一种定载荷电动力无人机的分段能耗评价方法与流程

本发明涉及无人机的电池管控领域，具体涉及一种定载荷电动力无人机的分段能耗评价方法。

背景技术：

近年来，无人机的使用越来越普及，无人机可用于军事战争、科学勘探发展、灾害救援等科技前沿场合，也用于摄影摄像，日常监测等生活场合。无人机具有高精度、长距离和可远程遥控的特点，以其无法替代的优越性在人民生活中占据越来越重要的地位。

无人机在飞行过程中，电池组属于大功率放电，续航能力一般在20分钟至30分钟之间，市面上的无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，充电时间大都超过了一小时。大多数无人机维持十几分钟到二十分钟飞行之后，就需要有人为它们更换电池或者插上充电线。无人机电池的充电电源要求单一，无法在野外进行充电，在运输存储过程中需要防止挤压、碰撞、高温，并提供全方位的保护。现有的无人机充电器还存在充电效率低、兼容性差、安全系数低等问题。而若通过人工更换电池，每次更换电池都要断电，重新连接图传、卫星、遥控、自检之后才能正常起飞，间断时间长，影响了无人机的正常使用，对无人机的拍摄影像品质也有较大的影响。电池续航能力短限制了无人机的拍摄时间和拍摄范围，要实现长时间的拍摄作业，需要准备几块电池备用。受限于无人机的设计尺寸和飞行的方便，无人机所携带的能源是有限的，这就限制了无人机的留空时间和航程等，影响无人机有限载荷和任务要求。因此，电池的续航能力是无人机发展一个致命的短板，大大限制了无人机行业的整体发展。

另外，现有技术中的电池组属于3c放电状态，电池组在工作过程中发热量很大，飞行一次温度高达70～80℃，过高的温度会直接影响电池组的放电量，从而降低无人机的飞控稳定性，同时过高的温度会引起电池组热失控，着火、爆炸的几率增加。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种定载荷电动力无人机的分段能耗评价方法，用于找到无人机在哪个阶段消耗的能量最多，进而通过规划无人机的飞行任务达到无人机以最低能耗飞行作业，最终达到提高无人机续航能力的目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种定载荷电动力无人机的分段能耗评价方法，包括以下步骤：

步骤一、设置参数使无人机分段飞行；

步骤二、实时采集步骤一中无人机在各个阶段飞行时的基础数据及能耗数据；

步骤三、根据所述基础数据及能耗数据生成评价指标及评价指标对应的基准值；

步骤四、根据所述各个评价指标的类型，确定与所述各个评价指标的类型对应的模糊隶属度函数，利用所述模糊隶属度函数，对所述各个评价指标进行无量纲化处理，生成与所述各个评价指标对应的无量纲评价指标；

步骤五、根据与所述各个评价指标对应的无量纲评价指标和与所述各个评价指标分别对应的基准值，生成与所述各阶段无人机能耗对应的评价值。

进一步地，在步骤一中，所述无人机飞行分段由无人机地面控制站控制，采用无人机地面控制站控制无人机将无人机飞行过程分为：起飞、加速、匀速、减速、降落五段；在无人机地面控制站控制飞行模块中设定无人机起飞点、加速度、飞行速度、降落点、飞行时间及飞行距离。

进一步地，所述无人机设置有霍尔库伦计及无线信号传输器模块，霍尔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、充放电时间及功率；所述无线信号传输器能将所述电压电流表的显示数据转换为无线信号，并将该无线信号传输到无人机地面控制站上的信号接收装置，信号接收装置实时显示电池电压、电流、功率。

进一步地，在步骤三中，评价指标的生成步骤为：确定与所述各个评价指标对应的预设指标算法；根据所述与所述各个评价指标对应的预设指标算法，对所述各个阶段的基础数据进行运算，生成与所述各个阶段分别对应的评价指标；预设评价指标算法为汉密尔顿算法，能够测得无人机瞬时电耗量，其表达式为：h(x(t)，u(t)，t，p(t))＝p(t)·f(x(t)，u(t)，t)；评价指标对应的基准值的生成步骤为：在与各个基准值对应的预设基准值算法的基础上，根据各个阶段的基础数据，生成与所述各个阶段评价指标分别对应的基准值。

进一步地，在步骤四中最优能耗模糊隶属度函数为：其中，控制变量u为电机功率和电机驱动功率间的分配比例，状态变量x为电池实时剩余电荷量soc。

进一步地，在步骤五中，所述各阶段无人机能耗对应的评价值包括：电池电压下降速度、电流波动幅度、电池电荷量变化率、电池输出功率、电机系统效率。

其中，电池电压下降速度的计算步骤为：

a.取得无人机在各个阶段飞行时的基础数据及能耗数据；

b.无人机起飞前的电池电压标为u0，此刻时间为t0；准备加速时刻的时间为t1，此刻电压为u1；

c.无人机起飞阶段的电压下降速度为

d.根据所述步骤a至步骤c的实施方式分别计算无人机加速、匀速、减速、降落阶段的电压下降速度。

其中，电流波动幅度及电池电荷量变化率的测量方法为：在无人机的机身上设置霍尔库伦计及无线传感器模块，霍尔库伦计检测到参数，并将该参数通过无线传感器模块传输到无人机地面控制站的数据接收显示层，通过数据接收显示层的后台算法计算，得出无人机实时电流数据、电荷数据、显示电流波动曲线图及电池电荷量变化图，用电流变化量及电荷变化量除以时间间隔，得到所述各阶段无人机电池的电流波动幅度及电池电荷量变化率。

其中，电池输出功率的计算步骤为：

a.计算电机转矩与变速器输入端的总转矩需求之比u(t)，其计算公式为其中tm为电机输出转矩，td为变速器输入端需求转矩；

b.计算电池输出功率p，公式为p＝u(t)·td·wm·ηm(u(t)·td，wm)^-s，其中wm为电机转速；ηm为电机效率；s是一个状态指数；当电池输出功率时，s等于1。

其中，所述电机系统效率ηe的计算公式为：

其中we·te为电机输出功率；m(we，te)为瞬时耗电量。

本发明与现有技术相比可实现以下有益效果：

1、无人机飞行分段由无人机地面控制站控制，在无人机地面控制站控制飞行模块中设定无人机起飞点、加速度、飞行速度、降落点、飞行时间及飞行距离，该设定方法简单便捷，操作性好，准确度高。

2、无人机上设置有霍尔库伦计及无线信号传输器，其测量的参数全面准确，包括无人机电池的电压、电流、充放电容量、充放电时间、功率等多种物理量，并且通过无线信号传输，可实时地传输到地面控制站，实现信息的稳定同步输送。

3、通过研究无人机分段能耗，进一步分析得出无人机在哪个阶段消耗的能量最多，通过分段能耗的分析及评价，对无人机的飞行任务进行合理规划，实现无人机以最低能耗飞行作业，延长无人机续航能力，提高了无人机电池的工作效率。

4、该方法用于测评的参数有电池电压下降速度、电流波动幅度、电池电荷量变化率、电池输出功率、电机系统效率，通过对于多个参数的综合分析，提供每个飞行阶段能耗的客观评价，保证评价的准确性；并为后序进一步调整各个阶段的参数提供了数据和分析基础，便于后序对电池飞行计划做出多样化的调整。

5.通过评价值，对无人机电池在每个阶段的使用进行优化，提高电池使用的效率，维持电池在工作状态下的温度维持在一固定范围内，提高电池的寿命和安全性。

附图说明

图1为本发明定载荷电动力无人机的分段能耗评价方法的流程示意图；

图2为本发明的无人机能耗分析系统的示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的定载荷电动力无人机的分段能耗评价方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤一、设置参数使无人机分段飞行，采用无人机地面控制站控制无人机将无人机飞行过程分为：起飞、加速、匀速、减速、降落五段。

无人机飞行分段由无人机地面控制站控制，在无人机地面控制站控制飞行模块中设定无人机起飞点、加速度、飞行速度、降落点、飞行时间及飞行距离。

步骤二、实时采集步骤一中无人机五个阶段飞行时的基础数据及能耗数据。无人机机体上设置有霍尔库伦计及无线信号传输器模块，霍尔库伦计中的电压电流表能测量多种物理量，多种物理量包括无人机电池的电压、电流、充放电容量、充放电时间、功率；无线信号传输器能将所述电压电流表的显示数据转换为无线信号，并将该无线信号传递到无人机地面控制站上的信号接收装置，信号接收装置显示实时数据，实时数据包括电池电压、电流、功率。

具体的，无人机地面控制站接收到的无人机飞行基础数据包括：无人机起飞耗时t1；加速耗时t2；匀速飞行耗时t3；减速耗时t4；降落耗时t5；加速度a1；a2；电机转速实时转速v；电机实时扭矩n；能耗数据包括：电池实时剩余电荷量soc；实时电压v；实时电流i。

步骤三、根据所述基础数据及能耗数据生成评价指标及评价指标对应的基准值。具体地，确定各阶段评价指标对应的预设指标算法；预设评价指标算法为汉密尔顿算法，能够测得无人机瞬时电耗量，其表达式为：

h(x(t)，u(t)，t，p(t))＝p(t)·f(x(t)，u(t)，t)

根据与各个评价指标对应的预设指标算法，对五个阶段的基础数据进行运算，生成与各个阶段分别对应的评价指标。

在与各个基准值对应的预设基准值算法的基础上，根据各个阶段的基础数据，生成与所述各个阶段评价指标分别对应的基准值。评价指标分别对应的基准值包括：电池电压下降速度；电池输出功率；电机系统效率ηe。

其中，电池电压下降速度的计算步骤为：

a、取采集到的基础数据及能耗数据；

b、无人机起飞前的电池电压标为u0，此刻时间为t0；准备加速时刻的时间为t1，此刻电压为u1；

c、无人机起飞阶段的电压下降速度为

d、根据所述步骤一至步骤三的实施方式分别计算无人机加速、匀速、减速、降落阶段的电压下降速度。

其中，电池输出功率的计算步骤为：

a、计算电机转矩与变速器输入端的总转矩需求之比u(t)，其计算公式为其中tm为电机输出转矩，td为变速器输入端需求转矩；

b、计算电池输出功率p，公式为p＝u(t)·td·wm·ηm(u(t)·td，wm)^-s，其中wm为电机转速；ηm为电机效率；s是一个状态指数；当电池输出功率时，s等于1；

其中，电机系统效率ηe的计算公式为：

其中we·te为电机输出功率；m(we，te)为瞬时耗电量。

其中，电流波动幅度及电池电荷量变化率的计算方法为：

在无人机的机身上设置霍尔库伦计及无线传感器模块，霍尔库伦计检测到参数，并将该参数通过无线传感器模块传输到无人机地面控制站的数据接收显示层，通过数据接收显示层的后台算法计算，得出无人机实时电流数据、电荷数据、显示电流波动曲线图及电池电荷量变化图，用电流变化量及电荷变化量除以时间间隔，得到所述各阶段无人机电池的电流波动幅度及电池电荷量变化率。

步骤四、根据所述各个评价指标的类型，确定与所述各个评价指标的类型对应的模糊隶属度函数。最优能耗模糊隶属度函数为：

其中，控制变量u为电机功率和电机驱动功率间的分配比例，状态变量x为电池soc。利用所述模糊隶属度函数，对所述各个评价指标进行无量纲化处理，生成与所述各个评价指标对应的无量纲评价指标。

步骤五、根据与所述各个评价指标对应的无量纲评价指标和与所述各个评价指标分别对应的基准值，生成与所述各阶段无人机能耗对应的评价值。各阶段无人机能耗对应的评价值包括：电池电压下降速度、电流波动幅度、电池电荷量变化率、电池输出功率、电机系统效率。

通过上述的定载荷电动力无人机的分段能耗评价结果，对无人机耗能进行优化处理，约束条件设为电机的转矩、功率限制、和电池的电压、电流、功率、soc限制；控制变量是不同时刻电机系统与电池系统间的功率分配比。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。