عند شراء طائرات بدون طيار زراعية، كيف يجب أن أقوم بتقييم اختلافات استهلاك الطاقة عبر أوضاع الطيران المختلفة؟

عندما نختبر نماذجنا الأولية الأحدث من SkyRover في شيان، نرى مدى سرعة استنزاف الحمولة الثقيلة للبطاريات مقاومة الهواء، أو ‘السحب’ ¹. حمولة ثقيلة ² اختيار مواصفات طيران خاطئة يمكن أن يدمر كفاءة يوم عملك.

لتقييم استهلاك الطاقة، قارن مواصفات الشركة المصنعة لقوة السحب أثناء التحويم مقابل قوة السحب أثناء الإبحار، مستهدفًا نسبة أقل من 1.5:1. أعط الأولوية للنماذج التي توفر ميزات تخطيط المسار المستقل، حيث تقلل هذه الأوضاع عادةً من استهلاك الطاقة بنسبة 30-50% مقارنة بالتحويم اليدوي، مما يطيل وقت التشغيل بشكل كبير لكل شحنة.

دعنا نلقي نظرة على الأوضاع المحددة التي تؤثر على قرار الشراء الخاص بك.

كيف يختلف استهلاك الطاقة عندما أتحول بين التحويم الثابت والإبحار بسرعة ثابتة؟

يراقب فريق الهندسة لدينا باستمرار بيانات خرج المحرك أثناء الاختبارات الثابتة. التحويم يحارب الجاذبية مباشرة، وهو ما يفاجئ المشترين الجدد غالبًا عندما يرون انخفاض البطارية.

يستهلك التحويم طاقة أكثر بنسبة 30-50% من الإبحار بسرعة ثابتة لأن المحركات يجب أن تولد أقصى قوة دفع عمودية لمقاومة الجاذبية دون رفع هوائي. يسمح الإبحار للطائرة بدون طيار بالاستفادة من الزخم الأمامي وإمالة الدوار، مما يقلل بشكل كبير من التيار الكهربائي المطلوب للحفاظ على الارتفاع والاستقرار.

عندما نحلل سجلات الطيران من ميادين اختبار المصنع لدينا، فإن البيانات تحكي قصة واضحة. الحفاظ على طائرة بدون طيار في مكان واحد هو الإجراء الأكثر تكلفة الذي يمكنك اتخاذه من حيث الطاقة. هذا يفاجئ العديد من عملائنا. غالبًا ما يفترضون أن التحرك بسرعة يستهلك المزيد من الطاقة. في الواقع، البقاء ثابتًا هو عمل شاق لطائرة متعددة الدوارات.

فيزياء محاربة الجاذبية

عندما تحوم طائرة بدون طيار، يجب أن تدفع المراوح الهواء إلى الأسفل مباشرة. يجب أن تدعم 100% من وزن الطائرة بدون طيار باستخدام قوة المحرك الخام. لا يوجد مساعدة من الرياح أو الحركة الأمامية. تعمل المحركات بسرعة دوران عالية (دورة في الدقيقة) باستمرار. هذا يخلق طلبًا هائلاً على البطارية.

على النقيض من ذلك، عندما يدخل الطائرة بدون طيار في وضع التحليق، فإنه يميل إلى الأمام. يتدفق الهواء فوق الجسم والمراوح بشكل مختلف. هذا يخلق كمية صغيرة من الرفع الهوائي. الرفع الديناميكي الهوائي ³ إنه مشابه لكيفية انزلاق الطائر. لا تضطر المحركات إلى العمل بجد للحفاظ على الطائرة بدون طيار في الهواء. غالبًا ما نرى انخفاضًا كبيرًا في سحب التيار في اللحظة التي تبدأ فيها الطائرة بدون طيار في التحرك للأمام بوتيرة ثابتة.

لماذا هذا مهم لمحفظتك

إذا كنت تخطط لاستخدام الطائرة بدون طيار الخاصة بك للرش الموضعي، فهذا أمر بالغ الأهمية. يتضمن الرش الموضعي الكثير من التحليق. تتوقف فوق عشب، ترش، وتنتقل. هذا النمط من الطيران سيستنزف بطاريتك بشكل أسرع بكثير من الرش الشامل. عند شراء طائرة بدون طيار، يجب عليك النظر إلى مواصفات "وقت التحليق" بشكل منفصل عن "وقت الطيران الأقصى". غالبًا ما يسرد المصنعون الحد الأقصى للوقت بناءً على ظروف التحليق المثلى.

إذا كانت مزرعتك تتطلب منك فحص المحاصيل عن طريق التحليق فوق نباتات معينة، فأنت بحاجة إلى بطارية أكبر. إذا كنت تحتاج فقط إلى رسم خريطة لحقل كبير، يمكنك الاكتفاء بإعداد طاقة أصغر. ننصح دائمًا عملائنا بالتحقق من سحب الكيلوواط (kW) لكلا الوضعين.

مقارنة سحب الطاقة

يوضح الجدول أدناه البيانات النموذجية التي نراها في الطائرات الزراعية متوسطة الحجم. لاحظ الفرق الحاد في الطاقة المطلوبة للتحليق مقابل التحليق.

يمكنك أن ترى أن التحليق يتطلب تقريبًا نصف طاقة التحويم. هذا هو السبب في أن مهام التخطيط تغطي مساحة أكبر بكثير من مهام الفحص. عند تقييم طائرة بدون طيار، اطلب من البائع هذه الأرقام المحددة. لا تقبل بتقدير عام "20 دقيقة". اسألهم: "كم دقيقة في وضع التحويم الثابت؟"

هل أوفر المزيد من الطاقة باستخدام تخطيط الطيران المستقل مقارنة بالتحكم اليدوي للطيار؟

نقوم ببرمجة وحدات التحكم في الطيران لدينا لتنعيم كل منعطف لأننا نعلم أن الطيران اليدوي المتقطع يهدر الطاقة. لا يمكن للطيار البشري ببساطة مطابقة كفاءة خوارزمياتنا.

يوفر التخطيط التلقائي للرحلات الجوية طاقة أكبر بكثير من التحكم اليدوي من خلال الحفاظ على سرعات ثابتة وتحسين المنعطفات. تلغي الخوارزميات تعديلات دواسة الوقود المتقطعة والحركات المتكررة الشائعة في الطيران اليدوي، مما يؤدي إلى انخفاض بنسبة 15-25٪ في إجمالي استهلاك البطارية لنفس منطقة التغطية.

لقد رأيت العديد من الطيارين المهرة يشغلون طائرات SkyRover الخاصة بنا. حتى أفضل الطيارين لا يمكنهم التغلب على الكمبيوتر. عندما يطير الإنسان، يقوم باستمرار بضبط العصي. يسرعون، ويبطئون، ويفرطون في التصحيح. في كل مرة تسرع فيها، تسحب المحركات دفعة من التيار. تتراكم هذه الدفعات الصغيرة بسرعة خلال رحلة مدتها 20 دقيقة.

تكلفة التصحيح البشري

فكر في قيادة السيارة. إذا كنت تضغط باستمرار على دواسة الوقود ثم تضغط على الفرامل، فإنك تهدر الوقود. الطيران اليدوي للطائرات بدون طيار هو نفسه. قد يتجاوز الطيار صفًا من الذرة ويحتاج إلى العودة. أو قد يطير بسرعة كبيرة ويحتاج إلى الفرملة بقوة للانعطاف.

تستخدم خطط الطيران التلقائي "منحنيات سلسة"." خطط الطيران التلقائي ⁴ لا تتوقف الطائرة بدون طيار في نهاية الصف. إنها تطير منحنى محسوبًا للانعطاف. هذا يحافظ على الزخم. الحفاظ على حركة الطائرة بدون طيار هو مفتاح كفاءة الطاقة. يحسب الكمبيوتر السرعة المثالية للطيران دون إهدار الطاقة يحسب الكمبيوتر السرعة المثالية ⁵ على التسارع غير الضروري.

الدقة مقابل الطاقة

في مختبر تطوير البرمجيات الخاص بنا، نركز على تخطيط المسار. نستخدم خوارزميات لحساب أقصر طريق. يعتمد الطيار البشري على عينيه. قد يتداخلون الصفوف كثيرًا، ويرشون نفس المنطقة مرتين. هذا يهدر البطارية والحمولة الكيميائية.

يستخدم النظام المستقل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للطيران بخطوط دقيقة. يضمن أن الطائرة بدون طيار تغطي المنطقة مرة واحدة فقط. تترجم هذه الكفاءة مباشرة إلى توفير البطارية. قد تنتهي من حقل مساحته 10 هكتارات مع ترك 20% من البطارية باستخدام الوضع التلقائي. إذا كنت قد طرت نفس الحقل يدويًا، فقد تنفد طاقتك قبل الانتهاء.

مكاسب الكفاءة في سيناريوهات واقعية

لقد جمعنا بيانات من عملائنا في الولايات المتحدة وأوروبا. النتائج تفضل الأتمتة باستمرار.

عند التسوق لطائرة بدون طيار، انظر إلى البرامج. هل تسمح بتخطيط مهمة سهل؟ هل يمكنك تعيين "انعطافات مائلة" في الإعدادات؟ هذه الميزات البرمجية مهمة بنفس أهمية حجم البطارية. ستطير طائرة بدون طيار ذكية دائمًا لفترة أطول من طائرة بدون طيار غبية، حتى لو كان لديهما نفس الأجهزة.

كيف يقارن معدل تفريغ البطارية عندما أطير بحمولة كاملة مقابل العودة فارغًا؟

خلال التجارب الميدانية في تشنغدو، نقيس انخفاض الجهد تحت أقصى حمل. يغير الخزان الممتلئ الفيزياء بالكامل، ويتطلب تيارًا أعلى بكثير من رحلة العودة الفارغة.

يؤدي الطيران بكامل الحمولة إلى زيادة معدل تفريغ البطارية بشكل كبير، وغالبًا ما يسحب تيارًا أعلى بنسبة 20-40٪ من الطيران الفارغ بسبب نسبة الدفع إلى الوزن الأعلى المطلوبة. مع انخفاض الحمولة أثناء الرش، ينخفض ​​الطلب على الطاقة خطيًا، مما يجعل مرحلة العودة إلى المنزل الجزء الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة في المهمة.

الوزن هو عدو وقت الطيران. هذه قاعدة أساسية للطيران. في الطائرات بدون طيار الزراعية، يتغير الوزن باستمرار. تقلع ثقيلًا بخزان سائل ممتلئ. تهبط خفيفًا بعد الرش. فهم هذه الدورة أمر حيوي لتقييم نظام طاقة الطائرة بدون طيار.

مشكلة انخفاض الجهد

عندما نصمم لوحات توزيع الطاقة الخاصة بنا، يجب علينا حساب "انخفاض الجهد". عندما تكون الطائرة بدون طيار ثقيلة، تحتاج المحركات إلى عزم دوران أكبر. للحصول على عزم الدوران، تسحب المزيد من الأمبيرات (التيار). عندما تسحب أمبيرات عالية من البطارية، ينخفض ​​الجهد مؤقتًا. ينخفض ​​الجهد مؤقتًا ⁶

إذا اشتريت بطارية رخيصة أو طائرة بدون طيار ذات إدارة طاقة ضعيفة، يمكن أن يكون هذا الانخفاض خطيرًا. قد تعتقد الطائرة بدون طيار أن البطارية فارغة لمجرد أن الجهد انخفض تحت الحمل. غالبًا ما نرى هذا مع الطائرات بدون طيار العامة. يقلع الطيار بخزان ممتلئ، وبعد دقيقتين، يصدر إنذار البطارية المنخفضة. البطارية ليست فارغة، لكنها لا تستطيع تحمل الحمل.

إدارة رحلة العودة

الرحلة إلى المنزل سهلة. الخزان فارغ. الطائرة بدون طيار خفيفة. بالكاد تعمل المحركات. ومع ذلك، يجب عليك تخطيط مهمتك بناءً على ثقيل جزء من الرحلة. لا يمكنك تخطيط مهمة بافتراض متوسط ​​سحب الطاقة. يجب عليك افتراض أقصى سحب للطاقة للنصف الأول من الرحلة.

نخبر شركاء المشتريات لدينا بالنظر إلى كفاءة "الوزن الأقصى للإقلاع" (MTOW). الوزن الأقصى للإقلاع ⁷ تعرض العديد من أوراق المواصفات وقت التحويم فقط بدون حمولة. هذا الرقم عديم الفائدة للزراعة. تحتاج إلى معرفة وقت الطيران عند MTOW.

تأثير الحمولة على التفريغ

إليك كيفية تفصيل الأرقام في عملية نموذجية. قسنا هذا باستخدام طائرة بدون طيار بحمولة 20 لترًا.

لاحظ الفرق الهائل بين الإقلاع والعودة. يسحب الإقلاع ما يقرب من ضعف تيار رحلة العودة. عند تقييم طائرة بدون طيار، تحقق مما إذا كان نظام تبريد البطارية كافياً. معدلات التفريغ العالية تولد الحرارة. إذا ارتفعت درجة حرارة البطارية بشكل كبير أثناء المرحلة "الثقيلة"، فسوف تتدهور بشكل أسرع. تريد طائرة بدون طيار يمكنها التعامل مع مرحلة الضغط العالي الأولية دون ارتفاع درجة حرارتها.

هل الطيران بأقصى سرعة للتغطية السريعة يستنزف بطاريتي بشكل أسرع بكثير من الإبحار المعتدل؟

عندما نصدر طائرات بدون طيار إلى المزارع الأمريكية الكبيرة، يطلب العملاء غالباً رموز فتح السرعة. نحذرهم من أن دفع المحركات إلى الحد الأقصى يدمر معدلات الكفاءة.

يؤدي الطيران بأقصى سرعة إلى استنزاف البطاريات بشكل أسرع بشكل غير متناسب بسبب الزيادة غير الخطية في السحب الهوائي. بينما يبدو تغطية الأرض بسرعة فعالة، فإن الطاقة الأسية المطلوبة للتغلب على مقاومة الهواء عند السرعات القصوى تقلل بشكل كبير من وقت الطيران الإجمالي مقارنة بالطيران بسرعة متوسطة ومثلى.

هناك أسطورة شائعة مفادها أن الطيران بشكل أسرع ينجز المهمة في وقت أقرب ويوفر البطارية. هذا غير صحيح. الديناميكا الهوائية لا تعمل في خط مستقيم. إذا ضاعفت سرعتك، فإنك لا تضاعف القوة المطلوبة فقط. قد تقوم بتثليثها أو تربيعها. هذا بسبب مقاومة الهواء، أو "السحب"."

عقوبة السحب

عند السرعات المنخفضة، يكون السحب ضئيلاً. مع زيادة السرعة، يدفع الهواء للخلف بقوة أكبر. يتعين على الطائرة بدون طيار أن تميل بزاوية حادة لمكافحة مقاومة الرياح هذه. تقلل هذه الزاوية الحادة من الرفع العمودي من المراوح. يقلل الرفع العمودي ⁸ لذلك، يتعين على المحركات الدوران بشكل أسرع لمجرد منع الطائرة بدون طيار من السقوط.

هذا يخلق "عقوبة مزدوجة". تعمل المحركات بجد للدفع للأمام و تعمل بجد للبقاء في الأعلى. نسمي هذا تأثير "السحب الطفيلي". في اختبارات الطيران لدينا، نحدد "سرعة الطيران المثلى". هذه هي النقطة المثالية. عادة ما تكون حوالي 60٪ إلى 70٪ من السرعة القصوى للطائرة بدون طيار.

الحرارة والمقاومة الداخلية

الطيران بأقصى سرعة يضر أيضاً بأجهزتك. يستمر الطيران عالي السرعة في الحفاظ على سحب التيار عند ذروته. هذا يولد حرارة هائلة في المحركات، ووحدات التحكم الإلكترونية في السرعة (ESCs)، والبطاريات.

تزيد الحرارة من المقاومة الداخلية للبطارية. المقاومة الداخلية ⁹ الحرارة تزيد المقاومة الداخلية ¹⁰ هذا يجعل البطارية أقل كفاءة. لذا، أنت تحرق الطاقة لمجرد توليد حرارة مهدرة. ننصح عملائنا بتثبيت سرعات طيرانهم. تغطية 10 هكتارات بوتيرة معتدلة قد تستغرق دقيقتين إضافيتين، لكنك ستهبط ببطارية أبرد وقوة احتياطية أكبر.

لماذا السرعة المعتدلة تفوز

عند تقييم طائرة بدون طيار، لا تنبهر بالسرعات القصوى العالية. طائرة رش بدون طيار تحلق بسرعة 15 مترًا في الثانية من المحتمل أن ترش بشكل سيء وتستهلك الطاقة. ابحث عن طائرة بدون طيار محسّنة لسرعة عمل تتراوح بين 5 و 7 أمتار في الثانية. هذا هو المكان الذي تكمن فيه الكفاءة.

إذا كان المصنع يتباهى بالسرعات القصوى، اسألهم عن وقت الطيران بهذه السرعة. عادةً ما يكون قصيرًا جدًا. الكفاءة تأتي من التوازن، وليس السرعة الخام.

الخاتمة

يتطلب تقييم استهلاك الطاقة النظر إلى ما هو أبعد من تقديرات وقت الطيران البسيطة. يجب أن تأخذ في الاعتبار فيزياء التحويم مقابل الإبحار، وكفاءة البرامج المستقلة، وتأثير حمولات السوائل الثقيلة، وعقوبات الطيران عالي السرعة. من خلال التركيز على هذه الأوضاع المحددة والمطالبة ببيانات مفصلة من الموردين، يمكنك اختيار طائرة بدون طيار توفر كفاءة تشغيلية حقيقية لمزرعتك.

الحواشي

1. دليل ناسا يحدد قوى السحب الهوائية. ︎

2. غالبًا ما تناقش لوائح إدارة الطيران الفيدرالية حدود الوزن والحمولة لعمليات الطائرات بدون طيار التجارية. ︎

3. يشرح فيزياء الرفع المذكورة في سياق طيران الطائرات بدون طيار. ︎

4. بحث تقني حول تخطيط المسار الموفر للطاقة للطائرات بدون طيار متعددة المراوح. ︎

5. بحث IEEE حول خوارزميات تخطيط المسار الموفر للطاقة للطائرات بدون طيار. ︎

6. شرح تقني لانخفاض الجهد تحت أحمال التيار العالية. ︎

7. تعريفات وكالة سلامة الطيران الأوروبية لفئات وزن الطائرات بدون طيار ولوائحها. ︎

8. دليل إدارة الطيران الفيدرالية يشرح متجهات الدفع وتقليل الرفع في الطيران الأمامي. ︎

9. خلفية عامة حول كيفية تأثير المقاومة الداخلية على كفاءة البطارية والحرارة. ︎

10. نظرة عامة علمية على تأثير درجة الحرارة على معاوقة البطارية. ︎