Bei der Anschaffung von Agrardrohnen, wie bewerte ich Unterschiede im Energieverbrauch zwischen verschiedenen Flugmodi?

Wenn wir unsere neuesten SkyRover-Prototypen in Xi'an testen, sehen wir, wie schnell eine schwere Nutzlast die Batterien entleert Luftwiderstand oder ‘Drag’ ¹. schwere Nutzlast ² Die Wahl der falschen Flugeigenschaften kann die Effizienz Ihres Arbeitstages ruinieren.

Um den Energieverbrauch zu bewerten, vergleichen Sie die Herstellerangaben für den Stromverbrauch im Schwebeflug und im Reiseflug und streben Sie ein Verhältnis von unter 1,5:1 an. Bevorzugen Sie Modelle, die autonome Wegpunktplanungsfunktionen bieten, da diese Modi im Vergleich zum manuellen Schwebeflug typischerweise den Energieverbrauch um 30-50% reduzieren und somit die Betriebszeit pro Ladung erheblich verlängern.

Betrachten wir die spezifischen Modi, die Ihre Kaufentscheidung beeinflussen.

Wie unterscheidet sich der Energieverbrauch, wenn ich zwischen statischem Schweben und konstantem Reiseflug wechsle?

Unser Ingenieurteam überwacht während statischer Tests ständig die Motorausgangsdaten. Der Schwebeflug kämpft direkt gegen die Schwerkraft, was neue Käufer oft überrascht, wenn sie sehen, wie der Akku leer wird.

Der Schwebeflug verbraucht 30-50% mehr Energie als der konstante Reiseflug, da die Motoren maximalen vertikalen Schub erzeugen müssen, um der Schwerkraft ohne aerodynamischen Auftrieb entgegenzuwirken. Der Reiseflug ermöglicht es der Drohne, den Vorwärtsimpuls und die Rotorneigung zu nutzen, wodurch der elektrische Strom, der zur Aufrechterhaltung von Höhe und Stabilität erforderlich ist, erheblich reduziert wird.

Wenn wir die Flugprotokolle von unseren Werksgeländen analysieren, erzählt die Datenlage eine klare Geschichte. Eine Drohne an einem Ort zu halten, ist die teuerste Aktion, die Sie in Bezug auf den Stromverbrauch unternehmen können. Das überrascht viele unserer Kunden. Sie gehen oft davon aus, dass schnelles Bewegen mehr Energie verbraucht. In Wirklichkeit ist das Stillstehen harte Arbeit für ein Multirotorflugzeug.

Die Physik des Kampfes gegen die Schwerkraft

Wenn eine Drohne schwebt, müssen die Propeller Luft direkt nach unten drücken. Sie müssen 100% des Gewichts der Drohne mit reiner Motorleistung tragen. Es gibt keine Hilfe vom Wind oder der Vorwärtsbewegung. Die Motoren laufen ständig mit hoher Drehzahl (Umdrehungen pro Minute). Dies führt zu einer enormen Belastung des Akkus.

Im Gegensatz dazu neigt die Drohne im Reisemodus nach vorne. Die Luft strömt anders über den Körper und die Propeller. Dies erzeugt eine geringe aerodynamische Auftriebskraft. aerodynamische Auftriebskraft ³ Es ist ähnlich wie bei einem gleitenden Vogel. Die Motoren müssen nicht so hart arbeiten, um die Drohne in der Luft zu halten. Wir sehen oft, dass der Stromverbrauch in dem Moment, in dem die Drohne mit gleichmäßigem Tempo vorwärts zu fliegen beginnt, deutlich sinkt.

Warum das für Ihren Geldbeutel wichtig ist

Wenn Sie Ihre Drohne für die Punktbesprühung verwenden möchten, ist dies entscheidend. Punktbesprühung beinhaltet viel Schweben. Sie halten über einer Unkrautpflanze an, sprühen und fahren weiter. Diese Flugweise wird Ihren Akku viel schneller entleeren als die Flächenbesprühung. Wenn Sie eine Drohne kaufen, müssen Sie die Angabe "Schwebezeit" separat von der "maximalen Flugzeit" betrachten. Hersteller geben oft die maximale Zeit basierend auf optimalen Reisemodusbedingungen an.

Wenn Ihr Hof erfordert, dass Sie Pflanzen durch Schweben über bestimmten Pflanzen inspizieren, benötigen Sie einen größeren Akku. Wenn Sie nur ein großes Feld kartieren müssen, können Sie mit einer kleineren Stromversorgung auskommen. Wir raten unseren Kunden immer, den Stromverbrauch in Kilowatt (kW) für beide Modi zu überprüfen.

Vergleich des Stromverbrauchs

Die folgende Tabelle zeigt typische Daten, die wir bei mittelgroßen Agrardrohnen sehen. Beachten Sie den deutlichen Unterschied im Stromverbrauch für Schweben im Vergleich zum Reisen.

Sie sehen, dass das Schweben fast doppelt so viel Leistung benötigt wie das Fliegen. Deshalb decken Kartierungsmissionen so viel mehr Fläche ab als Inspektionsmissionen. Wenn Sie eine Drohne bewerten, bitten Sie den Verkäufer um diese spezifischen Zahlen. Geben Sie sich nicht mit einer allgemeinen Schätzung von "20 Minuten" zufrieden. Fragen Sie ihn: "Wie viele Minuten im Toten Schweben?"

Spare ich mehr Energie, wenn ich die autonome Flugplanung nutze, im Vergleich zur manuellen Pilotensteuerung?

Wir programmieren unsere Flugsteuerungen so, dass sie jede Kurve glätten, da wir wissen, dass unberechenbares manuelles Fliegen Strom verschwendet. Ein menschlicher Pilot kann die Effizienz unserer Algorithmen einfach nicht erreichen.

Autonome Flugplanung spart erheblich mehr Energie als manuelle Steuerung, indem sie konstante Geschwindigkeiten beibehält und Kurven optimiert. Algorithmen eliminieren die unberechenbaren Gashebelanpassungen und redundanten Bewegungen, die beim manuellen Fliegen üblich sind, was zu einer Reduzierung des Gesamtbatterieverbrauchs um 15–25 % für die gleiche Abdeckung führt.

Ich habe viele erfahrene Piloten unsere SkyRover-Drohnen bedienen sehen. Selbst die besten Piloten können einen Computer nicht schlagen. Wenn ein Mensch fliegt, passt er ständig die Steuerknüppel an. Er beschleunigt, verlangsamt und überkorrigiert. Jedes Mal, wenn Sie beschleunigen, ziehen die Motoren einen Stromspitzenwert. Diese kleinen Spitzen summieren sich schnell über einen 20-minütigen Flug.

Die Kosten menschlicher Korrekturen

Denken Sie an das Autofahren. Wenn Sie ständig auf das Gas treten und dann bremsen, verschwenden Sie Kraftstoff. Manuelles Drohnenfliegen ist dasselbe. Ein Pilot überfährt möglicherweise eine Maisreihe und muss zurückfliegen. Oder er fliegt zu schnell und muss stark bremsen, um abzubiegen.

Autonome Flugpläne verwenden "sanfte Kurven"." autonome Flugpläne ⁴ Die Drohne stoppt nicht am Ende einer Reihe. Sie fliegt eine berechnete Kurve, um sich zu drehen. Dies erhält die Trägheit. Die Drohne in Bewegung zu halten, ist der Schlüssel zur Energieeffizienz. Der Computer berechnet die perfekte Geschwindigkeit, um zu fliegen, ohne Strom zu verschwenden. Computer berechnet die perfekte Geschwindigkeit ⁵ bei unnötiger Beschleunigung.

Präzision vs. Leistung

In unserem Softwareentwicklungs-Labor konzentrieren wir uns auf die Routenplanung. Wir verwenden Algorithmen, um die kürzeste Route zu berechnen. Ein menschlicher Pilot verlässt sich auf seine Augen. Er überlappt möglicherweise Zeilen zu stark und versprüht denselben Bereich zweimal. Dies verschwendet Batterie und chemische Nutzlast.

Ein autonomes System verwendet GPS, um exakte Linien zu fliegen. Es stellt sicher, dass die Drohne das Gebiet nur einmal abdeckt. Diese Effizienz führt direkt zu Batterieeinsparungen. Sie könnten ein 10 Hektar großes Feld mit 20% Batterie im Automatikmodus beenden. Wenn Sie dasselbe Feld manuell geflogen hätten, könnten Ihnen vor dem Ende die Energie ausgehen.

Effizienzsteigerungen in realen Szenarien

Wir haben Daten von unseren Kunden in den USA und Europa zusammengestellt. Die Ergebnisse sprechen durchweg für die Automatisierung.

Wenn Sie eine Drohne kaufen, achten Sie auf die Software. Ermöglicht sie eine einfache Missionsplanung? Können Sie in den Einstellungen "gekurvte Kurven" einstellen? Diese Softwarefunktionen sind genauso wichtig wie die Akkugröße. Eine intelligente Drohne fliegt immer länger als eine dumme Drohne, auch wenn sie die gleiche Hardware haben.

Wie verhält sich die Entladungsrate des Akkus, wenn ich voll beladen fliege im Vergleich zur Rückkehr mit leerer Ladung?

Bei Feldversuchen in Chengdu messen wir den Spannungsabfall unter maximaler Last. Ein voller Tank verändert die Physik vollständig und erfordert einen viel höheren Strom als ein leerer Rückflug.

Das Fliegen mit voller Beladung erhöht die Entladungsrate des Akkus drastisch, wobei aufgrund des erforderlichen höheren Schub-Gewichts-Verhältnisses oft 20-40% mehr Strom gezogen wird als beim Fliegen ohne Last. Da die Nutzlast während des Sprühens abnimmt, sinkt der Energiebedarf linear, was den Rückflug zum energieeffizientesten Teil der Mission macht.

Gewicht ist der Feind der Flugzeit. Dies ist eine grundlegende Regel der Luftfahrt. Bei Agrardrohnen ändert sich das Gewicht ständig. Sie starten schwer mit einem vollen Flüssigkeitstank. Sie landen leicht nach dem Sprühen. Das Verständnis dieses Zyklus ist entscheidend für die Bewertung des Stromversorgungssystems der Drohne.

Das Problem des Spannungsabfalls

Wenn wir unsere Stromverteilungsplatinen entwickeln, müssen wir den "Spannungsabfall" berücksichtigen. Wenn eine Drohne schwer ist, benötigen die Motoren mehr Drehmoment. Um Drehmoment zu erhalten, ziehen sie mehr Ampere (Strom). Wenn Sie hohe Amperezahlen aus einem Akku ziehen, fällt die Spannung vorübergehend ab. Die Spannung fällt vorübergehend ab ⁶

Wenn Sie einen billigen Akku oder eine Drohne mit schlechtem Energiemanagement kaufen, kann dieser Abfall gefährlich sein. Die Drohne denkt möglicherweise, der Akku sei leer, nur weil die Spannung unter Last abgefallen ist. Dies sehen wir oft bei generischen Drohnen. Der Pilot startet mit vollem Tank, und zwei Minuten später ertönt der Alarm bei niedrigem Akkustand. Der Akku ist nicht leer, aber er kann die Last nicht bewältigen.

Verwaltung des Rückflugs

Der Heimflug ist einfach. Der Tank ist leer. Die Drohne ist leicht. Die Motoren müssen kaum arbeiten. Sie müssen Ihre Mission jedoch basierend auf dem schweren Teil des Fluges planen. Sie können keine Mission planen, die von einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme ausgeht. Sie müssen für die erste Hälfte des Fluges von einer maximalen Leistungsaufnahme ausgehen.

Wir weisen unsere Beschaffungspartner an, die Effizienz des "Max Takeoff Weight" (MTOW) zu berücksichtigen. Maximales Startgewicht ⁷ Viele Datenblätter zeigen nur die Schwebezeit ohne Nutzlast an. Diese Zahl ist für die Landwirtschaft nutzlos. Sie müssen die Flugzeit bei MTOW kennen.

Einfluss der Nutzlast auf die Entladung

Hier ist, wie sich die Zahlen in einem typischen Betrieb aufschlüsseln. Wir haben dies mit einer Drohne mit 20-Liter-Nutzlast gemessen.

Beachten Sie den enormen Unterschied zwischen Start und Rückflug. Der Start zieht fast doppelt so viel Strom wie der Rückflug. Wenn Sie eine Drohne bewerten, prüfen Sie, ob das Akku-Kühlsystem ausreichend ist. Hohe Entladungsraten erzeugen Wärme. Wenn der Akku während der "belastenden" Phase zu heiß wird, verschlechtert er sich schneller. Sie möchten eine Drohne, die diese anfängliche Hochstressphase ohne Überhitzung bewältigen kann.

Verbraucht das Fliegen mit Höchstgeschwindigkeit für eine schnelle Abdeckung meinen Akku deutlich schneller als ein moderater Reiseflug?

Wenn wir Drohnen an große amerikanische Farmen exportieren, fragen Kunden oft nach Geschwindigkeits-Entsperrcodes. Wir warnen sie, dass das Ausreizen der Motoren die Effizienzwertung zerstört.

Das Fliegen mit Höchstgeschwindigkeit entleert die Akkus unverhältnismäßig schneller aufgrund des nichtlinearen Anstiegs des aerodynamischen Widerstands. Während das schnelle Zurücklegen von Boden scheinbar effizient ist, reduziert die exponentielle Leistung, die zur Überwindung des Luftwiderstands bei Höchstgeschwindigkeiten erforderlich ist, die Gesamtflugzeit erheblich im Vergleich zum Fliegen mit einer moderaten, optimalen Reisegeschwindigkeit.

Es gibt einen weit verbreiteten Mythos, dass schnelleres Fliegen die Arbeit früher erledigt und Akku spart. Das ist falsch. Aerodynamik funktioniert nicht geradlinig. Wenn Sie Ihre Geschwindigkeit verdoppeln, verdoppeln Sie nicht nur die benötigte Leistung. Sie könnten sie verdreifachen oder vervierfachen. Das liegt am Luftwiderstand oder "Drag"."

Die Widerstandsstrafgebühr

Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist der Widerstand vernachlässigbar. Wenn Sie schneller werden, drückt die Luft stärker zurück. Die Drohne muss sich in einem steilen Winkel neigen, um diesem Windwiderstand entgegenzuwirken. Dieser steile Winkel reduziert den vertikalen Auftrieb der Propeller. reduziert den vertikalen Auftrieb ⁸ Die Motoren müssen sich also noch schneller drehen, nur um zu verhindern, dass die Drohne abstürzt.

Dies erzeugt eine "doppelte Strafe". Die Motoren arbeiten hart, um sich vorwärts zu bewegen und arbeiten hart, um oben zu bleiben. Wir nennen das den "parasitären Widerstandseffekt". In unseren Flugtests identifizieren wir eine "optimale Reisegeschwindigkeit". Das ist der Sweet Spot. Sie liegt normalerweise bei etwa 60 % bis 70 % der maximalen Geschwindigkeit der Drohne.

Hitze und interner Widerstand

Das Fliegen mit Höchstgeschwindigkeit beschädigt auch Ihre Hardware. Kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsflug hält den Stromverbrauch auf seinem Höhepunkt. Dies erzeugt immense Hitze in den Motoren, elektronischen Drehzahlreglern (ESCs) und Akkus.

Hitze erhöht den internen Widerstand des Akkus. Innenwiderstand ⁹ Hitze erhöht den internen Widerstand ¹⁰ Dies macht den Akku weniger effizient. Sie verbrennen also Energie, nur um Abwärme zu erzeugen. Wir raten unseren Kunden, ihre Fluggeschwindigkeiten zu begrenzen. Das Abdecken von 10 Hektar in moderatem Tempo mag 2 Minuten länger dauern, aber Sie landen mit einem kühleren Akku und mehr Reserveleistung.

Warum moderate Geschwindigkeit gewinnt

Seien Sie bei der Bewertung einer Drohne nicht von hohen Höchstgeschwindigkeiten beeindruckt. Eine Sprühdrohne, die mit 15 Metern pro Sekunde fliegt, versprüht wahrscheinlich schlecht und verschwendet Energie. Suchen Sie nach einer Drohne, die für eine Arbeitsgeschwindigkeit von 5 bis 7 Metern pro Sekunde optimiert ist. Hier liegt die Effizienz.

Wenn ein Hersteller mit extremen Geschwindigkeiten prahlt, fragen Sie ihn nach der Flugzeit bei dieser Geschwindigkeit. Normalerweise ist sie sehr kurz. Effizienz kommt von Balance, nicht von roher Geschwindigkeit.

Schlussfolgerung

Die Bewertung des Energieverbrauchs erfordert einen Blick über einfache Flugzeitenschätzungen hinaus. Sie müssen die Physik des Schwebens im Vergleich zum Cruisen, die Effizienz autonomer Software, die Auswirkungen schwerer Flüssigkeitslasten und die Nachteile von Hochgeschwindigkeitsflügen berücksichtigen. Indem Sie sich auf diese spezifischen Modi konzentrieren und detaillierte Daten von Lieferanten verlangen, können Sie eine Drohne auswählen, die eine echte betriebliche Effizienz für Ihren Betrieb bietet.

Fußnoten

1. NASA-Leitfaden zur Definition von aerodynamischen Widerstandskräften. ︎

2. FAA-Vorschriften erörtern oft Gewichts- und Nutzlastgrenzen für kommerzielle UAS-Betriebe. ︎

3. Erklärt die Physik des Auftriebs, der im Zusammenhang mit dem Cruisen von Drohnen erwähnt wird. ︎

4. Technische Forschung zur energieeffizienten Pfadplanung für Multikopter-Drohnen. ︎

5. IEEE-Forschung zu energieeffizienten Pfadplanungsalgorithmen für UAVs. ︎

6. Technische Erklärung des Spannungseinbruchs unter hohen Stromlasten. ︎

7. Europäische Agentur für Flugsicherheit, Definitionen für Drohnengewichtskategorien und Vorschriften. ︎

8. FAA-Handbuch zur Erklärung von Schubvektoren und Auftriebsreduzierung im Vorwärtsflug. ︎

9. Allgemeiner Hintergrund, wie sich der Innenwiderstand auf die Akkueffizienz und Wärme auswirkt. ︎

10. Wissenschaftliche Übersicht über die Temperatureinflüsse auf die Batterieimpedanz. ︎