电动无人机动力系统优化设计及航时评估

为提高电动无人机续航性能,针对动力系统进行了优化设计,并提出了相应的航时评估方法.首先采用涡流理论优化设计了小型螺旋桨,再通过实验测试优化选取了与螺旋桨高效率匹配的电动机.同时,考虑到锂离子电池放电倍率及电压降低对放电时间的影响,建立了恒功率条件下电池放电时间计算模型.最后,根据优化得到的动力系统和电池计算模型,推导出有弯度机翼的电动无人机航时公式.某电动飞翼布局无人机飞行试验结果显示,优化得到的动力系统具有较高的效率,测试得到的无人机续航时间与评估得到的理论值误差为12%,在允许误差范围内吻合较好.      

小型电动无人机动力系统设计和优化

小型电动无人机由于使用维护方便,可靠性高,噪声小,无污染等特点,具有较高的应用价值。然而电池的能量密度远低于燃油,动力系统在起飞重量中占较大比重,在初始设计中就需要准确估算动力系统重量和性能,以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺旋桨三个部分的数学描述,提出动力系统的性能估算和设计方法,以及优化准则。实验表明,方法具有一定精度,可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。     

小型巡飞弹电动推进系统设计及试验验证

为快速获得满足工程需要的小型巡飞弹电动推进系统,采用螺旋桨涡流理论和一阶电动机模型建立了电动推进系统效率计算模型。以巡飞弹巡航阶段电动推进系统效率最高为目标,将爬升阶段巡飞弹所需推力及对应的反扭矩作为约束对桨机参数进行了快速优化设计,得到了电动机与螺旋桨的设计指标。根据该设计指标开展了电动机测功试验,完成了电动机选型;利用Kriging代理模型对螺旋桨进行了详细优化设计,并计算了完整的气动参数。针对设计得到的巡飞弹电动推进系统开展了风洞吹风试验,结果显示螺旋桨理论计算与试验测试误差在85%以内,巡航阶段电动推进系统效率设计结果与测试结果误差在27%以内,表明所提出的电动推进系统设计方法合理有效,能够为此类巡飞弹设计提供一定程度理论指导。      

螺旋桨动力系统测试平台设计研究

电动旋翼无人机因其便捷简单的操纵性、出色的安全性和可靠性,近年来成为无人机市场的发展热点,但航时较短是目前的主要弱势之一,改善这一问题有两种有效途径:一种是研发高储能的电池,但受制于技术的成熟度,现阶段该方法并不现实;另一种是提高无人机动力系统的效率。为此搭建了螺旋桨动力系统测试试验台,明确了测试方案和技术指标,然后对各采集单元进行了详细的工程方案设计,基于Lab VEWI编写了试验台的多通道数据采集软件。试验台测试的结果与计算数据趋势吻合较好,数据偏差在10%以内,证明了计算方法的有效性,同时印证了试验台可以为动力系统研究提供可靠支持。     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

电动无人机动力系统建模与实验

基于叶素修正理论和三维机翼气动系数计算公式,提出了一种分析双叶定距螺旋桨的新方法.并根据外转子无刷电动机工作原理及其特性,建立起电动无人机动力系统性能特性计算的数学模型.使用该模型分析了17组不同螺旋桨和电动机的零空速实验数据,结果表明:该模型原理正确,精度较高,且具有良好的工程操作性,能够有效提高电动无人机动力参数设计的可信度和精度.      

电动直升机概念设计与分析

根据当前电池与电动机特性分别建立适合电动直升机的能源与动力系统数学模型,提出满足电动直升机的3种能源方案,构建出一套适合电动直升机概念设计的总体参数选择与优化方法,并结合任务剖面需求对采用3种能源方案的电动直升机展开总体参数的选择与敏感性分析。受当前电池技术水平发展,电动直升机的久航性能与燃油动力直升机相比有较大差距。通过参数敏感性分析方法得出,电动直升机具有与燃油直升机不同的设计特征,电动直升机应结合动力及能源系统特征进行针对性设计。     

电动无人机动力系统测试装置设计研究

针对电动无人机使用过程中性能下降及故障等问题,设计了一款应用于无人机动力系统故障检测的测试装置,采用杠杆结构作为升力测试机构,以降低地面效应的影响;转速测试部件采用可调机构,以适应不同的被测对象;对设备台架等关键部件结构进行了分析及优化。仿真试验结果表明,该装置运行平稳,与手工方法相比升力测试最大误差为0.1N,测试精度满足测试需求。最后,以桨叶故障为例,对无人机动力系统进行了故障测试,结合软件系统分析,该测试装置具有良好的测试性,可应用于无人机动力系统故障部件的检测。     

考虑重心位置不确定性的无尾无人机优化设计

飞机的飞行性能与重心(CG)位置密切相关,尤其是后掠式无尾飞机的重心位置对其飞行性能影响更甚,如果重心位置发生变化,升力分布随之改变,进而影响飞机航时。针对这个问题,从气动布局和设计方法两方面,设计了一种航时对重心位置不敏感的无尾无人机(UAV)。气动布局上,提出了利用螺旋桨动力配平纵向力矩的鸥翼(GW)布局,以减小重心位置变化对升阻特性的影响;设计方法上,采用稳健性优化设计(RDO)理论,分析重心位置不确定时的航时低敏感度问题。以一架小型电动无人机为研究对象,建立了无尾无人机稳健性优化设计环境,包括总体设计、代理模型构造以及稳健性优化。分析结果表明:利用螺旋桨动力配平的鸥翼布局使重心可用范围增加了5%;静安定裕度在5%~15%变化时,该布局可以有效提高航时稳健性。采用稳健性优化得到的无人机几何参数,大幅度降低了重心位置对航时的影响,显著提升了满足约束的概率。     

微小型电动垂直起降无人机总体设计方法及特殊参数影响

针对微小型电动垂直起降无人机(VTOL mEUAV),分析其设计难点,通过理论分析提出了一种基于特殊参数的总体设计方法,并基于算例进行了特殊参数的计算和影响分析。从翼载荷的选择、起飞总重迭代估计、无人机的平衡与操纵分析和飞翼布局设计方面详细阐述总体设计方法的过程,并针对特殊设计的一套动力系统X型飞翼尾坐式垂直起降无人机,进行功重比、动力系统工作点特性匹配及动力系统安装角等特殊参数的选择和影响分析,最终基于设计结果进行原理样机制作与飞行试验,证明了设计方法的有效性。研究结果表明,不同设计目标会引起翼载荷的选择和功重比的变化,螺旋桨与电机的匹配特性极大地影响动力系统效率与能源选择,合理选择动力系统的安装角与偏转方向可在基本不影响整体性能的情况下有效地改善操纵特性。     

Prediction of electric-powered fixed-wing UAV endurance

To overcome the problems encountered in predicting the endurance of electricpowered fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs),which were stemmed from the dynamic changes in electric power system efficiency and battery discharge characteristics under different operating conditions,the required battery power model and battery discharge model were studied.The required battery power model was determined using an approximate model of electric power system efficiency based on wind tunnel testing and the self-adaptive penalty function.Furthermore,current correction and ambient temperature correction terms were proposed for the trained Kriging model representing the discharge characteristics under standard operation,and then the discharged capacity-terminal voltage model was established.Through numerical integration of this model with the required battery power model,the electric-powered fixed-wing UAV endurance prediction model was obtained.Laboratory tests indicated that the proposed endurance model could precisely calculate the battery discharge time and accurately describe the battery discharge process.The similarity of the theoretical and flight test results reflected the accuracy of the proposed endurance model as well as the importance of considering dynamic changes in power system efficiency in endurance calculations.The proposed endurance model meeting precision requirements can be used in practical engineering applications.     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。     

微型飞行器航时优化

 针对微型飞行器(MAV)低雷诺数条件下续航时间不足的问题,推导了适用于电动推进飞行器的航时计算公式,并提出为实现航时优化的动力系统规划方法。通过初步实验,验证了航时优化理论的正确性,通过规划延长了航时。     

Battery package design optimization for small electric aircraft

The increasing gross weight of electric Unmanned Aerial Vehicle (UAV) poses a challenge in practical applications. The range and endurance of the electric UAV are limited by the fixed mass of the battery package. In this work, a design optimization method for the battery package topology of small electric UAV is proposed to enhance the performance. To improve the accuracy of the method, the dynamic battery model and simplified electric component models are presented. These models are utilized by the trajectory optimization method, which takes the dynamic characteristic into consideration to calculate the aircraft performance. The direct optimal control method is used for solving the trajectory optimization problem, and this method is tested on a small blended-wing-body electric aircraft. The test result shows that the range and energy-consumption are mainly influenced by the parallel topology of the battery package, while the flight time in climb phase is more sensitive to the series topology. It is deduced that the range- and energy-optimal design points can be considered concurrently in design optimization. The work proves the feasibility of integrating the trajectory optimization and battery package design.     

电机-变距螺旋桨动力系统功率优化控制

电动螺旋桨无人机应用越来越普及,但普遍续航时间较短,提高电动力系统效率、降低功率消耗是提高航时的主要措施。电机-变距螺旋桨动力系统（以下简称变距电动力系统）可同时改变转速、桨距两个量,存在桨距和转速的最佳组合,使系统功率最小。相比电机-定距螺旋桨动力系统,其在耗能方面具有特殊优势,但如何达到最小功率点,目前研究较少。针对上述问题,为提高计算效率,便于控制研究工作的开展,首先基于改进天牛须算法的BP神经网络训练得到变距电动力系统的神经网络代理模型。接着提出了一种变距电动力系统功率优化控制策略：在一定入流速度、拉力需求下,基于自适应扩展卡尔曼滤波-牛顿法实时优化桨距,并在一定桨距下利用模糊PID控制系统转速以达目标拉力,实现目标拉力需求下的最小功率控制。仿真验证结果表明,提出的功率优化控制策略鲁棒性更强、优化速度更快、收敛效果更好。     

自动变桨距螺旋桨电推进系统能效优化方法

为了提升自动变桨距螺旋桨电推进系统的整体效率,引入最优功率控制规律：自动变桨距螺旋桨电推进系统可根据飞行工况和推力需求,同时调节桨距角和螺旋桨转速两个变量,最终获得一组桨距角和螺旋桨转速的组合,使得推进系统在满足推力需求的情况下实现最小的功率消耗,最终达成飞行任务剖面内最小能耗控制的目标。为了验证方法的有效性,针对同一电推进系统,分别采用最优功率控制规律和恒速控制规律完成相同的飞行任务剖面,获得了两种控制规律下的螺旋桨推进效率、电动机效率、电推进系统总效率和电推进系统能耗数据。结果证明：相较于恒速控制规律,最优功率控制规律能够有效的提升电推进系统效率并降低能耗,完成相同飞行任务剖面的能耗降低6.3%左右。     

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。     

Comprehensive sizing and optimization method for series-hybrid unmanned convertiplane

This paper presents a novel sizing and optimization approach for the emerging series-hybrid unmanned convertiplane, which can be used to translate the top-level design requirements into the design parameters corresponding to the optimal power supply strategy and minimum total takeoff weight. The method comprehensively considers the design constraints in the rotor, fixed-wing, and transition modes, and pays special attention to the characteristic response of Series Hybrid Electric System (S-HES) in complex application scenarios, especially the coupling of battery power, energy, and state-of-charge under high-power discharge conditions, the variation of fuel economy, and the adjustment of power supply strategy. With proposed method, it’s possible to rapidly explore the design space in the initial design stage and find out the optimal design results with high confidence. A case study was proposed to verify the approach. The results reveal the particularity of convertiplane in terms of power requirements, and prove the necessity to consider detailed S-HES characteristic responses during parameter determination. The optimal design parameters were obtained through the hybrid control parameter optimization, which verified the effectiveness of proposed method. Possible errors and corresponding correction methods were also presented.