本發(fā)明涉及無人機能耗領(lǐng)域，具體涉及一種動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法。

背景技術(shù)：

近年來，“智能”這兩個字越來越多地出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。農(nóng)業(yè)植保無人機的出現(xiàn)，是農(nóng)業(yè)智能化的顯著特征和標(biāo)志之一。推出的農(nóng)業(yè)噴藥無人機，噴藥效率是人工作業(yè)的40-60倍，防治害蟲效果更好，徹底解放了人工噴藥的辛苦和低效率，被稱為智能噴藥的神器。生活因為科技的發(fā)展變得多姿起來，農(nóng)業(yè)也因為科技而更加高效。但是續(xù)航時間和更加智能化控制這兩個問題是未來有待提升之處。當(dāng)前，市面上的大多數(shù)無人機續(xù)航都在15-25分鐘之間，空中的續(xù)航能力普遍不高，這也就限制了無人機的使用。雖然可以降落后更換電池使用，但一般用戶備用電池只有一兩塊，并且電池充電慢。續(xù)航時間短大部分原因歸咎于目前電池技術(shù)的局限，鋰電池的密度已經(jīng)近于一個峰值，很難再有很明顯的突破，所以很多無人機廠商已經(jīng)開始研究其他動力的消費級無人機。

基于目前仍未解決無人機的動力問題，那么提高無人機的續(xù)航能力就必須由降低無人機能耗方面入手，如果無人機作業(yè)時候能耗控制到最低，就能大大提高無人機的續(xù)航能力，通過動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法，能夠了解農(nóng)業(yè)無人機動態(tài)噴施時候電力系統(tǒng)的能量消耗情況，為無人機節(jié)能優(yōu)化提供參考與支持，然而現(xiàn)有技術(shù)中還沒有相關(guān)的動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法，利用該方法了解農(nóng)業(yè)無人機動態(tài)噴施時電力系統(tǒng)的能量消耗情況，從而為無人機節(jié)能優(yōu)化提供參考與支持。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法，包括以下步驟：

步驟一、測量并標(biāo)定電動力無人機空載質(zhì)量m0；

步驟二、將質(zhì)量可變載重物安裝到電動力無人機上；

步驟三、啟動電動力無人機作業(yè)，保持電機轉(zhuǎn)速、扭矩并控制電動力無人機上的載重物質(zhì)量逐漸較少為mk，記錄電機實時電壓、電流、電池輸出功率、電池剩余電量及飛行距離s；

步驟四、再次啟動電動力無人機作業(yè)，從起點飛至s，保持電動力無人機上的載重物質(zhì)量不變，逐漸改變電機轉(zhuǎn)速、扭矩，并記錄電機實時電壓、電流、電池輸出功率、電池剩余電量；

步驟五、根據(jù)步驟一至步驟四，計算電動力無人機電機的負(fù)載系數(shù)k、運行效率ηem和功率因數(shù)；

步驟六、分別計算步驟三及步驟四兩次無人機作業(yè)過程的電能消耗量；

步驟七、分析電動力無人機電機系統(tǒng)能耗影響因素。

本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，其中，所述電動力無人機由無人機地面控制站的飛行控制模塊控制，通過無人機地面控制站調(diào)節(jié)無人機的電機轉(zhuǎn)速、扭矩及控制載重物質(zhì)量變化。

本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，其中，所述電動力無人機佩戴庫倫計、壓力傳感器及無線信號傳輸器模塊，霍爾庫倫計中的電壓電流表用于測量無人機電池的電壓、電流、充放電容量、充放電時間、功率等多種物理量。

進一步的，所述壓力傳感器用于測得所述載重物的實時壓力，無線信號傳輸器能將所述電壓電流表的顯示數(shù)據(jù)及壓力傳感器的顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線信號傳遞到無人機地面控制站上的信號接收裝置，進而顯示實時電池電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，其中，所述電動力無人機電機的負(fù)載系數(shù)為無人機電機輸出功率與其額定功率之比，計算公式為：

其中pn為額定功率，pe為空載功率，ηn為額定效率，pem-in為電機輸入功率。

進一步的，所述電動力無人機電機的運行效率ηem為電機輸出功率與其輸入功率之比，計算公式為：

pem-out＝kpn，其中pem-out為電機輸出功率。

進一步的，所述電動力無人機電機的功率因數(shù)為：

其中uem-in為電機輸入電壓；iem-in為輸入電流。

本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，其中，所述無人機作業(yè)過程的電能消耗量的計算步驟為：

(一)、計算電動力無人機的電機驅(qū)動力f：

其中m為無人機質(zhì)量；g為重力加速度；f為機翼旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)；h為飛行高度；c為常數(shù)；v為無人機飛行速度；a為旋翼旋轉(zhuǎn)面積；a為無人機飛行加速度；δ為無人機質(zhì)量換算系數(shù)；

(二)、計算無人機電能消耗量：

其中ee為電機消耗電能；ηe為電池平均放電效率；ηi為傳動系統(tǒng)平均效率；ηm為電機電動平均效率。

本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，其中，所述電動力無人機電機系統(tǒng)能耗影響因素包括電流變化、功率因數(shù)變化、電源質(zhì)量、負(fù)載特性和負(fù)載率，所述分析方法包括以下步驟：

(一)、建立層次結(jié)構(gòu)模型。明確所要解決的問題及問題所涉及的因素以及各因素之間的相互關(guān)系；

(二)、構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)有m個目標(biāo)，根據(jù)某一準(zhǔn)則，將這m個目標(biāo)兩兩進行比較。

(三)、判斷矩陣的一致性檢驗。對于每一層次作單準(zhǔn)則排序時，均需要作一致性的檢驗。對判斷矩陣的一致性進行檢驗，首先進行一致性指標(biāo)c.i，計算公式為：其中γmax為矩陣最大特征向量值；n為矩陣階數(shù)；

(四)、層次排序，給出決策排名。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供了一種動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法，從載重物質(zhì)量、電機轉(zhuǎn)速、扭矩等因素探索對無人機耗能的影響，并通過電機實時電壓、電流、電池輸出功率、電池剩余電量等因素判斷無人機的耗能情況，從而得出不同飛行狀態(tài)下的無人機耗能情況，從而探索出影響無人機耗能的因素，進而獲知哪些因素給無人機作業(yè)帶來了額外的無用耗能，從而為無人機節(jié)能優(yōu)化提供參考與支持。

2、在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，調(diào)節(jié)無人機載重物質(zhì)量機電機轉(zhuǎn)速、扭矩由無人機地面控制站控制，方便且準(zhǔn)確。

3、在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，無人機佩戴庫倫計、壓力傳感器及無線信號傳輸器，庫倫計中的電壓電流表能測量無人機電池的電壓、電流、充放電容量、充放電時間、功率等多種物理量，壓力傳感器能夠?qū)崟r測得無人機載重物的質(zhì)量變化情況。

4、在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，無人機地面控制站能夠接收多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及能耗數(shù)據(jù)，進而能夠計算出無人機電機的負(fù)載系數(shù)k、運行效率ηem、和功率因數(shù)，電能消耗量。

5、在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，通過無人機地面控制站控制無人機載重物的質(zhì)量變化和電機轉(zhuǎn)速、扭矩和接收能耗數(shù)據(jù)通過能耗數(shù)據(jù)來分析影響電機系統(tǒng)效率的因素及影響電機能耗的因素，進一步通過無人機有效作業(yè)能耗評價方法來評價個影響因素所占權(quán)重。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明的一種動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法中無人機作業(yè)過程的電能消耗量計算方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步描述，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。

參見圖1，本實施方式的動載荷電動力無人機有效作業(yè)能耗評價方法，包括以下步驟：

步驟一、測量并標(biāo)定電動力無人機空載質(zhì)量m0；

步驟二、將質(zhì)量可變載重物z安裝到電動力無人機上；載重物原始質(zhì)量為m，最小質(zhì)量為mk；

步驟三、啟動電動力無人機作業(yè)，保持電機轉(zhuǎn)速、扭矩并控制電動力無人機上的載重物質(zhì)量逐漸較少為mk，記錄電機實時電壓u、電流i、電池輸出功率p、電池剩余電量soc及飛行距離s；

步驟四、再次啟動電動力無人機作業(yè)，從起點飛至s，保持電動力無人機上的載重物質(zhì)量不變，逐漸改變電機轉(zhuǎn)速v、扭矩n，并記錄電機實時電壓u′、電流i′、電池輸出功率p′、電池剩余電量soc′；

步驟五、根據(jù)步驟一至步驟四，計算電動力無人機電機的負(fù)載系數(shù)k、運行效率ηem、和功率因數(shù)；

步驟六、分別計算步驟三及步驟四兩次無人機作業(yè)過程的電能消耗量；

步驟七、分析電動力無人機電機系統(tǒng)能耗影響因素。

通過無人機地面控制站調(diào)節(jié)無人機的電機轉(zhuǎn)速、扭矩及控制載重物質(zhì)量變化，通過電動力無人機佩戴的庫倫計、壓力傳感器及無線信號傳輸器模塊，庫倫計中的電壓電流表能測量無人機電池的電壓、電流、充放電容量、充放電時間、功率等多種物理量；壓力傳感器能夠測得所述載重物的實時壓力，無線信號傳輸器能將所述電壓電流表的顯示數(shù)據(jù)及壓力傳感器的顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線信號傳遞到無人機地面控制站上的信號接收裝置，進而顯示實時電池電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。

作為一種可選實施例，根據(jù)無人機電機的額定pn，測得的空載功率pe、額定效率ηn，根據(jù)無人機地面控制站實時監(jiān)測到的電機輸入功率pem-in，計算電動力無人機電機的負(fù)載系數(shù)為無人機電機輸出功率與其額定功率之比，計算公式為：

具體的，所述電動力無人機電機的運行效率ηem為電機輸出功率與其輸入功率之比，計算公式為：

pem-out＝kpn，其中pem-out為電機輸出功率；

具體的，根據(jù)電機輸入電壓uem-in、輸入電流iem-in；計算電動力無人機電機的功率因數(shù)為：

如圖2所述，無人機作業(yè)過程的電能消耗量的計算步驟為：

步驟一、：測量無人機空載質(zhì)量m；重力加速度g；機翼旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)f；旋翼旋轉(zhuǎn)面積a；

根據(jù)無人機地面控制站監(jiān)控?zé)o人機飛行數(shù)據(jù)，記錄飛行高度h；飛行速度v；δ為無人機質(zhì)量換算系數(shù)；c為常數(shù)；

根據(jù)公式計算電動力無人機的電機驅(qū)動力f

步驟二、根據(jù)無人機地面控制站后臺計算出電機消耗電能ee；電池平均放電效率ηe；傳動系統(tǒng)平均效率ηi；電機電動平均效率ηm；

根據(jù)公式計算出無人機電能消耗量。

作為一種可選實施例，電動力無人機電機系統(tǒng)能耗影響因素包括電流變化、功率因數(shù)變化、電源質(zhì)量、負(fù)載特性和負(fù)載率，所述分析方法包括以下步驟：

(一)、建立層次結(jié)構(gòu)模型。明確所要解決的問題，搞清楚問題所涉及的因素以及各因素之間的相互關(guān)系；

(二)、構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)有m個目標(biāo)，根據(jù)某一準(zhǔn)則，將這m個目標(biāo)兩兩進行比較。

(三)、判斷矩陣的一致性檢驗。對于每一層次作單準(zhǔn)則排序時，均需要作一致性的檢驗。對判斷矩陣的一致性進行檢驗，首先進行一致性指標(biāo)c.i，計算公式為：其中γmax為矩陣最大特征向量值；n為矩陣階數(shù)；

(四)、層次排序，給出決策排名。

上述為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。