小型电动无人机动力系统设计和优化
微型无人机飞行控制系统设计与优化
微型无人机飞行控制系统设计与优化第一章绪论无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作为一种新兴的飞行器，具有灵活性高、应用领域广泛的优势，正逐渐成为人们关注的热点。
而微型无人机（Micro-UAV）由于体积小、重量轻的特点，具备更多潜在的应用场景。
微型无人机的飞行控制系统设计与优化，是实现其高效、稳定飞行的关键。
本章将简要介绍研究背景、目的和意义，并回顾相关研究的现状，最后给出本文的主要内容安排。
第二章微型无人机飞行控制系统的基本原理本章将阐述微型无人机飞行控制系统的基本原理，包括传感器、执行器和控制算法等方面的基本知识。
首先介绍微型无人机的基本构成和基本原理，包括飞机结构、动力系统以及遥控系统等。
然后详细阐述飞行控制系统所涉及的传感器，包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）等，以及执行器，如电机、舵机等。
最后介绍经典的控制算法，如PID控制器，以及先进的自适应控制算法，如模糊控制、神经网络控制等。
第三章微型无人机飞行控制系统的设计在基本原理的基础上，本章将详细介绍微型无人机飞行控制系统的设计。
首先，对飞行器的动力特性进行建模和分析，得到其数学模型。
接着，根据所得到的数学模型，设计合适的飞行控制器结构，并进行参数调整，以实现对微型无人机飞行状态的精确控制。
同时，还需考虑非线性和不确定性因素对控制系统性能的影响，如风速、飞行负载等。
最后，通过仿真实验验证设计的控制器的有效性和可行性。
第四章微型无人机飞行控制系统的优化在设计完成后，本章将探讨如何对微型无人机飞行控制系统进行优化。
首先，分析飞行性能指标，如稳定性、敏捷性、能量消耗等。
然后，提出优化目标和约束条件，并选择相应的优化方法，如遗传算法、粒子群优化算法等，对控制系统参数进行优化。
此外，还需考虑到微型无人机所需的实时性和计算复杂度等因素，使得优化的成本与效果达到一个平衡。
无人机系统的设计与优化
无人机系统的设计与优化随着科技的不断进步和应用，无人机已经成为了现代军事装备的重要组成部分，也被广泛应用于民用领域。
无人机系统复杂度高，设计和优化需要考虑多方面因素。
一、无人机系统设计无人机系统的设计以任务需求为基础，包括载荷需求、飞行高度和速度等。
在设计过程中，需要考虑以下几个方面。
1. 系统架构设计无人机系统的架构设计要考虑载荷需求、互联性能、应急故障处理等因素。
系统主要包括无人机、地面站、终端设备等部分。
在设计中，需要确定各部件的功能，以满足任务需求。
2. 无人机结构设计无人机的结构设计要考虑系统的稳定性和轻量化。
在材料选择上，需要兼顾轻量化和硬度要求，例如复合材料等材料。
飞行平台的设计要根据任务需求和实际环境条件来确定。
3. 飞行控制系统设计飞行控制系统是无人机的核心部分，包括飞控单元、传感器、通信等。
这些部分要配合地面站，实现对无人机的实时监控和控制。
在设计中，需要考虑飞行控制系统的可靠性和精度，以及对不同环境因素的适应能力。
二、无人机系统优化无人机系统优化主要是针对各种因素对系统进行改进，提高系统性能。
以下是几个需要优化的点。
1. 电力系统优化电力系统的优化是提高无人机续航时间和作战半径的一种方法。
最近涌现了很多新型电池技术，例如半固态电池和超电容器等。
这些技术的应用能够大大提高无人机电力输出和电池寿命，以及减少充电时间。
2. 通信系统优化通信是无人机系统中不可或缺的一环。
在任务执行过程中，无人机需要与地面站和其他设备进行无线通信。
通信系统的优化包括信道优化、信号强度和稳定性提升等。
此外，需要考虑通信协议的兼容性和可靠性。
3. 自主飞行系统优化自主飞行系统是无人机的未来发展方向，能够实现无人触发、自主执行任务等。
自主飞行系统的优化需要通过计算实现独立飞行和控制。
由于系统复杂度较高，需要充分考虑各种可能的情况，编写完整的程序库。
总体来说，无人机系统的设计和优化需要综合考虑多种因素，包括架构设计、电力系统和飞行控制系统等。
无人机控制系统的设计与优化
无人机控制系统的设计与优化无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）作为一种无人操控的飞行器，近年来得到了广泛的应用和发展。
无人机的控制系统是实现其飞行和任务目标的关键组成部分。
本文将探讨无人机控制系统的设计和优化，包括硬件、软件和算法等方面的内容。
一、硬件设计无人机的硬件设计包括传感器、执行器和通信模块等部分。
传感器用于获取环境信息，执行器用于实现飞行器各部分的动作，通信模块用于无线传输数据和接收指令。
在硬件设计中，需要考虑以下几个方面：1. 传感器选择和布置：传感器的选择应基于无人机的应用场景和任务需求。
常见的传感器包括GPS、惯导器、气压计、加速度计和陀螺仪等。
传感器的布置应合理，以获取准确和稳定的环境信息。
2. 执行器设计和布置：执行器包括电机、舵机和伺服电机等。
其设计应满足飞行器的动作需求，包括升降、横滚、偏航和俯仰等。
执行器的布置应考虑飞行器的平衡和稳定性。
3. 通信模块设计：无人机的通信模块应具备高效、稳定和安全的特性。
通信模块应支持无线数据传输和远程控制，同时应考虑通信距离和抗干扰能力。
二、软件设计无人机的软件设计包括飞控系统和任务规划等部分。
飞控系统是无人机的核心，用于实现飞行控制和稳定性维持。
任务规划是根据任务需求制定的飞行路径和动作规划。
在软件设计中，需要考虑以下几个方面：1. 飞控系统设计：飞控系统应具备实时性、稳定性和可靠性。
它应能感知环境信息并控制执行器实现飞行器的动作。
飞控系统应采用合适的控制算法，如PID控制或模糊控制等。
2. 任务规划设计：任务规划是根据任务需求制定飞行路径和动作规划。
任务规划应考虑飞行器的性能和环境限制，以达到最佳的任务执行效果。
常用的任务规划算法包括遗传算法、模拟退火算法和A*算法等。
3. 用户界面设计：无人机的软件设计还包括用户界面设计，用于操作和监控无人机的飞行状态和任务执行情况。
用户界面应简洁明了，易于操作和理解。
微型无人机系统的设计与控制优化
微型无人机系统的设计与控制优化第一章：引言无人机技术的发展已经进入了一个飞速发展的时期，无人机已经广泛应用于军事、民用以及商业领域。
微型无人机作为无人机家族中的一员，具有体积小、飞行灵活等特点，在特定领域有着广泛的应用前景。
本章将介绍微型无人机系统的设计与控制优化的背景和意义，并提出本文的研究目标和内容。
第二章：微型无人机系统设计2.1 微型无人机概述此处描述微型无人机的定义、特点、分类和应用领域。
2.2 微型无人机系统组成此处介绍微型无人机系统的基本组成部分，包括飞行器、传感器、通信系统、控制系统等，详细阐述各个组件的功能和作用。
2.3 微型无人机系统设计流程此处介绍微型无人机系统设计的一般流程，包括需求分析、系统设计、组件选择与设计、系统集成等步骤，强调各个步骤的重要性和相互关系。
第三章：微型无人机控制原理3.1 飞行动力学模型此处介绍微型无人机的飞行动力学原理，包括姿态控制、飞行稳定性、飞行操纵等方面的基本理论。
3.2 控制系统设计此处介绍微型无人机的控制系统设计原理，包括传感器数据获取，控制算法设计，动态建模等方面的内容。
3.3 控制器优化方法此处介绍微型无人机控制器的优化方法，包括PID控制器，模糊控制器，自适应控制器等，详细介绍各种方法的优缺点和适用范围。
第四章：微型无人机系统实例4.1 微型无人机的拍摄应用此处以微型无人机在拍摄领域的应用为例，介绍如何设计和优化无人机系统，实现高质量的拍摄效果。
4.2 微型无人机的农业应用此处以微型无人机在农业领域的应用为例，介绍如何设计和优化无人机系统，实现农田的巡查、施肥等农业作业。
第五章：微型无人机系统的挑战与展望5.1 技术挑战此处介绍微型无人机系统面临的技术挑战，如飞行稳定性、机组件小型化等方面的问题，并提出解决方法。
5.2 应用展望此处展望微型无人机系统在未来的应用领域，如环境监测、物流配送、紧急救援等，指出其潜在的市场前景和发展空间。
无人机动力系统优化设计与应用
无人机动力系统优化设计与应用随着科技的进步和无人机市场的不断发展，无人机已经成为了广泛应用于各个领域的重要工具。
然而，无人机在长时间飞行和大负荷携带方面，还存在着一些技术难题。
为了解决这些问题，无人机动力系统的优化设计与应用变得尤为重要。
本文将从无人机动力系统的优化设计和应用角度探讨该主题。
一、无人机动力系统的优化设计无人机动力系统的优化设计是指通过对无人机发动机、电机、蓄电池和推进系统等关键部件的改良和升级，以达到提高无人机续航能力、远程控制距离和承载能力等目标。
以下是几个重要的优化设计方法：1. 动力系统匹配设计：无人机动力系统的匹配设计是指选择合适的动力系统组件，并使各个组件之间的性能相匹配。
例如，通过精确计算电机、蓄电池和控制器之间的功率匹配，可以确保动力系统能够提供足够的动力来支持无人机的正常飞行。
2. 融合传统能源与新能源：传统的无人机动力系统主要依赖化石燃料，这限制了无人机的使用时间和环境影响。
为了优化动力系统设计，可以考虑将传统能源与新能源结合起来，例如太阳能和氢能源。
这样不仅能够延长无人机的使用时间，还能够减少对环境的污染，实现更加可持续的发展。
3. 优化控制算法：在无人机动力系统设计中，优化控制算法可以让无人机根据不同的飞行状态自动调整动力系统的工作状态，以保持最佳飞行性能。
例如，通过智能控制算法实现动力系统的变频调速，可以提高动力系统的效率和稳定性，降低无人机飞行能耗。
二、无人机动力系统的应用1. 农业领域：无人机在农业领域的应用越来越广泛。
优化的动力系统设计可以使农业无人机能够携带更多的农药和种子，并延长无人机的飞行时间。
这样农民可以通过无人机快速地喷洒农药或播种，提高农作物的生产效率。
2. 救援和灾害管理：在救援和灾害管理中，无人机动力系统的优化设计可以使无人机能够携带更多的救援物资，并快速到达目的地。
例如，在火灾扑灭中，无人机可以携带更多的水或消防药剂，从空中对火灾进行灭火，减少灾害损失。
小型电动无人机动力系统设计和优化
Ｐｌ。棚＝Ｕｔｏ一后，‘
（１０）
当工作电压变为ｕ’时，
Ｕ’，７０＝，７０２ｒ＋ＰＴ。
（１１）
将式（１）（９）代人（１１）得到关于空载转速ｎ ７。的非
线性方程
警１２…ｋｖ．ＰＩ。砷（翁３一Ｕｔ儿ｔ０＝０ （１２）
由此可以解出电压为ｕ’时的空载转速ｎ’。，代入 （１）式可得到空载电流，’。，再由公式（１）～（５）确定电 机性能。在实验中降低工作电压，测得空载电流为 ０．６２７Ａ，计算值为０．６２３Ａ，结果符合较好。
本文通过建立动力系统各部分的数学描述，并用 实验验证，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及 优化准则，可为总体参数设计提供依据。
１．２电机和调速器 无人机所用动力电机多为永磁直流电机，分为有
刷和无刷。无刷电机由于取消了由电刷和换向器组成 的机械接触机构，没有换向火花和机械摩擦，具有效率 高、无电磁干扰、寿命长、运行可靠等优势。特别是近 年来稀土永磁材料的发展，磁能密度和磁场强度较有 刷电机常用的铁氧体永磁材料有很大提高，无刷电机 的体积和重量减小，功率增加，已成为小型电动无人机 的首选动力。
电机说明书中只给出一个工作电压及对应空载电
流，而电机的允许工作电压范围较大，使用中可能采用
不同电压供电，空载电流也会随之改变，此时要估算效
率就需要计算出不同电压下的空载电流。根据文献
［２］，电机的损耗主要有铜耗和铁耗：
Ｐｌ。。＝Ｐｉ。一Ｐ。，＝Ｐ。叩Ｐｅ，＋Ｐｌ。。
（６）
铜耗为绕组电流引起的热损耗：
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１．６５４Ｘ（２０ ＬＯ）０６．００７８．０３
引言
小型无人机由于体积小、重量轻、机动灵活、成本 低的特点广泛用于军事和民用。采用的动力装置多为 内燃机或电动机，电动无人机由于操作简便，可靠性 高，维护方便、便于储存运输等特点，具有较高的应用 价值。
高效能小型微型无人机设计与控制技术
高效能小型微型无人机设计与控制技术无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种不搭载人员，由遥控或预设程序控制的航空器。
随着技术的不断进步和应用范围的扩大，小型微型无人机成为了各行各业的热门选择。
高效能小型微型无人机设计与控制技术在无人机应用中起到了关键的作用。
本文将重点讨论如何设计和控制高效能的小型微型无人机。
一、设计一、设计高效能无人机的设计需要注重多个方面，包括结构设计、电源系统设计、传感器和通信系统设计等。
1. 结构设计高效能无人机的结构设计应考虑飞行稳定性、飞行安全性和提高飞行效率。
其中，减小飞行阻力是提高飞行效率的关键。
因此，借鉴鸟类和昆虫的飞行特点，采用流线型、轻量化、刚性强的设计，可以减小飞行阻力，提高飞行效率。
此外，对于小型微型无人机来说，具备垂直起降能力是一项重要的设计需求。
通过引入旋翼、螺旋桨等垂直起降装置，可以使无人机在小空间内实现垂直起降，提高其适应性和灵活性。
2. 电源系统设计电源系统设计对于无人机的飞行时间和续航能力有着重要的影响。
为了提高续航能力，可以采用高能量密度的电池，如锂电池或燃料电池。
同时，采用智能管理系统对电池进行管理和监测，可以最大限度地延长电池的使用寿命，提高无人机的续航时间。
3. 传感器和通信系统设计高效能无人机需要搭载多种传感器和通信系统，以获取准确的环境信息和实时的数据传输。
例如，安装高分辨率的摄像头和红外传感器，可以实现对目标的识别和监测。
此外，采用先进的通信系统，可以实现无人机与地面控制站的远程通信和指令传输。
二、控制高效能无人机的控制技术是实现飞行稳定和任务完成的关键。
在控制系统中，包括飞行控制、自主导航、避障和任务规划等模块。
1. 飞行控制飞行控制是保证无人机稳定飞行的基础。
其中，姿态控制和轨迹控制是重点。
姿态控制可以通过陀螺仪和加速度计等传感器获取无人机的姿态信息，然后采用控制算法，实现对无人机的准确控制。
轨迹控制则涉及到飞行轨迹的规划和跟踪，可以通过可编程控制器和导航系统实现。
微型无人机飞行控制系统设计与优化
微型无人机飞行控制系统设计与优化无人机技术的快速发展带来了无限的可能性，微型无人机作为其中一种类型，具有体积小巧、灵活性强的特点，逐渐受到广大人们的关注与追捧。
然而，微型无人机的飞行控制系统设计与优化是其能否成功实现飞行任务的重要关键。
因此，本文将对微型无人机飞行控制系统的设计与优化进行深入探讨。
一、微型无人机飞行控制系统设计微型无人机飞行控制系统设计的目标是实现对无人机飞行状态的稳定控制，确保其能够在预定的航迹上飞行。
在设计过程中，需要考虑到以下几个方面：1. 传感器选择与配置：传感器是飞行控制系统的重要组成部分，可以提供飞行状态的监测与反馈。
在微型无人机的控制系统中，常用的传感器包括惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（GPS）和视觉传感器等。
根据无人机飞行任务的需求，选择合适的传感器，并进行合理配置，以确保飞行控制系统能够准确获取飞行状态信息。
2. 控制算法的设计：微型无人机的控制算法是飞行控制系统实现飞行稳定的核心部分。
传统的控制算法包括PID 控制算法和模糊控制算法等，但由于微型无人机的灵活性与敏捷性要求更高，因此需要设计更加精密的控制算法。
其中，基于模型的控制算法如模型预测控制（MPC）算法和自适应控制算法等被广泛采用，可以提高对无人机飞行状态的精确控制。
3. 通信与数据处理：微型无人机的飞行控制系统通常需要与地面控制站进行通信，将飞行状态信息传输到地面，并接收指令进行控制。
因此，需要设计飞行控制系统的通信模块，并进行数据处理与传输的优化，以保证飞行控制系统的实时性和可靠性。
二、微型无人机飞行控制系统优化微型无人机飞行控制系统的优化旨在提高飞行控制系统的性能和稳定性，使其能够应对更加复杂和极端的飞行环境。
在优化过程中，可以从以下几个方面进行改进：1. 传感器精度的提升：传感器的精度直接影响着飞行控制系统对于飞行状态的监测和反馈。
因此，可以通过选择更高精度的传感器或者进行传感器校准来提高飞行控制系统的性能。
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Ｐ。。孵＝，ｒ
（７）
铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗”Ｊ：
ＰＩ。。一ｃＩ√‘３磷Ｇ
（８）
式中：Ｃ‰为铁心损耗系数，／为磁场的交变频率，Ｂ。 为最大磁通密度，Ｇ为铁心重量。
磁场不饱和时，电机磁场的平均磁通密度不随电 流变化Ｌ３ Ｊ，铁耗只随转速变化，即
，ｎ、１．３
ＰＩｍｎ＝ｌ｝｝Ｐ枷
（９）
ｎ。为空载转速，可将，０代人式（１）后得到，Ｐ。。∞为 空载时的铁耗：
关键词：电动；小型无人机；动力系统；无刷电机
中图分类号：Ｖ２２１．６
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１．６５４Ｘ（２０ ＬＯ）０６．００７８．０３
引言
小型无人机由于体积小、重量轻、机动灵活、成本 低的特点广泛用于军事和民用。采用的动力装置多为 内燃机或电动机，电动无人机由于操作简便，可靠性 高，维护方便、便于储存运输等特点，具有较高的应用 价值。
ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ，ｂａｔｔｅｒｙ，ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｌｅ ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ ｐｒｅ－
ｅｉｓｅ，ａｎｄ ｃａｉｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ＵＡＶｓ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．
［３］ 刘锦波，张承彗，等．电机与拖动［Ｍ］．北京：清华大学出
版社．２００６：１８—４０．
［４］Ｆａｎｇ Ｄｅｎｇ，Ｔｈｏｍａｓ Ｗ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｅｄｄｙ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｏｓｓｅｓ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｐｕｌｓｅ·Ｗｉｄｔｌｌ—Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ．Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｄｉｒｅｃｔ－Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，１９９８，３４（５）：
ｔｅｒｎ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔ ｉｓ ａ ｂｉｇ ｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔａｋｅｏｆｆ－ｗｅｉｇｈｔ．Ｉｔ’ｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｅｃｉｓｅ－ ｌｙ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｌｏｉｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ａｌｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｔｈｒｅｅ
无刷电机在一定转速时的电流、扭矩计算公式‘１］
如下：
，：——』 ｕ一△ｕ一罢
（Ｉ）
肘－（，一Ｉｏ）羔
（２）
１动力系统数学描述 动力系统可分为三个部分：电池、电机和调速器、
螺旋桨。电池将化学能转换为电能；电机和调速器共 同将电能转换为机械能，并控制输出功率满足不同飞 行状态的需要；螺旋桨将轴功率转换为推力，推动无人 机飞行。 １．１ 电池
航空计算技术 AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE 2010,40(6)
参考文献(5条) 1.Dale wrence;Kamran Mohseni Efficiency Analysis for Long-Duration Electric MAVs AIAA 2005-7090 2.Mortal P Merchant;L Scott Miller Propeller Performance Measurement for Low Reynolds Number UAV Applications AIAA 2006-1127 3.Fang Deng;Thomas W Analytical Modeling of Eddy-Current Losses Caused by Pulse-Width-Modulation Switching in Permanent-Magnet Brushless Direct-Current Motors[外文期刊] 1998(05) 4.刘锦波;张承彗 电机与拖动 2006 5.刘刚;王志强;房建成 永磁无刷直流电机控制技术与应用 2008
ｕ、幻、ｒ、，ｏ由电机厂商的作为产品参数提供。
由此可得输入功率、输出功率和效率：
Ｐｉ。＝Ｕ／
（３）
６盖。Ｍ Ｐ。。。＝∞。Ｍ＝２＇ｒｒ
（４）
田田＝５Ｐ≠Ｆ
（Ｌ）５Ｊ）
根据以上方法算得效率与实验数据对比如图１所
收稿日期：２０１０．０５．０４
作者简介：梁冰（１９８４一），男，陕西兴平人，硕士研究生。研究方向为飞行器总体设计。
电池为电机和调速器提供电压和电流，在工作时 输出电压不断降低，初步设计时应以标称电压为准。 同时电池会有最大输出电流限制，并且电流越大实际 放出的能量越少。
式中：，为工作电流（Ａ），Ｍ为扭矩（Ｎｍ），Ｕ为工作电 压（Ｖ），ａＵ为电子调速器的导通压降（可忽略），Ｊ／，为
转速（ｒｐｍ），勋为电机固有参数（ｒｐｎｖ＇Ｖ）；ｒ为内阻 （ｎ）；，０为电机在电压为Ｕ时的空载电流（Ａ）。其中
●
万方数据
２０１０年１１月
梁冰等：小型电动无人机动力系统设计和优化
·７９·
示，在电机最大工作电流附近相对误差为３％～７％， 小电流时为２２％。
Ｏ８
Ｏ６
０４
Ｏ２
Ｏ
４
６
８
１０
１２
ｌ｜Ｋ
效率一电流曲线
调制（ＰＷＭ），通过调整占空比，改变绕组的平均电流 实现转速和扭矩控制。然而ＰＷＭ会引起电流波动， 由此产生的磁场波动在电机各部分中引起涡流损 耗心】。文献［４］提出的方法可计算ＰＷＭ引起的损耗， 但所需的绕组电感等参数无法得到。观察实验结果后 发现，在同一扭矩下，小功率状态的功率损耗与全功率 时的近似，如图２所示。可由公式（１）～（５）计算同一 扭矩下全功率的功率损耗，代入公式（６）得到输入功 率，用于初始估算。
．８０．
航空计算技术
第４０卷 第６期
电压，并计算电机的功率损失，得到维持飞行的电池输 出功率，并根据续航时间和机载设备耗电计算电池容 量和重量，以及动力系统总重量。
Ｏ．１
Ｏ．０８
．０．０６
７－，
警 ‘Ｏ．０４
Ｏ．０２
Ｏ ４０００
８ ０００ ｎ／ｒｐｍ
１２ ０００
图３不同占空比下电机机械特性
３ 算例 美国的“Ｒａｖｅｎ”无人机采用７×５的螺旋桨，８８．８
第４０卷第６期 ２０１０年１ １月
航空计算技术
Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｖ０１．４０ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．２０１０
小型电动无人机动力系统设计和优化
梁冰，王和平，袁昌盛
（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）
摘要：小型电动无人机由于使用维护方便，可靠性高，噪声小，无污染等特点，具有较高的应用价
图３显示了电机的机械特性，调速器控制输出功 率时减小了转速和扭矩。图中还包括螺旋桨在固定空 速的扭矩一转速曲线，电机曲线和螺旋桨曲线的交点 代表扭矩平衡状态，当同一转速下螺旋桨的扭矩大于 电机最大扭矩时，电机就不足以驱动螺旋桨，此时可升 高电机工作电压，提高输出功率，但不应超过电机最大 工作电压。
实际计算时可先确定螺旋桨达到所需推力时的转 速、扭矩、消耗功率，根据转速和扭矩选择电机和工作
Ｗｈ的电池组。利用Ｈａｃｋｅｒ电机Ａ２０、Ａ３０系列的数 据，算得电池能量为７２～９８Ｗｈ，与原机数据吻合较好。
４结论
电动无人机由于电池重量大，需要在初始设计中 准确估算动力系统。实验表明，本文提出的电动无人 机动力系统性能估算和设计方法具有一定精度，可以 为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。
值。然而电池的能量密度远低于燃油，动力系统在起飞重量中占较大比重，在初始设计中就需要准
确估算动力系统重量和性能。以保证续航性能。通过建立动力系统中电池、无刷电机和调速器、螺
旋桨三个部分的数学描述，提出动力系统的性能估算和设计方法，以及优化准则。实验表明，方法
具有一定精度，可以为无人机的初步设计和动力系统选择提供依据。
以上计算的是无刷电机在全功率状态的性能，实 际无人机为满足最大推力会选用大功率电机，在续航 时需要降低功率，常用的方法是调速器采用脉冲宽度
万方数据
图２不同占空比下功率损失一扭矩曲线
１．３螺旋桨 小型无人机常采用航模的螺旋桨，文献［５］对航
模螺旋桨做了系统的风洞实验，可利用其结果插值计 算螺旋桨的推力、扭矩等性能。
２动力系统设计 在电动无人机的总体设计过程中，要求动力系统
满足各飞行状态下的最大推力要求，在续航期间提供 所需的推力并为机载设备供电。对动力系统而言，高 效率等同于最小的电池容量，与之对应的是最小电池 重量，可将动力系统总重量最小作为优化目标。实际 优化过程中，动力系统各部件都采用现有产品，设计变 量为有限个数的离散值，可以直接搜索满足要求的最 优值和各部件配置。
［５］
３７２８—３７３６．
Ｍａｎａｌ Ｐ Ｍｅｒｃｈａｎｔ，Ｌ Ｓｃｏｔｔ Ｍｉｌｌｅｒ．Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｎｕｍｔ）ｅｒ ＵＡＶ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｒ］．ＡＩＡＡ ２００６一１１２７．
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＳｍａｌＩ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
１．２电机和调速器 无人机所用动力电机多为永磁直流电机，分为有
刷和无刷。无刷电机由于取消了由电刷和换向器组成 的机械接触机构，没有换向火花和机械摩擦，具有效率 高、无电磁干扰、寿命长、运行可靠等优势。特别是近 年来稀土永磁材料的发展，磁能密度和磁场强度较有 刷电机常用的铁氧体永磁材料有很大提高，无刷电机 的体积和重量减小，功率增加，已成为小型电动无人机 的首选动力。