段登燕,裴家涛,祖瑞,李建波

南京航空航天大学 直升机旋翼动力学国家级重点实验室,南京 210016

电动螺旋桨无人机应用于航拍、农药喷洒、电力巡线等越来越普及,但由于电池能量密度低,此类无人机续航时间一般较短、载重能力低,限制了其应用领域的扩展[1-4]。在期待电池技术进一步突破的同时,不断挖掘电机和螺旋桨的性能,减少功率消耗,提高飞行性能,是目前螺旋桨电动无人机普遍面临的技术问题。电机-变距螺旋桨动力系统(以下简称变距电动力系统)可同时改变转速、桨距两个量,存在桨距和转速的最佳组合,使系统功率最小[5-6]。相比电机-定距螺旋桨动力系统,其在耗能方面具有特殊优势,但如何达到最小功率点,目前研究较少。

针对变距电动力系统功率优化控制问题,国内研究较少,国外处于理论研究及试验阶段。Cazenave等设计了一种基于卡尔曼滤波估计的变距电动力系统最小功率控制策略,该方法在模型具有不确定性及外界存在小扰动时仍适用[7-8],而采用的卡尔曼滤波算法不具备自适应性,不能对模型参数和噪声特性进行在线估计及修正,可能会导致误差较大。Cohen等提出了等步长、变步长两种变距电动力系统最小功率控制方案并进行了对比,结果表明变步长方案更优[9],但所提变步长策略过于简单,对不同系统不易自适应地改变步长,可能导致前期收敛速度慢的问题。Fresk[10]、Sheng[11]等针对四轴无人机开展了变距电动力系统最小功率控制工作,但螺旋桨均处于零入流状态下,不适合目前研究较多的固定翼电动无人机、小型电动倾转旋翼机、分布式电动无人机等螺旋桨存在较大入流状态的飞行器。……