СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ ДРОНАМИ И УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГИЕЙ: ОБЗОР И БУДУЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ

В последние годы доставка "последней мили", как последний этап в цепочке поставок и распределения, представляет собой значительную проблему из-за роста новых систем доставки (Aghakhani и др., 2022). Компании становятся более инновационными в том, как они транспортируют товары, и в результате управления "точно в срок" услуги доставки увеличиваются (Beigi, Haque, и др., 2022; Beigi, Khoueiry, и др., 2022). Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) – это летающие роботы, которые могут работать автономно или телеметрически для выполнения специальных миссий. Благодаря постоянному развитию микропроцессоров и искусственного интеллекта (ИИ) стали возможны значительные улучшения в стоимости БПЛА и расширении их мобильности, что привлекает интерес пользователей и исследователей к их потенциалу в широком спектре приложений (Adnan и др., 2019; Moeinifard и др., 2022). В частности, существует множество военных и гражданских применений для этих устройств, включая услуги доставки, разминирование, сельскохозяйственные приложения (например, распыление пестицидов или проведение полевого анализа почвы), беспроводное покрытие и мониторинг (Famili и др., 2022a, 2022b; Razzaghi and Assadian, 2015). Чтобы максимально использовать БПЛА, несколько транснациональных компаний активно инвестируют в улучшение их производительности для повышения их полезности.

Исследователи все больше сосредотачиваются на энергоэффективности БПЛА, которая имеет решающее значение для их производительности. Действительно, разработка более рациональной политики управления энергией, ориентированной на энергосбережение, привлекла значительное внимание (Erfani и др., 2021; Erfani and Cui, 2022). В частности, больше внимания уделяется решению значительных проблем в системах доставки дронами, таких как генерация и хранение топлива в небольших БПЛА с неподвижным крылом. Фактически, ряд современных исследовательских тенденций и разработок, связанных с БПЛА в различных гражданских приложениях, направлены на решение их инженерных проблем, связанных с энергией, для расширенного использования (например, продление срока службы батареи). Другие исследовательские усилия были сосредоточены на классификации и выявлении ряда проблем проектирования, связанных с БПЛА, разработке алгоритмов планирования пути для БПЛА с неподвижным крылом, улучшении управления и контроля винтокрылых беспилотных летательных аппаратов, а также на моделировании и управлении квадрокоптерами (Gong and Verstraete, 2017a; Kendoul, 2012; Shraim и др., 2018). Основываясь на текущих исследованиях, данная глава представляет тщательный анализ систем управления энергией и архитектур электропитания БПЛА, с акцентом на то, как текущие технические разработки могут повлиять на их полезность.

Несмотря на применение газотурбинных двигателей в силовых установках самолетов, что характеризуется выгодным соотношением мощности к весу и увеличенным временем работы, такие двигатели, как правило, работают лучше при более высоких уровнях мощности (т.е. выше 100 лошадиных сил). Из-за их низкой топливной эффективности и высокого уровня шума они непригодны для использования в небольших БПЛА (Ahmed F. El-Sayed, 2017; Austin, 2010; Hassanalian and Abdelkefi, 2017).

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) долгое время служил основой силовых установок самолетов. Благодаря более высокой плотности энергии топлива и мощности, ДВС, в отличие от электродвигателя (ЭД), обеспечивает большее время полета и больший диапазон полезной нагрузки, что является важными характеристиками для воздушных применений. Однако следует отметить, что многоступенчатый процесс генерации энергии снижает системную эффективность ДВС (Brown и др., 2015; Sharaf and Orhan, 2014). Многие ключевые преимущества ЭД делают их подходящими для БПЛА, включая их низкие тепловые и акустические характеристики, хорошо развитые электронные средства управления, относительную простоту адаптации к автоматическому управлению, низкую стоимость, функции самозапуска и повышенную надежность – последнее особенно важно для снижения вероятности крушения из-за отказа двигателя. Электрические силовые установки подвержены отказам электронного регулятора скорости (ESC), вызванным перегревом, что может привести к плавлению корпуса ESC. Как показали недавние отчеты, дублирование компонентов может смягчить эту проблему (Brown и др., 2015; Glassock и др., 2009).

Недавно был предложен гибридный прототип БПЛА, сочетающий тепловые и электрические двигатели, использующий преимущества обоих. Несмотря на то, что результаты моделирования подтвердили улучшение продолжительности полета на 13%, система все еще сложна и не экологична (Glassock и др., 2009). Аналогично, другие исследователи обсуждали использование ЭД и ДВС в гибридной архитектуре силовой установки (Bongermino, Mastrorocco, и др., 2017; Bongermino, Tomaselli, и др., 2017; Xie и др., 2019). В настоящее время БПЛА не включают ДВС, поскольку это нежизнеспособное решение для оптимизации расхода топлива и продолжительности полета. В данном разделе обсуждаются электрические источники питания для БПЛА и потенциально интригующие стратегии снабжения для БПЛА с одним источником.

i. БПЛА на батареях
Значительная доля небольших БПЛА (например, квадрокоптеров) работает на батареях, что подчеркивает важность этого портативного источника энергии для БПЛА. Использование батарей упрощает и повышает гибкость силовых установок (Khofiyah и др., 2018). Кроме того, мало кто будет спорить, что платформы на основе батарей являются довольно рентабельными и обеспечивают длительное время полета, что является важным фактором для любителей. Тем не менее, средние небольшие БПЛА на батареях могут страдать от малой продолжительности полета из-за ограничений по весу блока. При использовании LiPo-батарей БПЛА может летать 90 минут на одной зарядке (Verstraete, Lehmkuehler, и др., 2012). Благодаря этой особенности эти небольшие БПЛА обычно используются в коммерческих целях. В отличие от многих других типов батарей, литиевые батареи имеют относительно высокую удельную энергию, что делает их идеальными для небольших БПЛА. Фактически, по оценкам, почти 90% микровоздушных транспортных средств на рынке весят менее 2 кг, имеют длину менее 100 см и питаются от LiPo-батарей (Hassanalian and Abdelkefi, 2017).

Несколько литературных источников исследовали параметры, влияющие на производительность БПЛА на батареях, используя математические формулы для приблизительного расчета емкости батареи и дальности полета. Однако ни моделирование, ни эксперименты не проводились для оценки этих выведенных математических формулировок. Большинство ученых и инженеров согласятся, что электромобиль на батареях является одним из самых сложных транспортных средств на дороге сегодня с точки зрения срока службы. Таким образом, интенсивные исследовательские усилия были сосредоточены на том, как продлить производительность и срок службы батареи, тем самым позволяя электромобилям дольше оставаться на дороге. Несмотря на достижения в характеристиках батарей, текущая технология все еще имеет ограниченный диапазон и продолжительность полета из-за удельной энергии (Traub, 2011), что делает ее неспособной удовлетворить требования многих приложений БПЛА. Кроме того, улучшения плотности энергии повлияли как на стабильность, так и на уровни безопасности. Чтобы преодолеть ограничения батарей, в литературе подробно описаны различные подходы – с особым акцентом на преимуществах топливных элементов. Действительно, при изучении их параметров производительности (например, их высокой удельной энергии) топливные элементы предлагают хорошую альтернативу батареям и другим источникам энергии для БПЛА, таким как солнечные элементы и суперконденсаторы (Mike, 2018).

ii. Замена батарей
Когда батареи БПЛА разряжаются во время полета, для их подзарядки используется замена. Процесс может быть автономным или управляемым человеком. Термин "горячая замена" относится к замене разряженной батареи полностью заряженной, пока БПЛА все еще работает; как только он присоединяется к своей точке доступа, он может снова нормально работать. Мультиагентные системы обеспечивают непрерывное обслуживание путем развертывания одного или нескольких БПЛА и управления их сотрудничеством таким образом, что точка доступа может быть бесперебойно передана от одного устройства к другому (Galkin и др., 2019). Для успеха типичной операции замены должны быть выполнены три условия: (1) наличие наземной станции, где БПЛА могут приземлиться для зарядки или смены батарей; (2) наличие роя БПЛА для постоянных приложений; (3) создание надежной системы управления для облегчения сотрудничества БПЛА. На Рисунке 1 показано, как работают методы замены и горячей замены.

Как часть инфраструктурных сетей, наземные станции устанавливаются в определенных местах, таких как города, или вдоль траекторий, соединяющих города ("Neva Aerospace Announces UAV Charging Networks | UAS VISION", n.d.). Исследователи рекомендовали несколько типичных мест для этих инфраструктурных сетей, включая опоры электропередач, сотовые вышки, уличные фонари, крыши и отдельно стоящие пилоны (Gentry и др., 2016; Saad и др., 2014). В дополнение к наземной электронике станция замены батарей также должна включать посадочную раму, бортовую схему и контактный механизм (Leonard и др., 2014). Зарядка может осуществляться через физические пути, магнитные пути или индуктивную связь; кроме того, линии электропередач, большие батареи и солнечные элементы могут использоваться в качестве источников питания для стыковочных платформ на удаленных станциях.

Недавнее исследование описало прототип мультироторного летательного аппарата для миссий большей продолжительности, который использует подход замены, при котором текущий мониторинг состояния заряда (SoC) батареи используется для поддержания рабочего статуса воздушной платформы (Williams and Yakimenko, 2018). Этот прототип требует, чтобы один квадрокоптер постоянно поддерживался в позиции патрулирования, как только уровень заряда батареи падает ниже предопределенного порога, когда SoC падает ниже этого значения. После того, как второй квадрокоптер берет на себя управление, первый возвращается на наземную станцию для подзарядки и дозаправки. Эта система циклически проходит через все БПЛА до тех пор, пока все батареи не будут разряжены или пока миссия не будет завершена. В этом исследовании то, достаточно ли заданного количества батарей для обеспечения устойчивой работы системы, определяется временем зарядки и разрядки – а не количеством БПЛА. Однако чем больше система, тем лучше производительность. На стартовой платформе замена и зарядка батарей не были автоматизированы, поэтому система все еще зависела от вмешательства человека. Кроме того, никакие датчики не использовались для какого-либо специального задания; только статичное патрулирование выполнялось во время их тестирования.

Литературные отчеты сравнивали экономику различных платформ для пополнения/подзарядки батарей. В одном исследовании подробно описывалась разработка трех станций на основе аксиоматического дизайна; авторы затем проанализировали и сравнили соответствующие факторы, такие как стоимость, сложность и покрытие. Их результаты показали, что станции пополнения лучше, когда покрытие плохое; в противном случае станции обмена лучше (Kemper и др., 2011). Кроме того, была разработана система замены с использованием онлайн-алгоритмов для решения проблем управления энергией, долговечности БПЛА и точных параметров посадки. В этом подходе использовались подъемники на основе сервоприводов для переключения и размещения батарей на гексагональном коврике, который был установлен горизонтально. Однако было обнаружено, что этот механизм замены значительно снижает производительность БПЛА (Swieringa и др., 2010).

Также сообщалось об использовании активной инфракрасной визуализации для стыковочных платформ. Эта система обеспечивает посадку с более высокой точностью днем или ночью с помощью камеры и инфракрасного фильтра (Liu и др., 2017, 2018). В этом подходе обработка изображений используется для управления операцией посадки БПЛА, что позволило сократить процесс замены с 60 секунд до менее чем 10 секунд. Хотя опубликованные исследования действительно касаются времени замены и точности посадки, сотрудничество между БПЛА недостаточно освещено; более того, улучшения в оперативном времени еще предстоит полностью исследовать с помощью миссий длительной продолжительности (Saha и др., 2011).

В недавнем исследовании Bocewicz и др. исследовали циклически повторяющиеся миссии, такие как воздушные доставки. Авторы предложили использовать мобильные станции замены батарей (MBS), которые способны перемещаться в определенные места замены согласно заранее определенному расписанию. В результате БПЛА могут взаимодействовать с наиболее подходящей станцией (станциями) для замены батарей и погрузки/разгрузки груза. При рассмотрении проблем, связанных с маршрутизацией MBS, это исследование предлагает декларативную модель маршрутизации БПЛА и MBS в попытке оптимизировать как количество БПЛА, так и пройденное расстояние. Несмотря на потенциальные преимущества, это решение, вероятно, будет применимо только к ограниченному диапазону миссий, в сочетании с тем фактом, что мобильные станции замены во многих случаях будут непрактичными. Также следует отметить, что рассматриваемое исследование было сосредоточено исключительно на задаче маршрутизации, но не имело экспериментальных результатов для случаев, когда замена не проводилась (Bocewicz и др., 2019).

iii. Подзарядка лазерным лучом в полете
Основываясь на ограничениях, связанных с наземными станциями для зарядки/замены батарей, подход замены имеет потенциал как способ расширения рабочих параметров БПЛА на батареях, тем самым улучшая их летные характеристики и полезность. В этом контексте недавний отчет описал использование беспроводной подзарядки как еще одну стратегию поддержания полета БПЛА (Galkin и др., 2019).

Структурно необходима наземная станция для подачи питания на лазерный генератор, который передает лазерный луч на БПЛА во время его полета. Приемник, встроенный в БПЛА, затем преобразует свет в электричество. Соответственно, БПЛА, оснащенный этой технологией, сможет оставаться в воздухе неопределенно долгое время без необходимости приземляться для дозаправки (Park и др., 2018). Поскольку воздушная область передачи энергии используется для подзарядки БПЛА, когда ему нужна энергия, взлеты и посадки становятся безопаснее. На крышах высотных зданий или на мобильных станциях лазерные передатчики могут избегать препятствий для лазерного луча. БПЛА и их ближайший источник энергии будут связаны радиационной связью для облегчения быстрой передачи энергии. Например, прототип LaserMotive позволяет передавать сотни ватт (Achtelik и др., 2011; Ouyang и др., 2018; Shakerian и др., 2022). Кроме того, Ouyang и коллеги продемонстрировали техническую возможность удержания квадрокоптера в воздухе более 12 часов. Их исследование было разработано для анализа полезной нагрузки, размера, способности БПЛА адаптироваться к конкретным приложениям, а также подробного описания их систем управления полетом и механической конструкции (Ouyang и др., 2018).

Когда БПЛА необходимо подзарядить лазерным лучом во время полета, аппарат должен летать на более низких высотах; более того, этот подход обычно требует, чтобы БПЛА работал в более ограниченной зоне, чтобы лазерный передатчик мог подавать энергию. Таким образом, правила FAA (Федеральное управление гражданской авиации) ограничивают полет небольших БПЛА выше 400 футов ("Small Unmanned Aircraft Systems (UAS) Regulations (Part 107) | Federal Aviation Administration", n.d.). Это же правило также определяет определенные весовые рекомендации: разрешены дроны, используемые в коммерческих или правительственных целях, весом менее 26 килограммов. Кроме того, поскольку для каждого БПЛА требуется один лазерный передатчик, количество БПЛА, которое может быть развернуто в заданной области, ограничено, что может увеличить стоимость этого подхода (Galkin и др., 2019).

iv. Привязанные БПЛА
Привязка БПЛА к фиксированному источнику питания имеет преимущество предоставления ему неограниченной автономии. Наличие постоянной подачи электроэнергии через линии связи от силовой станции устраняет необходимость в потенциально разрушительной повторной зарядке на земле или во время полета. Более того, этот подход предоставляет наземной станции безопасный и эффективный способ передачи данных от БПЛА. Обычно медный кабель служит для передачи энергии. Медные провода могут быть в восемь раз легче по весу по сравнению с полезной нагрузкой батарей и линиями электропередач; однако следует отметить, что потери мощности с медными проводами снизят эффективность. В отличие от этого, появляются передовые волоконные технологии для питания привязанных БПЛА; действительно, с помощью волоконной оптики можно передавать тысячи киловатт энергии. Кроме того, за счет устранения электрической сигнатуры оптически подаваемая энергия сделает сигнал менее обнаруживаемым. Короче говоря, развертывание волоконных технологий на больших высотах становится все более выгодным.

Что касается конкретных оперативных применений, известно, что привязанный БПЛА эффективен для постоянного мониторинга морского загрязнения в результате разливов нефти, которые могут быть потенциально разрушительными. Woodworth и др. подробно описали, как привязанные дроны полезны для сбора данных в различных приложениях (Woodworth and Peverill, 2013). Как отмечалось ранее, этот подход по своей сути ограничен тем фактом, что рабочая зона БПЛА ограничена соединительным кабелем, который не позволяет ему улетать слишком далеко от своей базовой станции. Однако БПЛА может увеличить свой диапазон за счет использования движущегося транспортного средства в качестве основного источника питания. В другом недавнем отчете Gu и коллеги описали важность привязанных БПЛА в мониторинге атомных электростанций, для которых длительное наблюдение имеет важное значение (Gu и др., 2016). Для таких ограниченных по пространству заданий привязанный кабель обеспечит постоянное питание, позволяя БПЛА летать несколько дней или даже месяцев. Несколько прототипов были разработаны и успешно развернуты в ряде наружных условий и ситуаций.

Использование водородных топливных элементов для питания БПЛА также вызывает интерес. По сравнению с использованием обычных батарей, топливный элемент значительно увеличивает продолжительность полета БПЛА (Pan и др., 2019). Например, литий-полимерные батареи имеют удельную энергию до 250 Вт·ч/кг (Kim and Kwon, 2012); для сравнения, удельная энергия системы топливных элементов, включающей баллон со сжатым водородом, может достигать 1000 Вт·ч/кг (Javadinasr и др., 2021; Verstraete, Lehmkuehler, и др., 2012). Еще одно преимущество заключается в том, что, хотя перезарядка батарей может занять много времени, процесс заправки, связанный с топливными элементами, происходит почти мгновенно.

Литературные отчеты рассматривали ряд факторов, связанных с топливными элементами, в частности плотность энергии и мощности, эффективность, характеристики разряда, температурные эффекты и общую продолжительность работы. В частности, исследователи сравнивали и оценивали три типа батарей: литий-ионные, никель-кадмиевые и никель-молибденовые (Cai и др., 2010; Donateo и др., 2017; Famili, Stavrou, Wang, Jung-Min and Park, 2021; Famili, Stavrou, Wang, Jung-Min, Park, и др., 2021; Famili and Park, 2020). Несмотря на полезную оценку каждого типа, ни один из этих отчетов не включал реальные полеты, которые предоставили бы важные данные об источниках питания во время полета – такие как их возможности и производительность в различных воздушных условиях. Поэтому топливные элементы следует рассматривать как оптимальное решение для БПЛА с более высокой продолжительностью полета при определенных весах (Evangelisti и др., 2017; Javadinasr и др., 2022). Помимо преимуществ объема водорода, топливные элементы имеют более низкую плотность энергии по сравнению с литиевыми батареями.

Также Belmonte и др. недавно описали, как БПЛА используются для проверки мобильных кранов на наличие дефектов и слабостей (Belmonte и др., 2018). Их анализ включал обзор БПЛА, работающих либо на литий-ионных батареях, либо на топливных элементах с протонообменной мембраной. С экономической точки зрения авторы пришли к выводу, что топливные элементы, как правило, дороже, поскольку они являются нишевым продуктом.

i. Недостатки: проблемы эффективности топливных элементов
Топливные элементы могут обеспечивать уровни эффективности до 60%, что, к сожалению, ниже по сравнению с литиевыми батареями (более 90%) (Hwang и др., 2013). Операции, связанные с использованием стопки топливных элементов, также требуют вспомогательного оборудования, что, как правило, еще больше снижает эффективность. Кроме того, необходимость генерации водорода на борту неизбежно увеличит сложность системы (Pan и др., 2019).

ii. Типы топливных элементов
Топливные элементы используют различные технологии. Обычно они классифицируются одним из двух способов: (a) в соответствии с их химическими спецификациями (т.е. катализаторы и электролиты) или (b) в соответствии с рабочими параметрами, такими как температура. Недавно Gong и др. сравнили наиболее часто используемые типы топливных элементов в БПЛА: топливный элемент с полимерной электролитной мембраной (PEMFC), топливный элемент прямого действия на метаноле (DMFC) и твердооксидный топливный элемент (SOFC) (Gong and Verstraete, 2017a). Как сообщается в литературе, силовые установки БПЛА обычно используют PEMFC (Pan и др., 2019). (Intelligent Energy – это фирма по производству топливных элементов, которая производит PEMFC для приложений БПЛА.) Определенные важные характеристики этой технологии топливных элементов должны быть учтены до реализации: их вес, степень высокой плотности мощности, рабочая температура и долговечность, а также время отклика на изменения нагрузки (Gong and Verstraete, 2017a; Lapena-Rey и др., 2017).

iii. Хранение топлива
При стандартной температуре и давлении плотность водорода составляет всего 0,089 кг/м³. В результате требуются громоздкие баки, чтобы позволить БПЛА нести достаточное количество топлива для требуемой миссии. Это критическое ограничение при рассмотрении размера и веса БПЛА. Кроме того, чистый водород не может храниться под чрезвычайно высоким давлением или при низких температурах по соображениям безопасности. В настоящее время БПЛА используют три вида методов хранения водорода (Gong and Verstraete, 2017a): жидкий водород, сжатый газообразный водород и химическое производство водорода. Хотя у каждого из этих методов хранения есть преимущества и недостатки, они выходят за рамки данной статьи.

i. Топливный элемент и батарея
В качестве альтернативного источника энергии для БПЛА топливные элементы имеют некоторые заметные ограничения, несмотря на их технологические достижения и привлекательные параметры производительности. Поскольку топливо и воздух должны подаваться насосами, клапанами и компрессорами, топливный элемент имеет значительную постоянную времени. Есть несколько причин задержки отклика, включая механические характеристики насоса, задержку потока и термодинамические характеристики (Ou и др., 2015). Поэтому, когда потребность в токе высока, может возникнуть "голодание" топлива, что негативно влияет на срок службы, надежность и эффективность (Ou и др., 2018). Однако, когда топливный элемент и батарея объединены для создания гибридной системы питания, отличительные преимущества использования обоих источников движения перевешивают потенциальные недостатки (Belmonte и др., 2018; Cooley и др., 2014; Donateo и др., 2017).

Питание от батареи, поскольку оно имеет более высокую емкость, быстрее и эффективнее, чем питание от топливного элемента. Поэтому этот источник питания предпочтителен для обеспечения оптимальной мощности, когда БПЛА должен выполнять более энергоемкие маневры, особенно взлет и подъем. Как только потребности в энергии становятся менее острыми, топливный элемент может взять на себя роль основного источника питания – например, во время крейсерского полета и снижения. Кроме того, он может поддерживать SoC выше рекомендуемого порога, заряжая батарею.

С помощью аппаратно-программных имитационных испытаний (HIL) Verstraete и коллеги оценили производительность одной такой гибридной силовой установки БПЛА, которая включала топливный элемент на 200 Вт и батарею (Verstraete, Harvey, и др., 2012). Были проведены различные тесты каждого источника для изучения их производительности. В этом исследовании также измерялись потребление водорода и продолжительность полета. Используя данные реального полета, записанные во время полета, HIL применялся при различных степенях колебания нагрузки в другом исследовании (Gong и др., 2014). Также изучался вклад батареи в гибридную энергосистему (Gong and Verstraete, 2014). Во время экспериментальных исследований они изучали производительность батареи в различных условиях, встречающихся во время фаз полетного задания. Кроме того, используя набор профилей миссий и скоростей, Gong и коллеги предоставили подробное описание этой силовой установки (Gong и др., 2016). Необходимо отметить один недостаток в связи с вышеупомянутыми исследованиями: в каждом отсутствует стратегия управления энергией для их системы из-за того, что разделение мощности проводилось только пассивно.

ii. Использование солнечных элементов в качестве вспомогательного источника питания
В связи с растущей важностью фотоэлектрических (PV) систем генерации, в данном отчете будет подробно изучено использование PV-систем, развернутых на мобильных платформах, таких как БПЛА. Используя PV-массивы на крыльях БПЛА, устройство может летать неограниченное время на основе солнечной энергии и в сочетании с установкой батареи для хранения энергии в ночное время (Jaw-Kuen Shiau и др., 2009). В частности, эти солнечные БПЛА идеальны для применений с высокой высотой и большой продолжительностью полета (HALE). БПЛА HALE предназначены для выполнения длительных миссий на больших высотах. Метод проектирования солнечного БПЛА был предложен Mortons и др. для оптимизации эффективности планера. Во время экспериментальных испытаний с прототипом авторы пришли к выводу, что высокий уровень солнечной энергии, накапливаемой БПЛА, перевешивает любой потенциальный недостаток от дополнительной полезной нагрузки системы генерации солнечной энергии (Lotfi и др., 2022; Morton и др., 2015).

Согласно выводам Harvey и др., PV могут снизить вес БПЛА до 59%, в дополнение к экономии топлива (Harvey и др., 2012). Таким образом, использование солнечной энергии является важной стратегией для повышения продолжительности полета БПЛА, но связано с конкретными соображениями проектирования. Важно отметить, что солнечный БПЛА должен иметь большие крылья, если он хочет максимизировать количество получаемой световой энергии. Более того, как сообщили Peng и коллеги, требуется алгоритм отслеживания точки максимальной мощности (MPPT), который состоит из простого преобразователя, датчиков тока и напряжения и недорогого микроконтроллера (Peng и др., 2018).

iii. Суперконденсатор в качестве вспомогательного источника питания
Суперконденсаторы получили значительное внимание за последние несколько лет из-за спроса на более быстрые системы накопления энергии для растущего спектра различных применений; суперконденсатор может заменить или дополнить батареи, которые медленно заряжаются и разряжаются и имеют ограниченный срок службы (Aneke and Wang, 2016). По сравнению с батареями, суперконденсаторы имеют значительно более высокую мощность и значительно более низкую плотность энергии. Кроме того, это устройство может функционировать в широком диапазоне температур, требует небольшого обслуживания и не является чрезмерно дорогим (Ruan и др., 2017). Кроме того, значительно снижаются колебания напряжения шины постоянного тока.

Все больше исследователей изучают включение суперконденсатора в гибридную энергосистему для БПЛА, тем самым облегчая дополнительный спектр архитектурных вариантов, а также увеличивая плотность мощности и обеспечивая более быстрый энергетический отклик. Топливные элементы обычно обеспечивают большую часть мощности в гибридных системах питания, в то время как другие источники действуют как вспомогательные. Для увеличения срока службы БПЛА предпочтительны топливные элементы для непрерывной работы (Li и др., 2018). Для оптимальной работы каждого источника питания обязательна установка электродвигателя.

Основываясь на доступных литературных источниках, исследователи провели оценку на основе HIL гибридной силовой установки БПЛА, включающей топливные элементы, батареи и суперконденсаторы. Чтобы изолировать и понять роль суперконденсатора, система дрона сравнивалась с системой топливный элемент/батарея; также изучалось влияние емкости суперконденсатора на эффективность топливного элемента и суперконденсатора. Исследователи показали, что суперконденсатор хорошо работает – как с точки зрения сглаживания нагрузки, так и динамического отклика. Более того, в некоторых других исследованиях, использующих ту же конфигурацию БПЛА (Gong и др., 2018), проводились реальные летные испытания с развернутым прототипом БПЛА, а полученные данные показали, что суперконденсатор может обеспечивать оптимальную мощность и устранять колебания мощности во время динамических полетов с изменяющимися условиями нагрузки. Несмотря на то, что также была показана стабилизация напряжения шины постоянного тока, отсутствовали исследования, посвященные стратегии EMS.

Наиболее эффективная архитектура для питания силовой установки БПЛА – это гибридизация, которая может сбалансировать плюсы и минусы различных источников энергии, а также решить их специфические ограничения. Следовательно, мощность должна оптимально распределяться между источниками для достижения эффективного использования энергии и продления срока службы источников питания с целью достижения высокой производительности. Для достижения этой цели должны быть реализованы системы управления питанием, чтобы распределять мощность среди доступных источников, учитывая при этом такие факторы, как эффективность, скорость, расход топлива и требуемая мощность. Этот подход предполагает активное управление мощностью, при котором блок управления энергией контролирует выходную мощность через преобразователи. Пассивный метод также применим для подачи питания на небольшие БПЛА (Liu and Peng, 2008; Zandi и др., 2011). Непосредственно подключенные к шине постоянного тока, источники питания обеспечивают движение двигателя на основе своих собственных характеристик. Устраняя дополнительные преобразователи мощности и контроллеры, можно значительно снизить сложность, вес и потери мощности (Lee и др., 2014).

Используя летные испытания и моделирование мощности, несколько исследователей изучили и оценили преимущества и недостатки активных и пассивных PMS (Lee и др., 2014; Mudiyanselage и др., 2021; Rajabi и др., 2022). Одна гибридная система питания, предназначенная для использования в низкоскоростных, дальнобойных БПЛА, состояла из батарей, топливных элементов и солнечных элементов (Lee и др., 2014). Во время моделирования Lee и коллеги подтвердили, что пассивная система управления питанием (PMS) не смогла поддерживать минимальный уровень заряда батареи, тем самым сокращая ее срок службы и увеличивая вероятность отказа системы. Напротив, с использованием активной PMS потери мощности достигли 4,7%. Однако в этом случае две PMS не сравнивались одинаково: в то время как пассивная PMS только моделировалась, активная PMS была реализована экспериментально. Кроме того, многие параметры, связанные с полетом, которые могли повлиять на данные, были упущены из виду.

Благодаря своей простоте и надежности в управлении, управление на основе правил является одним из самых распространенных методов управления. Из-за сравнительно низких вычислительных затрат стратегия управления энергией (EMS) может быть реализована в режиме онлайн с помощью такой системы (Karunarathne и др., 2010a). PMS, используемая Lee и коллегами, была разработана для управления БПЛА, работающим от топливного элемента, батареи и солнечных элементов (Lee и др., 2014). Предлагаемая PMS назначает выходную мощность источникам питания на основе требований к мощности и выживаемости батареи. Исследование, проведенное Lee и др., полагалось на солнечные элементы как на основной источник энергии, поскольку они не нуждаются в бортовом топливе. DC-DC преобразователи использовались для установки напряжения на клеммах каждого источника, используя выходы мощности PMS в качестве управляющих переменных. Топливные элементы подавали питание только в определенные интервалы мощности, чтобы БПЛА мог работать на оптимальных уровнях. В тандеме с PMS использовалась система управления батареями для предотвращения перезарядки батареи после достижения полной емкости. Для безопасной работы БПЛА рекомендуется уровень заряда батареи 45%.

Как описано в недавней статье, Yang и др. разработали стратегию конечного автомата для БПЛА на топливных элементах/батареях (Yang и др., 2018). На основе эффективности батареи и требуемой мощности логика делит область решений на пять состояний, которая включает два преобразователя, один из которых является двунаправленным для управления зарядкой и разрядкой батареи. Кроме того, использовались два PI-контроллера для создания опорных значений напряжения и мощности. Изменяя начальные условия системы, предложенная PMS могла быть проверена путем изучения производительности энергосистемы. Несмотря на то, что она была реализована в реальном БПЛА и протестирована на земле, это исследование не было реализовано.

Gao и коллеги создали EMS-ориентированный солнечный БПЛА с большой продолжительностью полета на солнечных батареях и батареях (Gao и др., 2013). Начальная фаза включала разделение фотоэлектрической (PV) энергии на три части: (a) первая часть использовалась для питания БПЛА, (b) вторая часть оставалась в хранилище для последующего использования, и (c) третья часть использовалась для зарядки батареи. Снижение солнечной радиации инициировало вторую фазу. Гравитационное планирование и накопленная энергия использовались для частичного решения дефицита мощности БПЛА. Наконец, батарея питала дрон на низкой высоте в случае полного отсутствия солнечной энергии. Согласно предлагаемой PMS, в этом имитационном исследовании также учитывался эффект ветра, что привело к экономии энергии примерно на 23,5% больше по сравнению с другой стратегией управления. К сожалению, зависимость от солнечной энергии представляет собой ограничивающий фактор для использования таких БПЛА.

Алгоритм на основе правил, представленный Savvaris и др., описывал стратегии управления, связанные с гибридной системой батарея/топливный элемент (Savvaris и др., 2016). Управляющей переменной для этого исследования была мощность по сравнению с током. В дополнение к реле для потоков мощности использовались транзисторы для активации и деактивации каждого источника. Во время работы источника питания рассматривались три режима: (a) параллельный режим, который позволяет использовать два источника одновременно; (b) режим зарядки, который заряжает батарею; и (c) режим следующей нагрузки, который учитывает нагрузку. Кроме того, были проведены эксперименты на основе HIL. На сегодняшний день реальные летные испытания еще не проводились с развернутым БПЛА, что поднимает вопрос о продолжительности полета как возможной проблеме.

В одном исследовании Lee и др. предложили использовать ограниченное термостатическое управление (CTC) (Lee и др., 2012). Как они подробно описали, солнечные элементы обеспечивают основной источник питания, который также может использоваться для зарядки батареи в случаях, когда может быть избыток мощности. Более того, их разработанный подход поддерживает SoC батареи на низком пороге во время полета (30%), чтобы обеспечить бесперебойную посадку в случае, если солнечные элементы и топливный элемент не могут обеспечить требуемую мощность. Когда SoC выше предписанного порога, батарея вносит вклад в питание. Для дополнения результатов, полученных в этом имитационном исследовании, их выводы могут быть усилены путем проведения подхода на основе HIL.

При исследовании гибридных систем питания для БПЛА должна быть реализована PMS на основе нечеткой логики для улучшения распределения мощности. Алгоритмы нечеткого управления учитывают входные данные, такие как SoC, потребность в мощности (PD) и фотоэлектрическая мощность, после чего они соответственно генерируют управляющие команды. Эти алгоритмы устанавливают приоритеты и ограничения и определяют соответствующую стратегию управления. Как правило, мощность, генерируемая либо фотоэлектрическими, либо топливными элементами, очень предпочтительна, когда речь идет о снабжении энергией БПЛА. Таблица 12 предоставляет пример фаззификации для системы управления батарея/топливный элемент (Zhang, Liu, Dai, и др., 2018). Обратите внимание, что существует три уровня состояния заряда для батареи: низкий (L), средний (M) и высокий (H). Кроме того, существует пять состояний, соответствующих нечеткой потребности в мощности (аналогично состояниям для нечеткого выходного PFC): средний (M), высокий (H), очень высокий (VH), низкий (L) и очень низкий (VL) (Erfani and Tavakolan, 2020).

Гибридный БПЛА на топливных элементах/батареях, работающий на онлайн-нечеткой EMS, был предложен Zhang и др. (Zhang, Liu, Dai, и др., 2018). Были проведены эксперименты для тестирования разработанной EMS. Программируемый DC/DC преобразователь использовался для управления выходным током топливного элемента, тем самым позволяя топливному элементу обеспечивать движение. Преобразователь не требовался, поскольку батарея была напрямую подключена к шине постоянного тока. Используя принцип баланса мощности в этом случае, его выходной ток мог быть определен косвенно. Используя состояние заряда батареи и потребность в мощности в качестве входных переменных, реализованный алгоритм смог рассчитать мощность топливного элемента в процессе нечеткой логики. В дополнение к нечеткой EMS, стратегии конечного автомата и пассивного управления сравнивались путем оценки трех различных полетных миссий: миссий с импульсной мощностью, миссий с полетной мощностью и миссий длительной продолжительности. На основе расхода топлива и состояния заряда батареи предложенная стратегия показала хорошие результаты. Однако следует подчеркнуть, что, хотя профиль потребности в мощности моделировался на испытательном стенде с использованием программируемой электрической нагрузки, никаких реальных полетов не проводилось для усиления выводов.

Karunarathne и коллеги разработали систему управления энергией и мощностью с целью оптимизации распределения мощности между ячейкой PEMFC и литий-ионной батареей (Karunarathne и др., 2010a, 2010b). Как они описали, EMS полезна для снижения потерь напряжения, вызванных концентрацией кислорода. Управляющие параметры для PEMFC определялись требуемой мощностью, SoC батареи и параметрами управления батареей. Затем краткосрочная реализация может быть обработана PMS после принятия этих решений. Включая режим понижения/повышения DC/DC двунаправленного преобразователя, PMS контролирует выход PEMFC через систему на основе правил и позволяет заряжать и разряжать батарею. Управление скоростью потока всасываемого воздуха достигается с помощью EMS путем регулирования напряжения двигателя компрессора на PEMFC. Параметры оценки функции принадлежности могут быть предсказаны с помощью адаптивного контроллера на основе ANFIS (Адаптивной нейро-нечеткой системы вывода). На сегодняшний день это имитационное исследование еще не было развернуто в экспериментальных условиях.

Zhang и др. (2012) и другие предложили объединить нечеткую логику и конечные автоматы для создания гибридного подхода (например, Park и др., 2018; Zhang и др., 2018). Что касается батарей БПЛА и топливных элементов, предпочтительна нечеткая логика; напротив, конечные автоматы используются для управления энергией, когда солнечные элементы и батареи служат источниками питания. Для изучения поведения источников питания на имитационной платформе был реализован сценарий миссии. По сравнению со стратегией термостатического управления, рекомендованной для аналогичных БПЛА, предложенная стратегия была более эффективной (Lee и др., 2012). Состояние заряда батареи, расход топлива и вклад каждого источника в процесс снабжения сравнивались.

Динамическое программирование представляет собой предпочтительную EMS по сравнению с методами нечеткой логики или на основе правил (Bradley и др., 2009). Bradley и коллеги протестировали свой предложенный алгоритм, используя различные сценарии полета, различные степени гибридизации (батареи в качестве источника питания) и учитывая расход топлива. Различные параметры были реализованы для определения оптимальной архитектуры с точки зрения улучшения продолжительности полета. Основной вывод, который возник из этого исследования, заключается в том, что гибридизация может быть выгодной с точки зрения продолжительности полета в случаях, когда топливные элементы не могут обеспечить БПЛА надежным источником питания.

Низковысотная воздушная транспортировка привлекает внимание более широкого круга логистических компаний, онлайн-ритейлеров и государственных учреждений. Преимущество дронов заключается в том, что они могут избегать геометрических препятствий и пробок на городских улицах. Более того, все более актуальные экологические факторы, включая сокращение выбросов CO2 и другие энергосберегающие подходы, усиливают потребность в сокращении использования транспортных средств и заторов. Рассматривая в совокупности, эти различные факторы продвигают развивающиеся и технологические возможности БПЛА, особенно в ролях мониторинга и доставки. Для оптимальной производительности и продолжительности работы дроны часто используют гибридные архитектурные системы питания, которые используют некоторую комбинацию топливных элементов, батарей, солнечных элементов и суперконденсаторов. Чтобы современные дроны (и дроны будущего) работали эффективно, соответствующая система управления энергией должна быть выбрана на основе оптимальных и точных методов моделирования. В дополнение к оценке современного состояния, данная глава предоставляет идеи и рекомендации для будущих исследований по управлению энергоснабжением дронов и стратегическим системам.

1. Achtelik, M.C., Stumpf, J., Gurdan, D. and Doth, K.-M. (2011), "Design of a flexible high performance quadcopter platform breaking the MAV endurance record with laser power beaming", 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, pp. 5166–5172.

2. Adnan, N., Nordin, S.M. and Bahruddin, M.A. bin. (2019), "Sustainable Interdependent Networks from Smart Autonomous Vehicle to Intelligent Transportation Networks", pp. 121–134.