农用多旋翼无人机作业能耗白盒模型构建与试验_李继宇.pdf

2 0 2 3 年 8 月农 业 机 械 学 报第 54 卷 第 8 期doi:106041/j issn 1000-1298 2023 08 008农用多旋翼无人机作业能耗白盒模型构建与试验李继宇张植勋赵胤伟沈卓刘知杰吕佳(华南农业大学工程学院，广州 510642)摘要:为了减少因能量有限而导致无人机飞行时间有限的问题，研究农用无人机在飞行时的作业能耗是十分必要的。本研究以农用多旋翼无人机为研究对象，采用白盒建模的方法，依照动力系统各部件原理，构建了农用无人机的飞行总效率模型，再根据农用无人机的飞行特点，建立了一种针对农用无人机的作业能耗模型，并通过对农用无人机的速度、载荷和航程这 3 个动态参数分组试验得到的数据进行了验证。结果表明，模型具有较高的精度，最大平均误差约为 6.582%，最大绝对误差中位数约为 7.654%。最后对模型的各个参数进行分析，引入模型修正系数对模型进行修正，修正后的模型精度相比修正前的最大平均误差减少约 3.092 个百分点，误差中位数减少约 3.612个百分点，修正后效果显著。本研究构建的理论模型可以用于农用无人机作业能耗的计算和预测，在规划无人机任务前就可以得到相应的作业能耗并进行优化，也可以适配不同控制器的其他旋翼机型，具有一定的应用价值。关键词:农业;无人机;能耗;白盒模型中图分类号:S252文献标识码:A文章编号:1000-1298(2023)08-0087-10OSID:收稿日期:2022 09 09修回日期:2022 12 10基金项目:广东省自然科学基金项目(2021A1515010736)和广州市重点研发计划项目(2023B03J1323)作者简介:李继宇(1979)，男，教授，博士生导师，主要从事精准农业航空研究，E-mail:lijiyu scau edu cn通信作者:吕佳(1979)，女，讲师，博士，主要从事精准农业航空研究，E-mail:lvjia scau edu cnConstruction and Experiment of White Box Model for EnergyConsumption of Agricultural Multi-rotor UAV OperationLI JiyuZHANG ZhixunZHAO YinweiSHEN ZhuoLIU ZhijieL Jia(College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)Abstract:In order to reduce the problem of limited flight time of UAVs due to limited energy，it isnecessary to study the operational energy consumption of agricultural UAVs during flightTakingagricultural multi-rotor UAV as the research object，the white-box modeling method was used to constructthe total flight efficiency model of agricultural UAV according to the principle of each component of thepower system，and then an operational energy consumption model was established for agricultural UAVaccording to the flight characteristics of agricultural UAV，and the data obtained were verified by groupingtests of three dynamic parameters，namely speed，load and range of agricultural UAV The resultsshowed that the model had a high accuracy，with a maximum average error of about 6.582%and amedian maximum absolute error of about 7.654%Finally，each parameter of the model was analyzedand the model correction coefficient was introduced to correct the model，and the accuracy of thecorrected model was reduced by about 3.092 percentage points of the maximum mean error and about3.612 percentage points of the median error compared with the maximum mean error before thecorrection，which was significant after the correction The theoretical model constructed can be used forthe calculation and prediction of agricultural UAV operation energy consumption，and the correspondingoperation energy consumption can be obtained and optimized before planning the UAV mission，and it canalso be adapted to other rotor models with different controllers，which had certain application valueKey words:agriculture;UAV;energy consumption;white-box model0引言当前我国农用无人机在所有机型中超过 80%，农用无人机的优势主要体现在:用途广泛，无人机在农业领域可以进行喷药施肥1、授粉播种2、农情监测3、生物检测4 和放牧喂食5 等任务。使用方便效率高，其作业地形不受限制，还可以通过航线完成监测和撒药等作业，植保用药效率高，可以最大程度减少病虫害;经济效益明显，例如其单位植保费用相比传统方法低 30%50%，效率是人工的20 50 倍。农用无人机根据类型可以分为单旋翼、多旋翼、固定翼，按旋翼类型目前主要有 4 旋翼、6 旋翼、8 旋翼及更多旋翼构型，目前大规模使用的是 4 旋翼和6 旋翼。根据能源类型可以分为电动和油动，其中无人机电动转换效率为 70%，油动转换效率为30%，因此本文针对以锂电池为动力的农用无人机进行研究。目前商品锂电池的能量密度普遍低于200 W h/kg，使得农用无人机配套的电池可供续航时间最多为 20 min，难以满足当前农用无人机对长航程、长航时、大负载的作业需求。虽然增加电池数量和减少载荷可以提高续航能力，但前者增加重量，导致额外的能量消耗，后者降低了效率6。为了降低因电池容量有限而导致无人机飞行时间有限的影响，对农用无人机在飞行时的作业能耗进行研究是十分必要的。目前针对农用无人机作业能耗研究主要围绕黑盒或白盒建模。黑盒建模主要通过数据预处理、回归法、实验法和测试法等针对整体系统的各个模块实际的作业能耗数据进行采集，并拟合成有关函数进行建模。ABEYWICKAMA 等7 通过使用实验法对无人机各种状态下电池使用情况进行研究，得到一个完整的无人机能耗模型，但该方法只针对单款无人机在单种电池使用情况下进行研究，缺乏对无人机系统的原理性分析。PASETIA 等8 通过使用数据收集、数据预处理和回归法提出了一种基于任务的无人机能耗预测模型，然而该方法缺乏对无人机能耗规律的研究。林晋立等9 通过测试法搭建测试平台构建了针对多旋翼农用无人机功率能耗计算的理论模型，不过该方法并未通过实际飞行测试，只使用试验架进行固定测试。ABUK 等10 通过黑盒模型中经验测量法得出每个子系统能耗对整体能耗的影响，但该研究缺少对电机这个消耗最大的子系统进行进一步原理性分析。TAUB11 通过测试法使用不同种类锂电池进行风洞研究以评估电池放电行为，得到一个准确的续航估计值，通过研究电池在无人机飞行过程的能耗消耗情况对农用无人机作业能耗的研究具有一定的借鉴意义。黑盒建模研究虽然可以更加准确得到无人机的模型，但只是针对被测无人机进行建模，且需要大量重复的试验，存在一定局限性。白盒建模主要通过研究整体性系统的各个模块(包含电机、螺旋桨、电池、电调等)或者飞行任务下的原理推导进行建模。DOLING 等12 通过整体建模方法推导得出多旋翼无人机在悬停时的能耗，主要重点是将消耗的功率与无人机重量联系起来，没有 分 析 在 飞 行、起 飞 或 着 陆 期 间 的 能 耗。ACHTELIK 等13 通过研究微型飞行器上 4 个以上螺旋桨和电机的影响，针对几种类型的多旋翼进行建模，以比较它们的动力学、效率和冗余，然而该方法只针对螺旋桨和电机进行建模分析，缺乏对整个动力系统进行建模和分析。SHI 等14 通过研究螺旋桨、电机、电调、电池这 4 个动力系统的主要部件，得到适合多种机型性能综合评价方法，不过该方法仅针对无人机进行静态模型建模，没有对有关动态模型建模的进一步分析。BEZZO 等15 研究飞行任务 3 个阶段的能耗特点，然而该研究最后只专注于匀速段路径，忽略了路径的加速部分和减速部分。白盒建模研究相较于黑盒建模减少了比较多的重复性试验，从原理性分析可以更好地了解农用无人机任务飞行的能耗变化特点，且通过该方法建立的模型可以更好的规划无人机任务以降低能耗。国内外学者已从不同的角度对无人机作业能耗建模进行研究，提供了较高的参考价值。对于目前针对农用无人机飞行任务下不同飞行参数下的作业能耗缺乏有效评估的问题，本文在前人研究的基础上，通过白盒建模方法针对农用无人机动力系统各个能耗部件进行建模，并结合农用无人机任务中的飞行过程得到作业能耗模型，通过建立一个可靠且完整的农用无人机作业能耗模型，来评估飞行任务下的作业能耗。同时上述国内外研究所使用的无人机大多数轴距和尺寸较小，比较适用于航拍、巡检等简单任务，没有针对农用无人机的任务特点进行研究。因此，本研究针对农用无人机飞行任务中的速度、航程和载荷这 3 个动态参数设计试验，并进行试验验证，以验证模型的有效性。1白盒理论模型构建理论模型主要是由电池输入功率和螺旋桨输出功率的总效率模型以及克服重力所做的功、加速减速段所做的功和克服空气阻力所做的功的做功模型组成，其中总效率模型表示电池输入功率到螺旋桨输出功率的转化关系。如图 1 所示，首先根据农用无人机所使用的动力系统的螺旋桨、电机、电调和电池这 4 个组件的原理进行白盒建模16，得到总效率模型，然后根据所得到的无人机总效率模型结合无人机飞行过程的动态飞行参数，计算出无人机匀速直线飞行所需的能量，包括保持无人机高度所需能88农业机械学报2 0 2 3 年量与克服空气阻力所需能量的总和，最终得到农用无人机的作业能耗模型。图 1总效率模型示意图Fig 1Schematic of total efficiency model当前作业能耗模型的输入参数为动力系统参数和飞行参数。其中动力系统参数是来自所使用无人机供应商提供的参数，飞行参数是来自飞行任务时所设定的参数，阻力参数中无人机受空气阻力影响的有效面积