[发明专利]一种多旋翼飞行器动力系统的效率优化选型方法

摘要

本发明提供了一种多旋翼飞行器动力系统的效率优化及配件选型方法。它基于优化方法，在充分考虑设计需求约束和电机安全约束的情况下，综合优化电机和螺旋桨的效率，得到使效率最优的多旋翼飞行器动力系统配件选型方法。该方法快速有效，利用解析法来获得最优的螺旋桨，利用数值法来获得最优的电机，避免了传统方法的大量试错实验。该方法有四个步骤：步骤一，已知电机参数，求最优螺旋桨桨叶数；步骤二，已知电机参数、桨叶数，求最优螺旋桨螺距角；步骤三，已知电机参数、桨叶数、螺距角，求最优螺旋桨直径；步骤四，根据优化约束，选出最优的电机螺旋桨组合。

主权项

1.一种多旋翼飞行器动力系统的效率优化及配件选型方法，其特征在于：基于优化理论，希望多旋翼飞行器动力系统在指定悬停拉力T_hover的情况下电机消耗的功率尽量小，这里引入一个常用的设计指标，即拉力效率单位：N/W；其中，P_mHover是悬停模态下的电机总输入功率；这样，优化问题表示为在满足优化约束条件的前提下，优化电机参数Θ_m和螺旋桨参数Θ_p，使得悬停拉力效率最大；优化约束条件来自两个方面：设计需求约束和电机安全约束；在电机和螺旋桨参数已知的情况下，计算得到其理论达到的最大满油门拉力，这里记为TpMax，单位：N；电机‑螺旋桨系统的尺寸，重量和成本都由TpMax直接决定；因此，为了利用电机‑螺旋桨系统的性能，TpMax应该被选的充分接近其期望值Tmax，上述约束被称为安全需求约束；电机安全约束是指，电机上的电压Um和电流Im需要在其允许范围之内，电机的电压与电流上限分别记为UmMax,ImMax；因此，优化的约束通过如下两个方程来表示：Um≤UmMax,Im≤ImMax   (3)其中，εT≈0是一个正阈值系数，取εT＝0.05；电机和螺旋桨的参数，即本问题需要优化的变量如表1所示；表1电机和螺旋桨参数表1中的螺旋桨螺距角是由螺旋桨的直径D_p与螺距H_p定义得到的，具体计算方法如下：本发明采用的多旋翼动力系统模型如下：(1)螺旋桨模型定螺距的螺旋桨的拉力T和力矩M可通过下式获得其中，N，单位：RPM，转/分，是螺旋桨的旋转速度，CT是螺旋桨的拉力系数，CM是螺旋桨的力矩系数，Dp，单位：m，是螺旋桨直径；系数CT和CM可建模为其中，参数A,ε,λ,ζ,e,Cfd是桨叶截面的翼面参数，对于相同系列的螺旋桨产品是常值参数；这些参数可近似取值如下为了得到更精确的估计结果，需要根据实验数据通过公式(5)和(6)进行辨识校正；(2)电机模型无刷直流电机的Um,Im可通过下式获得其中上述参数可以在表1中的电机参数表中找到；(3)拉力效率通过结合公式(5)和(8)，并令Im0≈0，可将电机‑螺旋桨系统的悬停拉力效率近似表示为可以看出，和T_hover，R_m成反比；和ρ，K_E成正比；这个结论对多旋翼的设计和效率分析非常有用；(4)最大拉力对一个给定的电机Θm，在已知参数CM和CT的情况下，它的理论最大拉力TpMax由电机自身约束(3)决定；将最大值Um＝UmMax和Im＝ImMax代入式(8)可得最大力矩Mmax和最大转速Nmax为进一步，将M＝Mmax和N＝Nmax代入式(5)可得该方法具体步骤如下：效率优化方法具体分为四个步骤；步骤一到步骤三的目的是对于任意给定的电机Θ_m，得到最优的螺旋桨Θ_pOpt，使电机‑螺旋桨组合拥有最大的拉力效率步骤四是根据优化约束，选出最优的电机‑螺旋桨组合；步骤一：已知电机参数Θm，求最优螺旋桨桨叶数BpOpt由公式(10)可知，拉力效率随着桨叶数B_p增大而单调递减；因此，为了最大化B_p应该尽可能小；螺旋桨桨叶数需要大于2片来保证对称性，B_p满足约束B_p≥2；因此，最优的桨叶数为BpOpt＝2   (13)步骤二：已知电机参数Θ_m、桨叶数B_pOpt，求最优螺旋桨螺距角将公式(6)代入公式(10)可得其中是与无关的正值；根据对表达式(14)的曲线分析可知，随着螺距角由0到∞变化而先增加后递减；因此，存在最大化的最优解但是，的解析解求解非常困难，因为参数由未知参数T_nom和Θ_m决定；通过统计实验分析，用如下公式来近似估计最优的螺旋桨螺距角：其中，kc≈0.85是校正系数，其值由实验或经验获得；实际设计过程中可能会出现同一系列的螺旋桨数量通常较少而且其螺距角为定值的情况；此时，通过式(15)计算得到的并不能找到对应的螺旋桨产品；遇到这种情况，可以选择为该系列螺旋桨产品的螺距角的平均值；步骤三：已知电机参数Θ_m、桨叶数B_pOpt、螺距角求最优螺旋桨直径D_pOpt对于由公式(5)和(8)描述的电机‑螺旋桨系统，随着螺旋桨直径D_p由0到∞变化而先增加后递减；当直径取D_pMaxEff时，拉力效率取得最大值此外，从电机的约束式(3)还计算得到螺旋桨直径约束Dp≤DpMax，其中注意：式(16)和(17)中的C_T和C_M需要基于前两步骤求得的B_pOpt和参数通过式(6)计算得到；因此，最优螺旋桨直径为实际中，大多数情况DpMaxEff远大于DpMax，所以步骤四：根据优化约束，选出最优的电机螺旋桨组合通过步骤一到步骤三，对于任意给定的电机，找到一个具有最优效率的螺旋桨；这样将这个电机与得到的最优螺旋桨组成一个电机‑螺旋桨组合；本步骤的目的是找到拥有最大拉力效率同时满足设计约束(2)，(3)的最优的电机‑螺旋桨组合(Θ_mOpt,Θ_pOpt)；由于电机参数Θm都是以离散形式存储的，所以解析方法并不适合解决电机优化问题，下面采用数值法从电机数据库中找到最优电机，具体的搜索算法如下：Step 1：对于电机数据库Ψm中的任意一个电机Θm,i，根据步骤一至步骤三中的方法找到最优螺旋桨ΘpOpt,i；螺旋桨参数接近最优值ΘpOpt,i的其他螺旋桨也作为备选螺旋桨，组成电机‑螺旋桨组合，进入下一步优化环节；Step 2：根据式(12)估计每个电机‑螺旋桨组合(ΘmOpt,i,ΘpOpt,i)的最大拉力TpMax,i，选出其中满足最大拉力限制(2)的电机‑螺旋桨组合，将其记为Ψ′mp；Step 3：根据式(10)估计集合Ψ′mp的电机‑螺旋桨组合的拉力效率，并找出拥有最大拉力效率的最优电机‑螺旋桨组合(ΘmOpt,ΘpOpt)。