Lors de l'achat de drones agricoles, comment dois-je évaluer les différences de consommation d'énergie entre les différents modes de vol ?

Lorsque nous testons nos derniers prototypes SkyRover à Xi'an, nous constatons qu'une lourde charge utile épuise rapidement les batteries. la résistance de l'air, ou ‘traînée’ ¹. charge utile lourde ² Choisir les mauvaises spécifications de vol peut ruiner l'efficacité de votre journée de travail.

Pour évaluer la consommation d'énergie, comparez les spécifications du fabricant pour la consommation d'énergie en vol stationnaire et en vol de croisière, en visant un rapport inférieur à 1,5:1. Privilégiez les modèles offrant des fonctions de planification autonome des points de passage, car ces modes réduisent généralement la consommation d'énergie de 30 à 50% par rapport au vol stationnaire manuel, ce qui prolonge considérablement la durée d'utilisation par charge.

Examinons les modes spécifiques qui influencent votre décision d'achat.

Comment la consommation d'énergie diffère-t-elle lorsque je passe d'un vol stationnaire statique à un vol de croisière à vitesse constante ?

Notre équipe d'ingénieurs surveille constamment les données de sortie du moteur pendant les tests statiques. Le vol stationnaire combat directement la gravité, ce qui prend souvent les nouveaux acheteurs au dépourvu lorsqu'ils voient la batterie baisser.

Le vol stationnaire consomme 30-50% plus d'énergie que la croisière à vitesse constante car les moteurs doivent générer une poussée verticale maximale pour lutter contre la gravité sans portance aérodynamique. La vitesse de croisière permet au drone d'utiliser l'élan vers l'avant et l'inclinaison du rotor, ce qui réduit considérablement le courant électrique nécessaire au maintien de l'altitude et de la stabilité.

Lorsque nous analysons les journaux de vol de nos terrains d'essai en usine, les données sont très claires. Maintenir un drone au même endroit est l'action la plus coûteuse en termes de puissance. Cela surprend beaucoup de nos clients. Ils supposent souvent que se déplacer rapidement consomme plus d'énergie. En réalité, rester immobile est un travail difficile pour un aéronef multirotor.

La physique de la lutte contre la gravité

Lorsqu'un drone est en vol stationnaire, les hélices doivent pousser l'air directement vers le bas. Elles doivent supporter 100% du poids du drone en utilisant la puissance brute du moteur. Il n'y a pas d'aide du vent ou de mouvement vers l'avant. Les moteurs tournent constamment à un régime élevé (tours par minute). La batterie est donc fortement sollicitée.

En revanche, lorsque le drone entre en mode croisière, il s'incline vers l'avant. L'air circule différemment sur le corps et les hélices. Cela crée une légère portance aérodynamique. portance aérodynamique ³ Cela ressemble à la façon dont un oiseau plane. Les moteurs n'ont pas à travailler autant pour maintenir le drone en l'air. Nous constatons souvent que la consommation de courant diminue considérablement dès que le drone commence à avancer à un rythme régulier.

Pourquoi c'est important pour votre portefeuille

Si vous envisagez d'utiliser votre drone pour des pulvérisations ponctuelles, ce point est essentiel. La pulvérisation localisée implique beaucoup de vol stationnaire. Vous vous arrêtez au-dessus d'une mauvaise herbe, vous pulvérisez et vous continuez. Ce type de vol épuisera votre batterie beaucoup plus rapidement que la pulvérisation générale. Lorsque vous achetez un drone, vous devez examiner la spécification relative au "temps de vol stationnaire" séparément de celle relative au "temps de vol maximum". Les fabricants indiquent souvent une durée maximale basée sur des conditions de croisière optimales.

Si votre exploitation agricole vous oblige à inspecter les cultures en survolant des plantes spécifiques, vous avez besoin d'une batterie plus puissante. Si vous devez simplement cartographier un grand champ, vous pouvez vous contenter d'une configuration de puissance plus faible. Nous conseillons toujours à nos clients de vérifier la consommation en kilowatts (kW) pour les deux modes.

Comparaison de la consommation d'énergie

Le tableau ci-dessous présente les données typiques des drones agricoles de taille moyenne. Notez la différence marquée entre la puissance nécessaire pour le vol stationnaire et la puissance nécessaire pour le vol de croisière.

Vous pouvez constater que le vol de croisière nécessite presque la moitié de la puissance du vol stationnaire. C'est pourquoi les missions de cartographie couvrent beaucoup plus de terrain que les missions d'inspection. Lorsque vous évaluez un drone, demandez au vendeur ces chiffres précis. Ne vous contentez pas d'une estimation générique de "20 minutes". Demandez-lui : "Combien de minutes en vol stationnaire ?"

Est-ce que j'économise plus d'énergie en utilisant la planification autonome des vols qu'en utilisant la commande manuelle du pilote ?

Nous programmons nos contrôleurs de vol pour qu'ils adoucissent chaque virage, car nous savons que les vols manuels erratiques gaspillent de l'énergie. Un pilote humain ne peut tout simplement pas égaler l'efficacité de nos algorithmes.

La planification autonome des vols permet d'économiser beaucoup plus d'énergie que le contrôle manuel en maintenant des vitesses constantes et en optimisant les virages. Les algorithmes éliminent les ajustements erratiques de l'accélérateur et les mouvements redondants courants dans le pilotage manuel, ce qui se traduit par une réduction de 15-25% de la consommation totale de la batterie pour la même zone de couverture.

J'ai vu de nombreux pilotes compétents utiliser nos drones SkyRover. Même les meilleurs pilotes ne peuvent pas battre un ordinateur. Lorsqu'un humain vole, il ajuste constamment les manches. Il accélère, ralentit et surcorrige. Chaque fois que vous accélérez, les moteurs produisent une pointe de courant. Ces petites pointes s'additionnent rapidement au cours d'un vol de 20 minutes.

Le coût de la correction humaine

Pensez à la conduite d'une voiture. Si vous appuyez constamment sur l'accélérateur et que vous freinez ensuite, vous gaspillez du carburant. Il en va de même pour le pilotage manuel d'un drone. Un pilote peut dépasser une rangée de maïs et devoir revenir en arrière. Il peut aussi voler trop vite et devoir freiner brusquement pour tourner.

Les plans de vol autonomes utilisent des "courbes douces"." plans de vol autonomes ⁴ Le drone ne s'arrête pas au bout d'une rangée. Il décrit une courbe calculée pour faire demi-tour. Cela permet de maintenir l'élan. Le maintien du drone en mouvement est la clé de l'efficacité énergétique. L'ordinateur calcule la vitesse idéale pour voler sans gaspiller d'énergie l'ordinateur calcule la vitesse parfaite ⁵ sur les accélérations inutiles.

Précision ou puissance

Dans notre laboratoire de développement de logiciels, nous nous concentrons sur la planification des chemins. Nous utilisons des algorithmes pour calculer le chemin le plus court. Un pilote humain se fie à ses yeux. Il risque de faire se chevaucher trop de rangées et de pulvériser deux fois la même zone. Cela entraîne un gaspillage de la batterie et de la charge chimique.

Un système autonome utilise le GPS pour tracer des lignes exactes. Il garantit que le drone ne couvre la zone qu'une seule fois. Cette efficacité se traduit directement par des économies de batterie. Vous pouvez terminer un champ de 10 hectares avec 20% de batterie en mode automatique. Si vous parcouriez ce même champ manuellement, vous risqueriez d'être à court d'énergie avant d'avoir terminé.

Gains d'efficacité dans des scénarios réels

Nous avons compilé les données de nos clients aux États-Unis et en Europe. Les résultats sont systématiquement en faveur de l'automatisation.

Lorsque vous achetez un drone, regardez le logiciel. Permet-il de planifier facilement une mission ? Pouvez-vous définir des "virages inclinés" dans les paramètres ? Ces fonctions logicielles sont tout aussi importantes que la taille de la batterie. Un drone intelligent volera toujours plus longtemps qu'un drone stupide, même s'ils ont le même matériel.

Comment le taux de décharge de la batterie se compare-t-il lorsque je vole à pleine charge et lorsque je reviens à vide ?

Lors des essais sur le terrain à Chengdu, nous mesurons l'affaissement de la tension sous charge maximale. Un réservoir plein change complètement la physique, exigeant un ampérage beaucoup plus élevé qu'un vol aller-retour à vide.

Le vol à pleine charge augmente considérablement le taux de décharge de la batterie et consomme souvent 20-40% plus de courant que le vol à vide en raison du rapport poussée/poids plus élevé requis. Au fur et à mesure que la charge utile diminue pendant la pulvérisation, la demande d'énergie diminue de façon linéaire, ce qui fait de l'étape du retour à la maison la partie la plus économe en énergie de la mission.

Le poids est l'ennemi du temps de vol. C'est une règle fondamentale de l'aviation. Dans les drones agricoles, le poids change constamment. On décolle lourd avec un réservoir de liquide plein. Vous atterrissez léger après la pulvérisation. Il est essentiel de comprendre ce cycle pour évaluer le système d'alimentation du drone.

Le problème de l'affaissement de tension

Lorsque nous concevons nos tableaux de distribution électrique, nous devons tenir compte de l'affaissement de la tension. Lorsqu'un drone est lourd, les moteurs ont besoin de plus de couple. Pour obtenir ce couple, ils consomment plus d'ampères (courant). Lorsque vous tirez un grand nombre d'ampères d'une batterie, la tension chute temporairement. la tension chute temporairement ⁶

Si vous achetez une batterie bon marché ou un drone avec une mauvaise gestion de l'énergie, cet affaissement peut être dangereux. Le drone peut penser que la batterie est vide simplement parce que la tension a chuté sous charge. C'est ce que l'on observe souvent avec les drones génériques. Le pilote décolle avec un réservoir plein, et deux minutes plus tard, l'alarme de batterie faible retentit. La batterie n'est pas vide, mais elle ne peut pas supporter la charge.

Gérer le voyage de retour

Le vol de retour est facile. Le réservoir est vide. Le drone est léger. Les moteurs n'ont presque pas besoin de fonctionner. Cependant, vous devez planifier votre mission en fonction de l'environnement. lourd partie du vol. Vous ne pouvez pas planifier une mission en supposant une consommation moyenne. Vous devez supposer une consommation maximale pour la première moitié du vol.

Nous disons à nos partenaires d'achat de tenir compte de l'efficacité de la "masse maximale au décollage" (MTOW). Poids maximal au décollage ⁷ De nombreuses fiches techniques n'indiquent que le temps de vol stationnaire, sans charge utile. Ce chiffre est inutile pour l'agriculture. Vous devez connaître le temps de vol à la MTOW.

Impact de la charge utile sur la décharge

Voici comment les chiffres se répartissent dans une opération typique. Nous avons mesuré ces chiffres avec un drone de 20 litres de charge utile.

Remarquez l'énorme différence entre le décollage et le retour. Le décollage consomme presque deux fois plus de courant que le retour. Lorsque vous évaluez un drone, vérifiez si le système de refroidissement de la batterie est adéquat. Les taux de décharge élevés génèrent de la chaleur. Si la batterie chauffe trop pendant la phase "lourde", elle se dégrade plus rapidement. Vous voulez un drone capable de supporter cette phase initiale de stress élevé sans surchauffe.

Est-ce que le fait de voler à vitesse maximale pour une couverture rapide épuise ma batterie beaucoup plus rapidement qu'un vol de croisière modéré ?

Lorsque nous exportons des drones vers de grandes exploitations agricoles américaines, les clients nous demandent souvent des codes de déblocage de la vitesse. Nous les avertissons que le fait de pousser les moteurs à la limite détruit les rendements.

Le vol à vitesse maximale épuise les batteries de manière disproportionnée en raison de l'augmentation non linéaire de la traînée aérodynamique. Si couvrir le terrain rapidement semble efficace, la puissance exponentielle nécessaire pour vaincre la résistance de l'air aux vitesses maximales réduit considérablement le temps de vol total par rapport à un vol à une vitesse de croisière modérée et optimale.

Il existe un mythe répandu selon lequel voler plus vite permet d'accomplir le travail plus rapidement et d'économiser de la batterie. C'est faux. L'aérodynamique ne fonctionne pas en ligne droite. Si vous doublez votre vitesse, vous ne doublez pas simplement la puissance nécessaire. Vous pouvez même la tripler ou la quadrupler. Cela est dû à la résistance de l'air, ou "traînée"."

La pénalité pour traînée

À faible vitesse, la traînée est négligeable. À mesure que vous accélérez, l'air vous repousse plus fort. Le drone doit s'incliner à un angle important pour lutter contre cette résistance au vent. Cet angle important réduit la portance verticale des hélices. réduit la portance verticale ⁸ Les moteurs doivent donc tourner encore plus vite pour empêcher le drone de tomber.

Il en résulte une "double peine". Les moteurs travaillent dur pour pousser vers l'avant et travaillent dur pour rester en haut. C'est ce que nous appelons l'effet de "traînée parasite". Lors de nos essais en vol, nous identifions une "vitesse de croisière optimale". C'est le "sweet spot". Elle se situe généralement entre 60% et 70% de la vitesse maximale du drone.

Chaleur et résistance interne

Voler à la vitesse maximale endommage également votre matériel. Le vol continu à grande vitesse maintient la consommation de courant à son maximum. Cela génère une chaleur énorme dans les moteurs, les contrôleurs électroniques de vitesse (ESC) et les batteries.

La chaleur augmente la résistance interne de la batterie. résistance interne ⁹ La chaleur augmente la résistance interne ¹⁰ Cela rend la batterie moins efficace. Vous brûlez donc de l'énergie pour créer de la chaleur perdue. Nous conseillons à nos clients de verrouiller leur vitesse de vol. Parcourir 10 hectares à un rythme modéré peut prendre 2 minutes de plus, mais vous atterrirez avec une batterie plus froide et une plus grande réserve d'énergie.

Pourquoi la vitesse modérée l'emporte

Lorsque vous évaluez un drone, ne vous laissez pas impressionner par des vitesses de pointe élevées. Un drone de pulvérisation volant à 15 mètres par seconde pulvérise probablement mal et gaspille de l'énergie. Recherchez un drone optimisé pour une vitesse de travail de 5 à 7 mètres par seconde. C'est là que réside l'efficacité.

Si un fabricant se vante de vitesses extrêmes, demandez-lui quel est le temps de vol à cette vitesse. En général, il est très court. L'efficacité vient de l'équilibre, pas de la vitesse brute.

Conclusion

Pour évaluer la consommation d'énergie, il faut aller au-delà des simples estimations de temps de vol. Vous devez tenir compte de la physique du vol stationnaire par rapport au vol de croisière, de l'efficacité des logiciels autonomes, de l'impact des charges utiles liquides lourdes et des pénalités liées au vol à grande vitesse. En vous concentrant sur ces modes spécifiques et en exigeant des données détaillées de la part des fournisseurs, vous pouvez choisir un drone qui offre une véritable efficacité opérationnelle pour votre exploitation.

Notes de bas de page

1. Guide de la NASA définissant les forces de traînée aérodynamique. ︎

2. Les réglementations de la FAA traitent souvent des limites de poids et de charge utile pour les opérations commerciales des UAS. ︎

3. Explique la physique de la portance mentionnée dans le contexte de la croisière des drones. ︎

4. Recherche technique sur la planification de trajectoire économe en énergie pour les drones multirotors. ︎

5. Recherche de l'IEEE sur les algorithmes de planification de la trajectoire des drones économes en énergie. ︎

6. Explication technique de l'affaissement de la tension sous des charges de courant élevées. ︎

7. Définitions de l'Agence européenne de la sécurité aérienne pour les catégories de poids des drones et les réglementations. ︎

8. Manuel de la FAA expliquant les vecteurs de poussée et la réduction de la portance en vol avant. ︎

9. Informations générales sur la manière dont la résistance interne affecte l'efficacité et la chaleur de la batterie. ︎

10. Aperçu scientifique de l'impact de la température sur l'impédance de la batterie. ︎