Вопросы проектирования узлов электропитания мультикоптеров

Авторы

Гусейнов О. А., Фатуллаев А. А.

Национальное аэрокосмическое агентство Азербайджана, ул. Ахундова Сулеймана Сани, 1, Баку, AZ1115, Азербайджанская Республика

Аннотация

Энергопитание беспилотных летательных аппаратов является важнейшей проблемой в решении задачи повышения эффективности таких систем. При этом как перспективные, так и современные решения в области энергопитания должны быть привязаны реальным конструктивным особенностям устоявших типичных вариантов построения беспилотников.
Ограниченность времени полетов мультикоптеров остается одним из важных проблем, ждущих своего решения и аналитические методы позволяют успешно решать некоторые задачи проектирования мультикоптеров. Целью настоящей статьи является определение оптимальной взаимосвязи между объёмом, используемым типа батарейки и количеством тяговых двигателей постоянного тока.
Вышеуказанная задача может быть поставлена и решена в прямом и обратном виде. Обратная постановка вышеуказанной задачи формулируется следующим образом: При какой взаимосвязи между емкостью батареи и потребляемым током коптера достигается экстремальное время разряда батареи. При этом должны быть соблюдены такие требования к системе электропитания дронов как (а) малый вес, и (b) высокая эффективность работы. Сформулирована и решена задача выбора батареи для коптеров с различным количеством двигателей постоянного тока, при котором время разряда батареи достиг бы экстремальной величины. При этом предполагается наличие множества батарей с различной энергоемкостью.
Выявлен нежелательный порядок выбора батарейки для мультикоптеров, у которых ток потребления пропорционален количеству имеющихся в них двигателей, при котором среднее время разряда по всему множеству коптеров может достигнуть минимума. Дана рекомендация избегать такого распределения имеющегося энергоресурса по множеству мультикоптеров.

Ключевые слова:

мультикоптер, энергоемкость, оптимизация, двигатель постоянного тока, время полета

Библиографический список

1. Bowen D. Encyclopedia of war machines: an historical survey of the world’s great weapons, Peerage books, London, UK, 1977, 368 p.
2. Hannavy J. Encyclopedia of nineteenth-century photography, Routledge, Taylor & Francis group, 2007, 828 p.
3. Ambrosia V. G., Wegener S., Zajkowski T. et al. The Ikhana UAS western states fire imaging missions: from concept to reality (2006-2011) // Geocarto International, 2011. DOI: 10.1080/10106049.2010.539302
4. Torres-Sanchez J., Lopez-Granados F., Pena J. M. An automatic object-based method for optimal thresholding in UAV images: application for vegetation detection in herbaceous crops // Computers and electronics in agriculture, 2015, vol. 114, pp. 43-52. DOI: 10.1016/j.compag.2015.03.019
5. Primicerio J., Gennaro S. F., Fiorillo E., Genesio L., Lugato E. A flexible unmanned aerial vehicle for precision agriculture // Precision Agriculture, 2012, vol. 13 (4), pp. 517-523. DOI: 10.1007/s11119-012-9257-6
6. Асланова А.Б. Вопросы оптимизации комбинированного питания БПЛА с использованием солнечных батарей и наземной воздушной передачи энергии лазерным лучом // Труды МАИ. 2022. № 122. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=164287. DOI: 10.34759/trd-2022-122-21
7. Асланова А.Б. Оптимизация режимных показателей батарейных БПЛА с дифференциальным сбросом веса полезной нагрузки // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=159794. DOI: 10.34759/trd-2021-119-16
8. Джахидзаде Ш.Н. Вопросы оптимизации использования дополнительных солнечных панелей для питания узлов беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. 2019. № 108. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=109570. DOI: 10.34759/trd-2019-108-17
9. Betancourth N.J.P., Villamarin J.E P., Rios J.J.V. Bravo-Mosquera P.D., Ceron-Munoz H.D. Design and manufacture of a solar-powered unmanned aerial vehicle for civilian surveillance missions // Journal of Aerospace Technology and Management, 2016, vol. 8 (4), pp. 385-396. DOI: 10.5028/jatm.v8i4.678
10. Lee J.S., Yu K.H. Optimal Path Planning of solar-powered UAV using gravitational potential energy // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2017, vol. 53, no. 3, pp. 1442-1451. DOI: 10.1109/TAES.2017.2671522
11. Makki B., Svensson T., Bruisman K., Perez J., Alouini M-S. Wireless energy and information transmission in FSO and Rf-FSO links // IEEE Wireless Communication Letters, 2018, vol. 7 (1), pp. 90-93. DOI: 10.1109/LWC.2017.2755658
12. Богушевская В.А., Заяц О.В., Масляков Я.Н., Мацак И.С., Никонов А.А., Савельев В.В., Шептунов А.А. Разработка системы дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. 2012. № 51. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29047
13. Dai X., Quan Q., Ren J., Cai K. Y. An analytical design-optimization method for electric propulsion systems of multicopter UAVs with desired hovering endurance // IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2019, vol. 24, no. 1. DOI: 10.1109/TMECH.2019.2890901
14. Oktay T., Sultan C. Simultaneous helicopter and control-system design // Journal of Aircraft, 2013, vol. 50, no. 3, pp. 911–925. DOI: 10.2514/1.C032043
15. Oktay T., Konar M., Onay M., Aydin M., Mohamed M.A. Simultaneous small uav and autopilot system design // Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 2016, vol. 88, no. 6, pp. 818–834. DOI: 10.1108/AEAT-04-2015-0097
16. Harrington A.M. Optimal propulsion system design for a micro quad rotor, Master’s thesis, University of Maryland, College Park, 2011.
17. Shi D., Dai X., Zhang X., Quan Q. A practical performance evaluation method for electric multicopters // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2017, vol. 22, no. 3, pp. 1–10. DOI: 10.1109/TMECH.2017.2675913
18. McCrink M., Gregory J.W. Blade element momentum modeling of low-re small uas electric propulsion systems // 33rd AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2015. DOI: 10.2514/6.2015-3296
19. Lawrence D., Mohseni K. Efficiency analysis for long duration electric mavs // Infotech@Aerospace Conferences, 2005. DOI: 10.2514/6.2005-7090
20. Stepaniak M.J., Graas F.V., De Haag M.U. Design of an Electric Propulsion System for a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle // Journal of Aircraft, 2009, vol. 46, no. 3, pp. 1050–1058. DOI: 10.2514/1.38409

Скачать статью