多旋翼飛行器設(shè)計與控制理論 -第04講-動力系統(tǒng)建模和估算V2

2024/5/281筒車東方智慧2024/5/282如何估算一架多旋翼飛行器的各項性能指標(biāo)？核心問題大綱1.總體描述2.動力系統(tǒng)模型3.性能計算和實驗驗證4.評估網(wǎng)站F介紹5.本講小結(jié)2024/5/2831.總體描述2024/5/284

動力系統(tǒng)各器件參數(shù)設(shè)定

螺旋槳的拉力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)動力系統(tǒng)建模分為四部分：螺旋槳建模、電機建模、電調(diào)建模、電池建模。模型所有輸入，如表中所示。為了簡化本節(jié)課講解，螺旋槳參數(shù)可以歸為為拉力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。1.總體描述2024/5/285

求解懸停時間的總體思路螺旋槳模型：拉力和轉(zhuǎn)矩電機模型電調(diào)模型電池模型2.動力系統(tǒng)模型2024/5/286

螺旋槳模型（1）拉力模型螺旋槳拉力系數(shù)空氣密度(kg/m3)轉(zhuǎn)速(RPM)螺旋槳直徑(m)溫度(℃)海拔(m)拉力(N)2.動力系統(tǒng)模型2024/5/287

螺旋槳模型（2）拉力逆模型單個螺旋槳拉力(N)螺旋槳個數(shù)飛機重量(N)轉(zhuǎn)速（RPM）2.動力系統(tǒng)模型2024/5/288

螺旋槳模型（3）轉(zhuǎn)矩模型轉(zhuǎn)矩(N·m)螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)2.動力系統(tǒng)模型2024/5/289

電機模型(1)電磁轉(zhuǎn)矩電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)電樞電流電磁轉(zhuǎn)矩器件參數(shù)廠商可提供10不考慮開關(guān)器件動作的過渡過程，并忽略電樞繞組的電感。這樣，無刷直流電動機的模型可以簡化為右圖.

圖4.1三相無刷電機電路2.動力系統(tǒng)模型

電機模型

圖4.2電機等價電路

方波驅(qū)動—梯形波反電勢與方波電流2.動力系統(tǒng)模型2024/5/2811(2)

輸出轉(zhuǎn)矩

電機模型空載電流（已知）(3)等效電流拉力逆模型得到轉(zhuǎn)矩（4）等效電壓拉力逆模型得到的轉(zhuǎn)速

圖4.3電機等價模型在無刷直流電機中，電機轉(zhuǎn)速正比于反電動勢2.動力系統(tǒng)模型2024/5/2812

電調(diào)模型圖4.4電調(diào)模型為電調(diào)調(diào)制后的等效直流電壓，可表示為電調(diào)輸出電壓滿足電池電壓輸入油門指令2.動力系統(tǒng)模型2024/5/2813

電調(diào)模型電調(diào)輸入電流為而電調(diào)輸入電壓（電池輸出電壓）為電調(diào)個數(shù)電池內(nèi)阻圖4.4電調(diào)模型2.動力系統(tǒng)模型2024/5/2814

電池模型電池建模對電池實際放電過程進行簡化，假設(shè)放電過程中電壓保持不變，懸停電流為定值，電池的放電能力呈線性變化電池電流電池實際電剩余容量電池使用時間放電時間（min）最小放電容量(mAh)

自駕儀云臺等其他設(shè)備電流消耗3.性能計算和實驗驗證2024/5/2815

螺旋槳模型電機模型電調(diào)模型電池模型3.性能計算和實驗驗證2024/5/2816

螺旋槳模型電機模型電調(diào)模型電池模型問題1：給定總重量，求解懸停時間，電調(diào)輸入油門指令，電調(diào)輸入電流，電調(diào)輸入電壓，電池電流，轉(zhuǎn)速，螺旋槳轉(zhuǎn)矩。3.性能計算和實驗驗證2024/5/2817

系統(tǒng)效率問題2.給定總重量，電調(diào)輸入油門指令，求解飛行器的極限情況下電調(diào)輸入電流，電調(diào)輸入電壓，電池電流，轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)效率（系統(tǒng)效率是指在滿油門狀態(tài)下螺旋槳輸出功率與電池輸出功率的比值）。3.性能計算和實驗驗證2024/5/2818

單旋翼最大拉力最大載重最大俯仰角問題3.給定總重量，電調(diào)輸入油門指令，求解飛行器的最大載重和最大傾斜角。最大負(fù)載下，多旋翼的極限。之所以取占空比0.8而不是1，是為了給予控制的一定裕度。3.性能計算和實驗驗證2024/5/2819

飛行器前飛速度由俯仰角決定阻力跟速度的關(guān)系阻力跟拉力的關(guān)系飛行器前飛速度問題4：給定總重量，求解飛行器的最大飛行速度，最遠(yuǎn)飛行距離以及綜合飛行時間（指飛行器飛行距離達(dá)到最遠(yuǎn)時的飛行時間）。飛行器俯仰角圖4.5多旋翼前飛受力圖3.性能計算和實驗驗證2024/5/2820

飛行器前飛距離螺旋槳轉(zhuǎn)速螺旋槳轉(zhuǎn)矩飛行時間（見第一問）

(飛行時間，min)飛行距離最遠(yuǎn)飛行距離問題4：給定總重量，求解飛行器的最大飛行速度，最遠(yuǎn)飛行距離以及綜合飛行時間（指飛行器飛行距離達(dá)到最遠(yuǎn)時的飛行時間）。找到某俯仰角使飛行距離最遠(yuǎn)飛行器俯仰角圖4.5多旋翼前飛受力圖3.性能計算和實驗驗證2024/5/2821

約束問題約束1：電調(diào)輸入油門在[0,1]之間；一般我們希望，合理的油門在50%左右，也就是說油門在中間的時候（上下控制余量都足夠），恰好多旋翼能夠懸停。約束2：電機電樞電流不超限，否則電機會燒掉。約束3：電調(diào)輸入電流不超限，否則電調(diào)會燒掉。約束4：電池輸出電流不超限，否則發(fā)熱損壞電池。2024/5/28223.性能計算和實驗驗證2.驗證懸停時間這一代表性性能指標(biāo)1.驗證在不同轉(zhuǎn)速下，模型算出的拉力大小與電調(diào)電流大小是否與實際相符圖片4.6實驗驗證設(shè)備2024/5/28233.性能計算和實驗驗證驗證在不同轉(zhuǎn)速下，模型算出的拉力大小與電調(diào)電流大小是否與實際相符表.實驗參數(shù)表比較相符比較相符環(huán)境參數(shù)h=50m,Tt=25℃螺旋槳參數(shù)APC10x45MR(Dp=10inch,Hp=4.5inch,Bp=2)電機參數(shù)SunnyskyAngelA2212(KV0=980RPM/V,

Rm=0.12Ω,Um0=20V,Im0=0.5A,ImMax=20A)電調(diào)參數(shù)IeMax=30A,

Re=0.008Ω電池參數(shù)ACE(Cb=4000mAh,

Ub=12V,Rb=0.016Ω,Kb=25C)圖4.7油門-速度與電流-速度曲線虛擬飛行器參數(shù)G=14.7N,nr=4環(huán)境參數(shù)和動力系統(tǒng)參