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大功率、高压容错驱动系统,有望实现载人无人机全电力推进

2023-06-15


  近年来,随着无人机行业的持续升温,应用领域的持续扩展,整个消费级无人机市场迅速膨胀,为新一轮科技革命和产业变革带来更多可能。

无人机可分为民用无人机和军用无人机,其中民用无人机可分为消费级无人机和工业无人机。消费级无人机从一开始只是作为满足摄影、航模爱好者业余爱好的简单民用无人机,但2010年后,民用无人机因为小型化、智能化、低成本的优势特点,不仅消费级无人机在市场上开始广泛应用,工业无人机也在测绘与地理信息、农业等领域成为新兴力量。

特别是在后新冠肺炎时代,无人机技术的重要性愈加凸显。2021年8月,美国启动了新冠疫苗无人机投递项目。同年9月,印度联邦部长也宣布开展为期28天的试点项目——“天降良药”,组建无人机网络将新冠疫苗和药品、血液样本配送到印度最难到达的地方。基于此,标志着无人机正式进军医疗领域。

在无人机发展历程上,第一波消费级无人机的出现具有重要里程碑的意义,也为后续发展奠定了基础。

其主要特征就是具备易操作的远程控制功能和基本的摄像功能。从公园里的休闲飞行到有组织的无人机竞赛活动,从航拍爱好者到专业的媒体摄影,无人机成功吸引了各个年龄段的好奇心和注意力,接受度增加的同时,人们对无人机技术的功能也提出了新的需求,这无疑推动了无人机行业的整体发展,将其推向更新更高的发展领域。

现如今,无人机已经在飞行控制系统上取得了显著的进步,稳定性、机动性和整体飞行性能都得到显著改善。这些进步使得无人机由“空中机器人”转变为高性能高可靠的“空中平台”。

其中一项关键创新技术是陀螺仪和加速度计的集成,甚至可以说给无人机飞行稳定性和控制带来了革命性的发展。这种集成传感器通过对角速度、加速度和姿态的精确测量,能够持续实时监控无人机的方向和运动,同时复杂的飞行控制算法可以迅速对无人机的电机和控制进行调整。这种精准的控制机制大大增强了无人机的稳定性,即使是在相对恶劣的条件下或遇到外部干扰时,无人机依然能够保持稳定的飞行。

飞行稳定性和控制方面的进步促进了无人机智能飞行系统的发展。这些系统借助计算机视觉功能,自动识别和避开障碍物,并且利用复杂的算法和人工智能来提高飞行性能和优化任务执行。智能飞行系统还支持主动跟踪、目标识别和高级飞行模式等功能。

此外,无人机又引入了自动飞行模式,该模式下无人机可以自主执行预定的任务,如航路点导航、跟随模式和返航功能。自动飞行模式不仅初学者更容易操作上手,可以实现更复杂的操作,还为无人机应用开辟了新的可能性。例如航空摄影、搜索和救援、基础设施检查、精准农业等领域。

随着飞行稳定性和控制方面的进步,无人机在提高续航力和航程方面上也取得了重大进展。一个关键因素是电池技术的发展。锂聚合物(LiPo)电池由于其高能量密度和轻质特性已成为无人机的首/选电源。这种电池改进了能量存储方式,能让无人机在空中停留更长的时间。另一个关键因素则是电源管理系统的进步。集成电压调节器和优化的配电系统能够最大限度地减少电力浪费,最大化飞行时间。此外,智能电池管理系统能够实时反馈无人机的电池健康状况、电压水平和剩余容量等时信息。

诺丁汉(余姚)智能电气化研究院作为一家处在无人机行业前沿的公司,我们致力于推动无人机行业的进步和发展。目前,我们正在积极开发设计大功率、高压容错驱动系统——最新Maya载人无人机项目,这将是实现全电力推进载人无人机的重要一步。

相较于我院于2020年发布的F系列驱动电机系统(适用于小型无人机,携带轻载物品的应用场景),Maya载人无人机驱动电机系统能够满足更大的负载需求,可以承载一到两个成年人的重量。当无人机突破“轻载”的限制,将推动各个领域内的无人机应用催生出新的工作交互方式。

要实现这一目标,需要考虑到一个至关重要的参数,那就是续航时间。相对于传统的BLDC(Brushless Direct Current Motor无刷直流电机)电调,FOC(Field-Oriented Control 磁场定向控制)控制是目前无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)高效控制的最优方法之一。FOC控制的目的在于通过精准的控制磁场大小与方向,使得电机的运动转矩平稳,弥补了无刷(BLDC)电调在低速下很难精准控制的缺点,并且在最高转速下也可以很顺畅的进行正反转切换。

FOC控制不同于普通的方波驱动,是正弦波,噪音小且效率高。有电流(力矩)、速度、位置三个闭环控制模式,并且具备高速的动态响应。我们基于原有FOC控制开发的系统可以有效增加续航时间,相较于传统的BLDC电调,续航时间可提升15%左右。

另外一个重要参数是电机的可靠性。双绕组永磁同步电机驱动双桨叶定距螺旋桨的轻型固定翼无人机全电力推进系统的容错控制设计。FEPS设计,在爬升过程中使用两个绕组提供动力(主动/主动状态),以最大化性能;而在巡航和着陆时只使用一个绕组(主动/待机状态),以提高可靠性。

为了评估系统的容错能力,以及评估其故障暂态对无人机性能的影响。我院将FEPS(包括三相电气系统、数字调节器、传动系统遵从性和螺旋桨负载)的详细模型与无人机纵向动力学模型集成。结果表明,容错控制设计下,即使无人机在巡航期间绕组突然失效,无人机依旧能够维持之前的高度和速度,继续爬升(即使性能下降),并安全地管理飞行终止(要求停止并将螺旋桨叶片与无人机机翼对齐),成功避免了潜在的危险扭矩波动和结构振动。

我院有信心能够凭借Maya载人无人机驱动电机系统打通城市交通新航道,为个人交通提供一种既高效又环保的创新解决方案。在未来,努力实现通过无人机改变人们交通方式,向更加安全可靠便捷的无人机运输时代迈进。