При покупке сельскохозяйственных дронов, как мне оценить различия в энергопотреблении между различными режимами полета?

Когда мы тестируем наши новейшие прототипы SkyRover в Сиане, мы видим, как быстро тяжелая полезная нагрузка разряжает батареи сопротивление воздуха, или ‘тяга’ ¹. тяжелая полезная нагрузка ² Выбор неправильных летных характеристик может подорвать эффективность вашей работы.

Для оценки энергопотребления сравните характеристики производителя по энергопотреблению в режиме зависания и крейсерского полета, стремясь к соотношению ниже 1,5:1. Отдавайте предпочтение моделям, предлагающим функции автономного планирования маршрута по точкам, поскольку эти режимы обычно снижают энергопотребление на 30-50% по сравнению с ручным зависанием, значительно увеличивая время работы на одном заряде.

Давайте рассмотрим конкретные режимы, влияющие на ваше решение о покупке.

Как меняется энергопотребление при переключении между статическим зависанием и крейсерским полетом с постоянной скоростью?

Наша инженерная команда постоянно отслеживает данные выходной мощности двигателя во время статических испытаний. Зависание борется с гравитацией напрямую, что часто застает новых покупателей врасплох, когда они видят падение заряда батареи.

Зависание потребляет на 30-50% больше энергии, чем крейсерский полет с постоянной скоростью, потому что двигатели должны генерировать максимальную вертикальную тягу для борьбы с гравитацией без аэродинамической подъемной силы. Крейсерский полет позволяет дрону использовать поступательное движение и наклон роторов, значительно снижая электрический ток, необходимый для поддержания высоты и стабильности.

Когда мы анализируем летные журналы с наших заводских испытательных полигонов, данные говорят сами за себя. Удержание дрона на одном месте — самое дорогое действие с точки зрения энергопотребления. Это удивляет многих наших клиентов. Они часто предполагают, что быстрое движение потребляет больше энергии. На самом деле, стоять на месте — тяжелая работа для мультироторного летательного аппарата.

Физика борьбы с гравитацией

Когда дрон зависает, пропеллеры должны толкать воздух прямо вниз. Они должны поддерживать 100% веса дрона, используя чистую мощность двигателя. Нет никакой помощи от ветра или поступательного движения. Двигатели постоянно работают на высоких оборотах (оборотов в минуту). Это создает огромную нагрузку на батарею.

Напротив, когда дрон переходит в режим крейсерского полета, он наклоняется вперед. Воздух обтекает корпус и пропеллеры иначе. Это создает небольшую подъемную силу. аэродинамическая подъемная сила ³ Это похоже на то, как птица планирует. Двигателям не приходится так сильно работать, чтобы удерживать дрон в воздухе. Мы часто видим, как потребление тока значительно падает в тот момент, когда дрон начинает двигаться вперед с постоянной скоростью.

Почему это важно для вашего кошелька

Если вы планируете использовать свой дрон для точечного опрыскивания, это критически важно. Точечное опрыскивание включает в себя много зависаний. Вы останавливаетесь над сорняком, опрыскиваете и двигаетесь дальше. Такой стиль полета разрядит вашу батарею намного быстрее, чем сплошное опрыскивание. При покупке дрона вы должны рассматривать спецификацию "время зависания" отдельно от "максимального времени полета". Производители часто указывают максимальное время, основанное на оптимальных условиях крейсерского полета.

Если ваша ферма требует от вас осмотра посевов путем зависания над определенными растениями, вам нужна батарея большей емкости. Если вам нужно только картографировать большое поле, вы можете обойтись менее мощной системой питания. Мы всегда советуем нашим клиентам проверять потребление киловатт (кВт) для обоих режимов.

Сравнение потребления мощности

Таблица ниже показывает типичные данные, которые мы наблюдаем у среднеразмерных сельскохозяйственных дронов. Обратите внимание на резкую разницу в мощности, необходимой для зависания по сравнению с крейсерским полетом.

Вы можете видеть, что крейсерский режим требует почти вдвое меньше мощности, чем режим зависания. Вот почему картографические миссии охватывают гораздо большую территорию, чем инспекционные. При оценке дрона попросите продавца предоставить эти конкретные цифры. Не соглашайтесь на общую оценку "20 минут". Спросите их: "Сколько минут в режиме полного зависания?"

Экономлю ли я больше энергии, используя автономное планирование полета по сравнению с ручным управлением пилотом?

Мы программируем наши полетные контроллеры для сглаживания каждого поворота, потому что знаем, что хаотичный ручной полет расходует энергию впустую. Человек-пилот просто не может сравниться с эффективностью наших алгоритмов.

Автономное планирование полета позволяет значительно экономить энергию по сравнению с ручным управлением за счет поддержания постоянной скорости и оптимизации поворотов. Алгоритмы устраняют хаотичные регулировки тяги и избыточные движения, распространенные при ручном пилотировании, что приводит к снижению общего расхода заряда батареи на 15-25% при той же площади покрытия.

Я видел, как многие опытные пилоты управляли нашими дронами SkyRover. Даже лучшие пилоты не могут превзойти компьютер. Когда человек летает, он постоянно регулирует стики. Он ускоряется, замедляется и перекорректирует. Каждый раз, когда вы ускоряетесь, двигатели потребляют пиковую нагрузку тока. Эти небольшие пики быстро накапливаются за 20-минутный полет.

Стоимость человеческой коррекции

Подумайте о вождении автомобиля. Если вы постоянно резко нажимаете на газ, а затем тормозите, вы тратите топливо впустую. Ручное управление дроном — это то же самое. Пилот может пролететь мимо ряда кукурузы и ему придется возвращаться. Или он может лететь слишком быстро и ему придется резко тормозить, чтобы повернуть.

Автономные полетные планы используют "плавные кривые"." автономные полетные планы ⁴ Дрон не останавливается в конце ряда. Он совершает рассчитанный поворот. Это сохраняет импульс. Поддержание движения дрона — ключ к энергоэффективности. Компьютер рассчитывает идеальную скорость полета, не расходуя энергию компьютер рассчитывает идеальную скорость ⁵ на ненужное ускорение.

Точность против Мощности

В нашей лаборатории разработки программного обеспечения мы сосредоточены на планировании маршрута. Мы используем алгоритмы для расчета кратчайшего пути. Человек-пилот полагается на свои глаза. Он может слишком сильно перекрывать ряды, распыляя одно и то же место дважды. Это приводит к пустой трате заряда батареи и химической нагрузки.

Автономная система использует GPS для полета по точным линиям. Она гарантирует, что дрон покроет территорию только один раз. Эта эффективность напрямую приводит к экономии заряда батареи. Вы можете закончить поле площадью 10 гектаров, оставив 20% заряда батареи, используя автоматический режим. Если бы вы пролетели то же поле вручную, вы могли бы исчерпать заряд до завершения.

Прирост эффективности в реальных сценариях

Мы собрали данные от наших клиентов в США и Европе. Результаты неизменно отдают предпочтение автоматизации.

При покупке дрона обратите внимание на программное обеспечение. Позволяет ли оно легко планировать миссии? Можно ли установить "банкированные повороты" в настройках? Эти функции программного обеспечения так же важны, как и размер батареи. Умный дрон всегда будет летать дольше, чем "глупый" дрон, даже если у них одинаковое оборудование.

Как соотношение скорости разряда батареи при полете с полной загрузкой по сравнению с возвращением пустым?

Во время полевых испытаний в Чэнду мы измеряли просадку напряжения при максимальной нагрузке. Полный бак полностью меняет физику, требуя гораздо более высокого ампеража, чем пустой обратный полет.

Полет с полной загрузкой резко увеличивает скорость разряда батареи, часто потребляя на 20-40% больше тока, чем при полете пустым, из-за более высокого требуемого соотношения тяги к весу. По мере уменьшения полезной нагрузки во время опрыскивания потребность в энергии линейно падает, что делает обратный полет домой самой энергоэффективной частью миссии.

Вес — враг времени полета. Это фундаментальное правило авиации. В сельскохозяйственных дронах вес постоянно меняется. Вы взлетаете тяжелым с полным баком жидкости. Вы приземляетесь легким после опрыскивания. Понимание этого цикла жизненно важно для оценки силовой установки дрона.

Проблема просадки напряжения

При проектировании наших плат распределения питания мы должны учитывать "просадку напряжения". Когда дрон тяжелый, двигателям требуется больший крутящий момент. Чтобы получить крутящий момент, они потребляют больше ампер (тока). Когда вы потребляете большой ток от батареи, напряжение временно падает. напряжение временно падает ⁶

Если вы купите дешевую батарею или дрон с плохим управлением питанием, эта просадка может быть опасной. Дрон может подумать, что батарея пуста, просто потому, что напряжение упало под нагрузкой. Мы часто видим это с обычными дронами. Пилот взлетает с полным баком, а через две минуты звучит сигнал низкого заряда батареи. Батарея не пуста, но она не может справиться с нагрузкой.

Управление обратным рейсом

Полет домой — это легко. Бак пуст. Дрон легкий. Двигателям почти не приходится работать. Однако вы должны планировать свою миссию, исходя из тяжелой части полета. Вы не можете планировать миссию, предполагая среднее потребление энергии. Вы должны предполагать максимальное потребление энергии для первой половины полета.

Мы говорим нашим партнерам по закупкам смотреть на эффективность "Максимального взлетного веса" (MTOW). Максимальный взлетный вес ⁷ Многие спецификации показывают только время полета в режиме висения без полезной нагрузки. Эта цифра бесполезна для сельского хозяйства. Вам нужно знать время полета при максимальном взлетном весе.

Влияние полезной нагрузки на разряд

Вот как цифры распределяются при типичной эксплуатации. Мы измерили это с помощью дрона с полезной нагрузкой 20 литров.

Обратите внимание на огромную разницу между взлетом и возвращением. Взлет потребляет почти вдвое больше тока, чем обратный полет. При оценке дрона проверьте, достаточно ли эффективна система охлаждения аккумулятора. Высокие токи разряда создают тепло. Если аккумулятор перегревается во время "тяжелой" фазы, он быстрее деградирует. Вам нужен дрон, который может справиться с этой начальной фазой высокого напряжения без перегрева.

Значительно ли быстрее разряжает мою батарею полет на максимальной скорости для быстрого покрытия по сравнению с умеренным крейсерским полетом?

Когда мы экспортируем дроны на крупные американские фермы, клиенты часто просят коды разблокировки скорости. Мы предупреждаем их, что работа двигателей на пределе разрушает показатели эффективности.

Полет на максимальной скорости непропорционально быстрее разряжает аккумуляторы из-за нелинейного увеличения аэродинамического сопротивления. Хотя быстрое перемещение по земле кажется эффективным, экспоненциальная мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха на максимальных скоростях, значительно сокращает общее время полета по сравнению с полетом на умеренной, оптимальной крейсерской скорости.

Существует распространенный миф, что полет на более высокой скорости позволяет быстрее выполнить работу и сэкономить заряд батареи. Это неверно. Аэродинамика не работает по прямой линии. Если вы удвоите скорость, вы не просто удвоите необходимую мощность. Вы можете утроить или учетверить ее. Это связано с сопротивлением воздуха, или "drag"."

Штраф за сопротивление

На низких скоростях сопротивление незначительно. По мере увеличения скорости воздух оказывает большее сопротивление. Дрон должен наклоняться под большим углом, чтобы бороться с этим сопротивлением ветра. Этот большой угол уменьшает вертикальную подъемную силу от пропеллеров. уменьшает вертикальную подъемную силу ⁸ Таким образом, двигатели должны вращаться еще быстрее, просто чтобы дрон не упал.

Это создает "двойной штраф". Двигатели работают интенсивно, чтобы двигаться вперед и работают интенсивно, чтобы оставаться в воздухе. Мы называем это эффектом "паразитного сопротивления". В наших летных испытаниях мы определяем "оптимальную крейсерскую скорость". Это идеальная точка. Обычно она составляет от 60% до 70% максимальной скорости дрона.

Тепло и внутреннее сопротивление

Полет на максимальной скорости также повреждает ваше оборудование. Непрерывный высокоскоростной полет поддерживает ток на пиковом уровне. Это генерирует огромное тепло в двигателях, электронных регуляторах скорости (ESC) и аккумуляторах.

Тепло увеличивает внутреннее сопротивление аккумулятора. внутреннее сопротивление ⁹ Тепло увеличивает внутреннее сопротивление ¹⁰ Это снижает эффективность аккумулятора. Таким образом, вы сжигаете энергию просто для создания тепловых потерь. Мы советуем нашим клиентам фиксировать скорость полета. Покрытие 10 гектаров на умеренной скорости может занять на 2 минуты больше, но вы приземлитесь с более холодным аккумулятором и большим запасом мощности.

Почему умеренная скорость выигрывает

При оценке дрона не впечатляйтесь высокими максимальными скоростями. Опрыскивающий дрон, летящий со скоростью 15 метров в секунду, скорее всего, плохо опрыскивает и тратит энергию. Ищите дрон, оптимизированный для рабочей скорости от 5 до 7 метров в секунду. Именно здесь кроется эффективность.

Если производитель хвастается экстремальными скоростями, спросите его о времени полета на этой скорости. Обычно оно очень короткое. Эффективность достигается за счет баланса, а не сырой скорости.

Заключение

Оценка энергопотребления требует выхода за рамки простых оценок времени полета. Необходимо учитывать физику зависания по сравнению с крейсерским полетом, эффективность автономного программного обеспечения, влияние тяжелых жидких грузов и штрафы за высокоскоростной полет. Сосредоточившись на этих конкретных режимах и требуя подробных данных от поставщиков, вы можете выбрать дрон, который обеспечит реальную эксплуатационную эффективность для вашей фермы.

Сноски

1. Руководство НАСА, определяющее силы аэродинамического сопротивления. ↩︎

2. Правила FAA часто обсуждают ограничения по весу и полезной нагрузке для коммерческих операций БПЛА. ↩︎

3. Объясняет физику подъемной силы, упомянутую в контексте крейсерского полета дрона. ↩︎

4. Технические исследования по энергоэффективному планированию траектории для мультироторных дронов. ↩︎

5. Исследования IEEE по алгоритмам энергоэффективного планирования траектории БПЛА. ↩︎

6. Техническое объяснение просадки напряжения при высоких токах нагрузки. ↩︎

7. Определения Европейского агентства по авиационной безопасности для категорий веса дронов и правил. ↩︎

8. Руководство FAA, объясняющее векторы тяги и снижение подъемной силы в горизонтальном полете. ↩︎

9. Общий обзор того, как внутреннее сопротивление влияет на эффективность аккумулятора и нагрев. ↩︎

10. Научный обзор влияния температуры на импеданс аккумулятора. ↩︎