工作效率有限；

如CN106951650B 现有技术公开了一种无人机续航能力评估系统，对于无人机新手，很难了解到所购买的无人机续航能力，尤其是不同载重环境下的载重情况。对于自己组装的无人机，评估其续航就更加复杂。

另一种典型的如CN111898882A的现有技术公开的一种 农用载重无人机的最大负载能力评价方法，当前农用无人机的作业负载一般在10kg-20kg，有效作业飞行时间约为10min。然而，对于不同的无人机而言，其机构尺寸重量存在一定差异，与此对应的载重能力和续航能力也存在差别，因此普遍采用的10kg-20kg负载、10min作业续航的参数并不适合每一台无人机，而是应该根据实际参数进行合理设置分配。

同时，现有技术中还存在，无法针对特定的任务，对续航要求进行评估，以适应不同场景或任务的实际飞行或续航要求。

为了解决本领域普遍存在无人机续航评估效果不佳、智能程度不高、交互性能差、无法动态对无人机的续航进行评估、利用率无法监控和检测精度低等等问题，作出了本发明。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前所存在的不足，提出了一种无人机的电池续航性能管理评估系统。

为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：

一种无人机的电池续航性能管理评估系统，所述电池续航性能管理评估系统包括服务器、以及无人机，所述电池续航性能管理评估系统还包括任务设定模块、电池监控模块、环境采样模块、评估模块；

所述服务器分别与所述任务设定模块、所述电池监控模块、所述环境采样模块和所述评估模块连接；

所述任务设定模块用于接收操作者设定的任务数据，并根据任务数据分析完成巡检任务所需的续航代价，所述环境采样模块用于对所述无人机的飞行环境进行数据的采集，所述电池监控模块采集所述无人机的电池数据，所述评估模块根据所述任务设定模块、所述电池监控模块的数据，对所述无人机的续航能力进行评估；

所述任务设定模块包括任务设定单元、以及分析单元，所述任务设定单元用于接收所述操作者设定的巡检路线和无人机的承载重量，所述分析单元根据所述巡检路线和承载重量对无人机的固有续航进行分析；

所述任务设定单元包括任务采集器、巡检路线生成器，所述任务采集器用于采集所述无人机的任务数据，所述巡检路线生成器根据所述任务采集器的任务数据生成巡检路线Path；

其中，所述巡检路线Path包括起点、终点、以及至少两个巡检关键点；

所述分析单元获取所述任务数据、巡检线路的起点、终点、以及至少两个巡检关键点，并计算所述巡检路线Path的巡检代价Cost：

式中， Q₀为所述无人机单位距离内损耗的电量，g为所述起点到第一个巡检关键点的距离，h为最后一个关键点到终点的距离，r_i为相邻两个巡检关键点之间的距离，N为巡检关键点的数量，Q_返为所述无人机降落在停靠平台时所损耗的电量。

可选的，所述电池监控模块包括电池槽、电池监控单元，所述电池槽用于存放无人机的电池，所述电池监控单元用于对电池的电量进行监控；

所述电池监控单元包括电池监控器、损耗评估子单元，所述电池监控器用于检测所述电池的电池容量，所述损耗评估子单元根据所述电池监控器的数据对当前的耗电量进行评估；

所述损耗评估子单元获取一个采样周期中所述电池监控器检测得到的电池的电池电量百分比Battery₀，并计算一个采样周期中损耗的荷电状态值Charge：

式中， B_ready为无人机的额定容量，单位为：安培·小时，可由无人机的采用的电池类型直接获得 I（t）为所述无人机工作时刻的电流；Supple为补偿系数，满足：

式中，η₂为放电补偿系数，满足：η₂=0.98，η₁为温度补偿系数，满足：

式中，b为单位转换系数，T₀为无人机电池运行的标准温度，Tem为无人机当前的环境温度，其值由环境采样模块直接测得。

可选的，所述环境采样模块包括环境检测单元、以及风向评估单元，所述环境检测单元用于检测所述无人机所处的环境数据，所述风向评估单元根据所述环境数据对无人机所处的环境进行评估；

其中，所述环境数据包括温度、风向和风速；

所述环境检测单元包括温度传感器、风速传感器、数据存储器、以及数据交互器，所述温度传感器用于对所述无人机所处的环境温度进行检测，所述风速传感器用于检测无人机所处位置的风速，所述数据存储器用于存储所述温度传感器和风速传感器所测得的数据；

其中，所述数据交互器用于将所述数据存储器中的温度数据向所述损耗评估子单元进行传输。

可选的，所述风向评估单元获取所述环境检测单元测得的环境数据，并根据所述环境数据计算所述无人机单位距离内损耗的电量Q₀：

式中，v为无人机巡检时的实时位置环境的风速，其值根据风速传感器直接测得，D为巡检过程中的无人机的空气阻力，L为巡检过程中的无人机的升力，W_t为无人机的承载重量，τ₁为无人机提供升力的螺旋桨效率，τ₂为无人机的电子调速器的效率，τ₃为无人机处于续航状态的电机效率，C_x为阻力系数，C_L为升力系数，ρ为空气密度，S为无人机机翼的参考面积。

可选的，所述评估模块获取所述任务设定模块计算得到的巡检代价Cost、所述电池监控模块计算得到的一个采样周期中损耗的荷电状态值Charge，对所述无人机的续航能力Allow进行评估，满足：

式中，times为巡检过程中采样周期的个数；

若续航能力Allow低于设定的安全阈值safety，则中断巡检任务，并触发对无人机进行降落或停靠降落平台。

可选的，所述无人机的电池为锂电池。

本发明所取得的有益效果是：

1. 通过评估模块与环境采样模块、任务采集模块的相互配合，使得无人机在巡检过程中的电池消耗量以及续航能力进行评估，使得整个系统具有巡航智能程度高、能动态对无人机的状态进行续航评估的优点；

2. 通过电池监控模块对无人机一个检测周中的荷电状态值进行监控，以实现对无人机每一个采样周期的电池状态进行检测，以保证各个采样周期中的状态均能被精准检测出来，以保证续航评估的精准性和可靠性；

3. 通过任务设定单元和分析单元的相互配合，使得无人机在巡航过程中的电量的损耗能够被检测出来，并根据预估的巡检代价动态评估无人机的电量损耗，提升整个巡检过程续航性能的精准管理；

4. 通过预警单元和调度单元的相互配合，使得无人机的精准回收，以提升无人机安全回收，提升整个系统的可靠性和准确性。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为本发明的整体方框示意图。

图2为本发明的评估模块的评估流程示意图。

图3为本发明的预警模块的控制流程示意图。

图4为本发明的无人机与停靠平台在降落坐标系的场景示意图。

图5为本发明的无人机的结构示意图。

图6为本发明的无人机与巡检线路的起点、巡检关键点、终点的场景示意图。

附图标号说明：1-无人机；2-电池槽。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

实施例一。

根据图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例提供一种无人机的电池续航性能管理评估系统，所述电池续航性能管理评估系统包括服务器、以及无人机，所述电池续航性能管理评估系统还包括任务设定模块、电池监控模块、环境采样模块、评估模块；

所述服务器分别与所述任务设定模块、所述电池监控模块、所述环境采样模块和所述评估模块连接；

所述电池续航性能管理评估系统还包括中央处理器，所述中央处理器分别与所述任务设定模块、所述电池监控模块、所述环境采样模块和所述评估模块控制连接，并基于所述中央处理器对所述任务设定模块、所述电池监控模块、所述环境采样模块和所述评估模块进行集中控制；

同时，本实施例中，所述电池监控模块和所述环境采样模块设置在所述无人机上，以分别对所述无人机装载的电池的状态、以及所述无人机所处环境的环境数据进行检测；

所述任务设定模块用于接收操作者设定的任务数据，并根据任务数据分析完成巡检任务所需的续航代价，所述环境采样模块用于对所述无人机的飞行环境进行数据的采集，所述电池监控模块采集所述无人机的电池数据，所述评估模块根据所述任务设定模块、所述电池监控模块的数据，对所述无人机的续航能力进行评估；

所述任务设定模块包括任务设定单元、以及分析单元，所述任务设定单元用于接收所述操作者设定的巡检路线和无人机的承载重量，所述分析单元根据所述巡检路线和承载重量对无人机的固有续航进行分析；

所述任务设定单元包括任务采集器、巡检路线生成器，所述任务采集器用于采集所述无人机的任务数据，所述巡检路线生成器根据所述任务采集器的任务数据生成巡检路线Path；

所述任务设定模块还包括交互单元，所述交互单元用于采集操作者设定的巡检关键点、起点、以及终点等数据，其中，所述交互单元包括触控屏、传输器、以及交互采集器，所述触控屏用于采集所述操作者设定的巡检路线的数据，所述交互采集器采集所述触控屏上触发的巡检线路的数据，所述传输器将所述交互采集器所采集的数据传输至所述无人机中，以使得所述无人机能根据所述巡检路线进行巡检；

同时，所述传输器通过有线或者无线的方式将所述交互采集器所采集的数据传输至所述无人机中，使得所述无人机能够根据设定的所述巡检路线执行巡检操作；

其中，所述巡检路线Path包括起点、终点、以及至少两个巡检关键点；同时，在本实施例中，巡检关键点包括但是不局限于以下列举的几种：巡检线路中需要巡检的点位、以及障碍物的所处位置；

在本实施例中，各个所述巡检关键点由操作者进行设定，并在设定的过程中，通过调用巡检线路的地图数据，以获得巡检线路的起点到第一巡检关键点、相邻关键点之间、最后一个关键到终点之间的距离；其中，通过地图数据获取设定的起点、关键点、终点之间的距离是本领域的技术人员所熟知的技术手段，本领域的技术人员可以查询相关的技术手册获知该技术，因而在本实施例中不再一一赘述；

所述分析单元获取所述任务数据、巡检线路的起点、终点、以及至少两个巡检关键点，并计算所述巡检路线Path的巡检代价Cost：

式中， Q₀为所述无人机单位距离内损耗的电量，g为所述起点到第一个巡检关键点的距离，h为最后一个关键点到终点的距离，r_i为相邻两个巡检关键点之间的距离，N为巡检关键点的数量，Q_返为所述无人机降落在停靠平台时所损耗的电量；

对于所述无人机降落停靠平台时损耗的电量Q_返，满足：

式中，H为设定的返航高度，H₀为无人机的当前高度，如图4所示，（x₁，y₁）为所述无人机当前所处的降落坐标系的坐标，（x₂，y₂）为降落坐标系中降落停靠平台的中心位置坐标，E₁为每上升1m所需的电量，E₂为偏航运动所需的电量，E₃为水平飞行单位长度（1m）所需的电量，E₄为每下降1m所需的电量，E₅为着陆阶段所需电量，ω为保留的电量阈值（如电池额度总电量的8%），其值由操作者设定；

对于上述的E₁、E₂、E₃、E₄、E₅均可通过所选无人机的型号所对应的固有参数直接取得，这是本领域的技术人员所熟知的技术手段，本领域的技术人员可以查询相关的技术手册获知该技术，因而在本实施例中不再一一赘述；

另外，所述停靠平台设置在所述巡检线路的终点附近，以供所述无人机进行自主降落，其中，对于无人机降落在所述停靠平台上的方法是本领域技术人员熟知的，因而在本实施例中不再一一赘述；

通过所述任务设定单元和所述分析单元的相互配合，使得所述无人机在巡航过程中的电量的损耗能够被检测出来，并根据预估的巡检代价动态评估所述无人机的电量损耗，提升整个巡检过程续航性能的精准管理；

可选的，所述电池监控模块包括电池槽、电池监控单元，所述电池槽用于存放无人机的电池，所述电池监控单元用于对电池的电量进行监控；

其中，所述无人机的电池采用锂电池；

所述电池装载在电池槽中，并通过锁定构件将电池锁定在所述电池槽中，以向所述无人机提供电力，其中，所述锁定构件采用常规结构，使得所述电池能稳定锁定在电池槽中即可，这是本领域的技术人员所熟知的技术手段，本领域的技术人员可以查询相关的技术手册获知该技术，因而在本实施例中不再一一赘述；

当所述电池装载在所述电池槽后，与所述电池槽中的供电触点接触，使得所述电池监控单元能获取所述电池的状态，以实现对所述电池的监控；其中，所述电池监控单元与所述供电接触点电连接；

同时，通过所述电池监控单元对所述电池的状态进行监控，以获得一个采样周期中所述电池的荷电状态值；

所述电池监控单元包括电池监控器、损耗评估子单元，所述电池监控器用于检测所述电池的电池容量，所述损耗评估子单元根据所述电池监控器的数据对当前的耗电量进行评估；

所述损耗评估子单元获取一个采样周期中所述电池监控器检测得到的电池的电池电量百分比Battery₀，并计算一个采样周期中损耗的荷电状态值Charge：

式中， B_ready为无人机电机的额定容量，单位为：安培·小时，可由无人机的采用的电池类型直接获得， I（t）为所述无人机工作时刻的电流，其值根据无人机实际工作状态的最大工作电流进行确定 ；Supple为补偿系数，满足：

式中，η₂为放电补偿系数，满足：η₂=0.98，η₁为温度补偿系数，满足：

式中，b为单位转换系数，T₀为无人机电池运行的标准温度，Tem为无人机当前的环境温度，其值由环境采样模块直接测得；

同时，通过所述电池监控模块对所述电池的状态进行监控，使得各个采样周期的损耗均能被检测；

通过所述电池监控模块对所述无人机一个检测周中的荷电状态值进行监控，以实现对所述无人机每一个采样周期的电池状态进行检测，以保证各个采样周期中的状态均能被精准检测出来，以保证续航评估的精准性和可靠性；

可选的，所述环境采样模块包括环境检测单元、以及风向评估单元，所述环境检测单元用于检测所述无人机所处的环境数据，所述风向评估单元根据所述环境数据对无人机所处的环境进行评估；

其中，所述环境数据包括温度、风向和风速；

所述环境检测单元包括温度传感器、风速传感器、数据存储器、以及数据交互器，所述温度传感器用于对所述无人机所处的环境温度进行检测，所述风速传感器用于检测无人机所处位置的风速，所述数据存储器用于存储所述温度传感器和风速传感器所测得的数据；

其中，所述数据交互器用于将所述数据存储器中的温度数据向所述损耗评估子单元进行传输；

可选的，所述风向评估单元获取所述环境检测单元测得的环境数据，并根据所述环境数据计算所述无人机单位距离内损耗的电量Q₀：

式中，v为无人机巡检时的实时位置环境的风速，其值根据风速传感器直接测得，D为巡检过程中的无人机的空气阻力，L为巡检过程中的无人机的升力，W_t为无人机的承载重量，τ₁为无人机提供升力的螺旋桨效率，τ₂为无人机的电子调速器的效率，τ₃为无人机处于续航状态的电机效率，C_x为阻力系数，C_L为升力系数，ρ为空气密度，由实际环境的空气密度直接取得，S为无人机机翼的参考面积；

可选的，所述评估模块获取所述任务设定模块计算得到的巡检代价Cost、所述电池监控模块计算得到的一个采样周期中损耗的荷电状态值Charge，对所述无人机的续航能力Allow进行评估，满足：

式中，times为巡检过程中采样周期的个数；

若续航能力Allow低于设定的安全阈值safety，则中断巡检任务，并触发对无人机进行降落或停靠降落平台；

通过所述评估模块与所述环境采样模块、任务采集模块的相互配合，使得所述无人机在巡检过程中的电池消耗量以及续航能力进行评估，使得整个系统具有巡航智能程度高、能动态对无人机的状态进行续航评估的优点。

实施例二。

本实施例应当理解为至少包含前述任一一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进，根据图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，还在于所述电池续航性能管理评估系统还包括预警模块，所述预警模块根据所述评估模块的评估结果向所述操作者触发不同等级的预警提示，并根据不同的预警等级触发对无人机的回收或备降的调度；

所述预警模块包括预警单元和调度单元，所述预警单元根据所述评估模块的评估结果向所述操作者触发不同等级的预警提示，所述调度单元根据不同的预警等级触发对无人机的回收或备降的调度；

所述预警单元获取所述无人机当前的续航能力Allow，并根据所述续航能力Allow与设定的第一预警监控阈值Range₁、设定的第二预警监控阈值Range₂、设定的第三预警监控阈值Range₃、设定的第四预警监控阈值Range₄计算不同的预警等级：

其中，一级预警为最高等级，Range₁、Range₂、Range₃、Range₄的值依次增大；当处于二级预警状态后，触发所述调度单元对所述停靠平台的调度，以使得所述停靠平台的位置能够被提前布设在巡检线路终点位置附近，以做好无人机中断的准备；

所述调度单元包括定位构件、以及移动车，所述定位构件用于对所述移动车的定位数据进行定位，所述移动车用于对所述停靠平台的位置进行移动，使得所述停靠平台能够被移动至所述巡检线路终点的附近；

在本实施例中，所述停靠平台设置在所述移动车的车顶或后备箱顶部；

通过所述预警单元和所述调度单元的相互配合，使得所述无人机的精准回收，以提升无人机安全回收，提升整个系统的可靠性和准确性。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内，此外，随着技术发展其中的元素可以更新的。

Claims (2)

1.一种无人机的电池续航性能管理评估系统，所述电池续航性能管理评估系统包括服务器、以及无人机，其特征在于，所述电池续航性能管理评估系统还包括任务设定模块、电池监控模块、环境采样模块、评估模块；

所述服务器分别与所述任务设定模块、所述电池监控模块、所述环境采样模块和所述评估模块连接；

所述任务设定模块用于接收操作者设定的任务数据，并根据任务数据分析完成巡检任务所需的续航代价，所述环境采样模块用于对所述无人机的飞行环境进行数据的采集，所述电池监控模块采集所述无人机的电池数据，所述评估模块根据所述任务设定模块、所述电池监控模块的数据，对所述无人机的续航能力进行评估；

所述任务设定模块包括任务设定单元、以及分析单元，所述任务设定单元用于接收所述操作者设定的巡检路线和无人机的承载重量，所述分析单元根据所述巡检路线和承载重量对无人机的固有续航进行分析；

所述任务设定单元包括任务采集器、巡检路线生成器，所述任务采集器用于采集所述无人机的任务数据，所述巡检路线生成器根据所述任务采集器的任务数据生成巡检路线Path；

其中，所述巡检路线Path包括起点、终点、以及至少两个巡检关键点；

所述分析单元获取所述任务数据、巡检线路的起点、终点、以及至少两个巡检关键点，并计算所述巡检路线Path的巡检代价Cost：

式中， Q₀为所述无人机单位距离内损耗的电量，g为所述起点到第一个巡检关键点的距离，h为最后一个关键点到终点的距离，r_i为相邻两个巡检关键点之间的距离，N为巡检关键点的数量，Q_返为所述无人机降落在停靠平台时所损耗的电量；

对于所述无人机降落停靠平台时损耗的电量Q_返，满足：

式中，H为设定的返航高度，H₀为无人机的当前高度，（x₁，y₁）为所述无人机当前所处的降落坐标系的坐标，（x₂，y₂）为降落坐标系中降落停靠平台的中心位置坐标，E₁为每上升1m所需的电量，E₂为偏航运动所需的电量，E₃为水平飞行单位长度所需的电量，E₄为每下降1m所需的电量，E₅为着陆阶段所需电量，ω为保留的电量阈值，其值由操作者设定；

所述电池监控模块包括电池槽、电池监控单元，所述电池槽用于存放无人机的电池，所述电池监控单元用于对电池的电量进行监控；

所述电池监控单元包括电池监控器、损耗评估子单元，所述电池监控器用于检测所述电池的电池容量，所述损耗评估子单元根据所述电池监控器的数据对当前的耗电量进行评估；

所述损耗评估子单元获取一个采样周期中所述电池监控器检测得到的电池电量百分比Battery₀，并计算一个采样周期中损耗的荷电状态值Charge：

式中， B_ready为无人机电池的额定容量，单位为：安培·小时，由无人机的采用的电池类型直接获得， I（t）为所述无人机工作时的电流；Supple为补偿系数，满足：

式中，η₂为放电补偿系数，满足：η₂=0.98，η₁为温度补偿系数，满足：

式中，T₀为无人机电池运行的标准温度，Tem为无人机当前的环境温度，其值由环境采样模块直接测得；

所述环境采样模块包括环境检测单元、以及风向评估单元，所述环境检测单元用于检测所述无人机所处的环境数据，所述风向评估单元根据所述环境数据对无人机所处的环境进行评估；

其中，所述环境数据包括温度、风向和风速；

所述环境检测单元包括温度传感器、风速传感器、数据存储器、以及数据交互器，所述温度传感器用于对所述无人机所处的环境温度进行检测，所述风速传感器用于检测无人机所处位置的风速，所述数据存储器用于存储所述温度传感器和风速传感器所测得的数据；

其中，所述数据交互器用于将所述数据存储器中的温度数据向所述损耗评估子单元进行传输；

所述风向评估单元获取所述环境检测单元测得的环境数据，并根据所述环境数据计算所述无人机单位距离内损耗的电量Q₀：

式中，v为无人机巡检时的实时位置的风速，其值根据风速传感器直接测得，D为巡检过程中的无人机的空气阻力，L为巡检过程中的无人机的升力，W_T为无人机的承载重量，τ₁为无人机提供升力的螺旋桨效率，τ₂为无人机的电子调速器的效率，τ₃为无人机处于续航状态的电机效率，C_x为阻力系数，C_L为升力系数，ρ为空气密度，S为无人机机翼的参考面积，g为所述起点到第一个巡检关键点的距离，t为无人机的巡检飞行时间；

所述评估模块获取所述任务设定模块计算得到的巡检代价Cost、所述电池监控模块计算得到的一个采样周期中损耗的荷电状态值Charge，对所述无人机的续航能力Allow进行评估，满足：

式中，times为巡检过程中采样周期的个数；

若续航能力Allow低于设定的安全阈值safety，则中断巡检任务，并触发对无人机进行降落或停靠降落平台。

2.根据权利要求1所述的一种无人机的电池续航性能管理评估系统，其特征在于，所述无人机的电池为锂电池。

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