Инженеры рассчитали максимальную высоту полета дронов с кабелем питания

Американские инженеры рассчитали максимальную высоту полета квадрокоптера, питаемого от кабеля разной толщины, выше которой масса кабеля и потери в нем тока не позволяют дрону поддерживать свой полет. Также они протестировали связку из двух дронов, питаемых от провода, расширяющую возможности по сравнению с использованием одного аппарата. Статья будет представлена на конференции IROS 2022, ее препринт доступен на arXiv.org.

Практически все мультикоптеры не привязаны к месту запуска и получают энергию из аккумуляторов, но есть и исключения, в которых двигатели питаются по проводу. Это не дает дрону улететь далеко, но в некоторых задачах это и не требуется. Хороший пример такой системы — дрон латвийской компании Aerones, предназначенный для мытья лопастей ветряков. Он поднимается в воздух на уровень лопастей и обрабатывает их моющим раствором, получая его через трубку и питание через провод. Схему со стационарным питанием используют и для других применений, таких как покраска и сбор яблок.

Несмотря на то, что питание дронов по проводу уже не первый год используется на практике, до сих пор есть мало работ, в которых анализируются возможность и ограничения этого подхода. Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Кушиля Срината (Koushil Sreenath) восполнили этот пробел, рассчитав основные параметры такой системы и проверив выводы на практике.

Описанная ими система состоит из квадрокоптера, соединенного с наземным источником питания через провод. Предполагается, что для снижения потерь от передачи между источником тока и дроном поддерживается высокое напряжение, которое затем понижается до рабочих значений на самом квадрокоптере. При увеличении высоты вес висящей части провода тоже увеличивается, поэтому дрону необходимо больше энергии на удержание в воздухе. Однако даже при высоком напряжении и эффективном преобразовании увеличение мощности источника питания приводит к увеличению потерь при передаче, и на определенной высоте оно уже неспособно скомпенсировать рост потерь.

Авторы проверили расчеты на квадрокоптере, подключенном к источнику питания мощностью 1200 ватт проводом длиной 7,62 метра. Источник питания выдает ток величиной до 20 ампер и напряжением 60 вольт, которое на дроне понижается до 12,6 вольт, необходимых для питания двигателей. Во время экспериментов авторы меняли толщину кабеля (10, 12 и 14 AWG), высоту полета и напряжение. Эксперименты и расчеты затрачиваемой мощности показали, что расхождения между моделью и реальным квадрокоптером не превышают пяти процентов. Также они привели пример расчета критической высоты полета. Если дрон питается по кабелю толщиной 12 AWG и зависает прямо над источником питания, то при длине кабеля выше 9,43 метра дрон уже не может подняться на максимальную высоту и полностью распрямить его.

Наконец, инженеры создали систему из двух квадрокоптеров, один из которых соединен с источником питания, а второй — с первым дроном. Это позволило ему пролететь через проем, не зацепившись проводом за препятствие.

Группа инженеров из этой лаборатории также специализируется на складных дронах. Мы рассказывали о том, как они научили дрон складывать плечи в полете для преодоления узких препятствий и захвата груза.

Григорий Копиев