The invention provides a method for efficiency optimization and fitting selection of a power system of a multi-rotor aircraft. Based on the optimization method, considering the design requirements and motor safety constraints, it synthetically optimizes the efficiency of motor and propeller, and obtains the optimal selection method of power system accessories for multi-rotor aircraft. This method is fast and effective. Analytical method is used to obtain the optimal propeller and numerical method is used to obtain the optimal motor, which avoids a large number of trial and error experiments by traditional methods. There are four steps in this method: first, the optimal number of propeller blades is obtained by knowing motor parameters; second, the optimal pitch angle of propeller is obtained by knowing motor parameters and blades; third, the optimal diameter of propeller is obtained by knowing motor parameters, blades and pitch angle; fourth, the optimal diameter of propeller is selected according to optimization constraints. Motor propeller assembly.
【技术实现步骤摘要】
一种多旋翼飞行器动力系统的效率优化选型方法
本专利技术涉及一种多旋翼飞行器动力系统的效率优化及配件选型方法，属于无人机设计领域。
技术介绍
随着多旋翼飞行器技术的发展，续航时间不足的问题变得越来越突出。在电池技术遭遇瓶颈的情况下，提高动力系统的效率是一个直接有效的方式来提高多旋翼的续航时间。多旋翼动力系统有四个主要部件：电机，螺旋桨，电子调速器和电池，其中，电机和螺旋桨是决定动力系统效率的主要部件。电机-螺旋桨组合的效率与电机参数，螺旋桨参数和实际的飞行条件有着复杂的关系。实际设计过程中经常需要进行大量的试错实验来确定高效的电机-螺旋桨组合，但是这种方法效率低而且成本高。所以，设计一种快速有效的动力系统优化方法来确定最优的电机-螺旋桨组合，是非常有意义和实用价值的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多旋翼飞行器动力系统效率优化方法，通过对动力系统的效率进行优化来确定最优的电机-螺旋桨组合。本方法快速有效，降低了项目验证中的原型设计需要，以及开发和制造的成本。多旋翼动力系统设计需求如下：多旋翼动力系统的功率传输如图1所示。螺旋桨的输出拉力T(单位：N)由飞控发送...
【技术保护点】
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Thover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
【技术特征摘要】
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Thover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，PmHover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Θm和螺旋桨参数Θp，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Dp与螺距Hp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Thover，Rm成反比；和ρ，KE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Θm，得到最优的螺旋桨ΘpOpt，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：全权，戴训华，任锦瑞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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