四旋翼無人機長續航飛行模式的設計與實現

郎武彪，韋峻峰

(廣西民族大學 電子信息學院，南寧 530006)

0 引言

無人機在許多行業領域中有著非常廣泛的應用。在農業方面，目前市面上用于植保的6 kg電池供電旋翼無人機飛行時間約30 min左右，在完成噴灑農藥等耗時的飛行任務時需要多次返航更換電池[1]。若可以延長其飛行時間將提升工作效率。

目前已有通過減輕自重、增加電池容量、改進推進系統、優化控制算法[2]等方式延長無人機的飛行時間。無人機使用的能量來源主要有燃料電池[1]、太陽能輔助供電[3]、發電機加電池[4]等多種，采用高能量密度的供電方案是未來無人機發展方向。此外，三旋翼[5]、共軸雙旋翼[6]、電機與電子調速器匹配[7]等推進系統的研究使無人機的能量利用效率進一步提升。這些研究從不同的側面提升了無人機的飛行時間。

對于已有產品，自重、電池容量和推進系統設計已經確定，通過控制算法優化仍有可能延長飛行時間。根據動力學模型，多旋翼無人機需要靠不同電機轉速來維持不同的飛行姿態。電機消耗的功率與其在不同轉速下的工作效率密切相關。研究[8]發現，重量1.5 kg電池容量6 600 mAh的無人機持續垂直運動的飛行時間20.8 min最短、水平運動時飛行時間22.5 min，懸停狀態的飛行時間長達26.7 min。渦噴類長航時無人機巡航段最有利航程和飛行時間的研究[9]同樣揭示了無人機的飛行時間受不同的高度、速度控制策略影響。旋翼無人機通過飛行姿態改變飛行的高度、速度和方向，不同飛行姿態對飛行時間的影響將會比渦噴無人機更為顯著。……