[论文解读] Dynamics of Quadrotor UAVs for Aerial Networks: An Energy Perspective

Wael Jaafar, Halim Yanıkömeroğlu|arXiv (Cornell University)|May 16, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于空中网络中四旋翼无人机的闭式能量与电池动力学模型，整合了运动控制、通信与无线功率传输（WPT）。通过利用电机与电池的电气模型，推导出飞行期间的能量消耗以及激光充电期间的能量收集的精确表达式，表明在20秒的悬停-通信阶段，WPT可恢复高达2%的电池容量。

ABSTRACT

In this letter, we present a model for quadrotor unmanned aerial vehicles (UAVs), including control, communication, and wireless charging. In so doing, we investigate associated energy and battery dynamics. Indeed, energy and battery expressions are derived by leveraging motors' and battery electrical models. Through an experiment, their performances are evaluated for different parameters. The objective is to provide a simple yet practical model of quadrotor UAV consumed/harvested energy and battery dynamics for researchers conducting work on energy-efficient aerial networks.

研究动机与目标

• 为解决在新兴空中网络应用中，由于锂离子电池限制导致四旋翼无人机飞行时间短这一关键问题。
• 开发一个统一且实用的模型，将无人机运动动力学、能量消耗与电池荷电状态联系起来，以实现节能的网络设计。
• 研究外部力（如风）以及WPT对三维飞行轨迹中能量消耗与电池动力学的影响。
• 通过在真实飞行与充电条件下使用DJI Phantom 2无人机，对所提出的能量与电池模型进行实验验证。

提出的方法

• 使用旋翼转速与姿态角（滚转、俯仰、偏航）建立运动控制模型，以描述在外部力作用下的三维无人机飞行。
• 基于电机电气特性与转矩动力学，推导出推进能量的闭式表达式，包括反电动势与电阻效应。
• 将通信能量（5 W）与通过分布式激光充电（DLC）的无线功率传输（WPT）相结合，包含路径损耗与效率建模。
• 使用电气电路方程对电池动力学进行建模，包括充电电流（10 A）、标称电压（11.1 V）与容量（每节电池36,000 As）。
• 采用从[100,50,50]到[160,80,100] m的三维轨迹，施加恒定风力[−5,3,−12.74] N以模拟真实世界条件。
• 采用混合电池配置，使用两节独立的3S LiPo电池，以实现运动与充电的并行进行。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部风力如何影响四旋翼无人机在水平与垂直飞行期间的能量消耗？
• RQ2 在三维空间轨迹中，螺旋桨转速与能量消耗之间存在何种关系？
• RQ3 基于激光的无线功率传输（DLC）如何影响悬停与通信期间的电池放电与能量回收？
• RQ4 在混合运动-通信-WPT场景中，为最大化无人机续航时间，最优电池容量与充电策略为何？
• RQ5 DLC的收集能量与效率如何随距离与源功率变化？

主要发现

• 由于重力影响，垂直飞行期间能量消耗显著增加，z方向的能量消耗最高。
• 较高的螺旋桨转速可缩短飞行时间，但会增加能量消耗，峰值出现在接近悬停转速（956.29 rad/s）时，表明存在权衡关系。
• y方向正向风力有助于运动，减少能量消耗；而x方向反向风力则增加所需能量，表现出方向不对称性。
• 悬停期间进行通信的能量消耗高于飞行阶段，且当风力为零时消耗最小，能量消耗呈抛物线分布。
• 由于路径损耗，随着与DLC源距离增加，收集能量与效率下降，但可通过提高源功率加以改善。
• WPT在20秒悬停与通信期间实现了2%的电池容量净增长（从10,800 As提升），证明了实际的能量回收可行性。