CC BY
11
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 05.10.2023; одобрена после рецензирования 17.11.2023; принята к публикации 20.11.2023.
The article was submitted 05.10.2023; approved after reviewing 17.11.2023; accepted after publication 20.11.2023.
Научная статья УДК 621.31.03 Код ВАК 4.3.2
doi: 10.24412/2078-1318-2023-5-113-120
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В ПРОГРАММЕ SIMINTECH
Н.Ю. Курченко1 И, Н.С. Баракин1
1Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина,
Краснодар, Россия И [email protected]
Реферат. Распространенным понятием в последние годы стало «точное земледелие» -концепция управления сельскохозяйственным предприятием, которая использует различные цифровые решения, в том числе и беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для измерения, наблюдения и реагирования на изменчивость, обнаруженную в культурах [5]. Использование потенциала беспилотной авиации в сельском хозяйстве позволяет существенно уменьшить трудозатраты за счет сокращения рутинной работы персонала. В последнее десятилетие идет активное развитие беспилотной авиации. Рынок постоянно пополняется новыми моделями с более совершенными характеристиками и материалами. Применяются различные конструкции, находятся новые области применения и разрабатываются новые методики. Повышается квалификация персонала, обслуживающего БПЛА, вокруг данной технологии создается целая инфраструктура. Основной сдерживающий фактор развития на сегодняшний день - ограничение емкости аккумуляторной батареи, как следствие - сокращение времени полета. Грузоподъемность современных БПЛА достигает 70 кг, что позволяет им конкурировать с наземной техникой, увеличивая при этом эффективность работ, что в последствии позитивно сказывается на технико-экономических и экологических параметрах производства. Широкий круг выполняемых задач подразумевает различный режим работы автономного источника для необходимой дозарядки АКБ беспилотных летательных аппаратов. Моделирование системы «автономный источник - нагрузка» в виде зарядного устройства для АКБ в программном комплексе SimInTech позволяет оценить энергопотребление и рассмотреть режим работы генератора. Имитационная компьютерная модель позволяет задавать с помощью блока программирования различные режимы дозаряда АКБ дронов и получать электрические выходные параметры генератора.
Ключевые слова: БПЛА, автономный источник, зарядное устройство, компьютерная модель
Цитирование. Курченко, Н.Ю., Баракин, Н.С. Моделирование режимов работы автономного источника для БПЛА в программе SimlnTech // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 5 (74). - С. 113-120, doi: 10.24412/20781318-2023-5-113-120.
SIMULATION OF THE OPERATING MODES OF AN AUTONOMOUS SOURCE FOR UAVS IN THE SIMINTECH PROGRAM
N.Y. Kurchenko1 M, N.S. Barakin1
:Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin, Krasnodar, Russia;
Abstract. A common concept in recent years has become «precision farming» - the concept of managing an agricultural enterprise that uses various digital solutions, including unmanned aerial vehicles (UAVs) to measure, monitor and respond to variability found in crops [5]. The use of the potential of unmanned aircraft in agriculture can significantly reduce labor costs by reducing the routine work of personnel. The last decade has seen the active development of unmanned aircraft. The market is constantly updated with new models with more advanced characteristics and materials. Various designs are used, in addition, new areas of application are being found and new application methods are being developed. The qualification of personnel servicing UAVs is being improved, a whole infrastructure is being created around the technology. The main limiting factor of development today is the limitation of the battery capacity and, as a consequence, the reduction of flight time, despite the fact that the payload capacity of modern UAVs reaches up to 70 kg, which allows them to compete with ground-based equipment, while increasing the efficiency of work, which subsequently has a positive effect on the technical and economic parameters of production and environmental. A wide range of tasks implies a different mode of operation of an autonomous source for the necessary recharging of the battery of unmanned aerial vehicles. Simulation of the autonomous source - load system in the form of a battery charger in the SimInTech software package allows you to estimate energy consumption and consider the operating mode of the generator. The simulation computer model allows you to set various modes of charging the battery of drones with the help of the programming unit and obtain the electrical output parameters of the generator.
Keywords: UAV, autonomous source, charger, computer model
Citation. Kurchenko N.Yu., Barakin N.S. (2023), "Simulation of the operating modes of an autonomous source for UAVs in the SimInTech program", Izvestiya of Saint-Petersburg State Agrarian University, No. 5 (74), рр. 113-120, doi: 10.24412/2078-1318-2023-5-113-120.
Введение. Согласно распоряжению от 21 июня 2023 г. № 1630-р, отрасль беспилотной авиации является развивающейся, а сферы ее использования непрерывно расширяются. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) позволяют существенно снизить трудозатраты при выполнении сельскохозяйственных операций в труднодоступных местах или после выпадения осадков, когда наземная техника не может зайти в поле [5]. БПЛА в сельском хозяйстве используются для дифференцированного внесения средств защиты растений и удобрений; позволяют исследовать текущее состояние поля на наличие очагов вредителей и сорной растительности, произвести осмотр объектов инженерной инфраструктуры и др. [4, 7].
Цель исследования - разработка имитационной компьютерной модели автономного источника питания электрооборудования БПЛА для исследования его режима работы и получения нагрузочной характеристики.
Материалы, методы и объекты исследований. Существенным сдерживающем фактором широкого применения БПЛА является наличие недостатков, связанных с использованием литий-ионных аккумуляторных батарей (АКБ), а именно - с ограниченным временем работы и необходимостью их частой зарядки. Хотя емкости батарей уже на сегодняшний день хватает на продолжительность полета более 1 ч., все же в большинстве случаев большая емкость АКБ приводит к увеличению веса БПЛА, поэтому емкость АКБ
рассчитана на среднюю продолжительность полета 15-20 минут [2]. Стремительное развитие беспилотной авиации выявило проблему нормирования режимов и способов использования БПЛА в сельском хозяйстве. Поэтому актуальной научной задачей является определение энергоэффективных и в тоже время безопасных режимов работы БПЛА и разработка полетного задания для решения конкретных задач в сельскохозяйственных процессах.
Чаще всего пилотное задание для БПЛА длится дольше 15-20 мин., поэтому предусматривают замену АКБ при посадке. Разряженную АКБ заряжают непосредственно в поле зарядным устройством (ЗУ), предназначенным для эксплуатации конкретного БПЛА. Производителем рекомендуется использование автономного источника, как правило, одной фирмы. Например, для зарядки АКБ БПЛА DЛ Agras Т30 производителем рекомендуется использование автономного генератора DЛ D9000i, который имеет двухканальный зарядный выход с поддержкой последовательного режима восстановления, т. е. способен производить непрерывный заряд АКБ для уменьшения или исключения простоя дронов, для чего необходимо иметь запасные АКБ. Современные зарядные устройства (ОЛ СНХ503-3500) имеют на входе корректор коэффициента мощности, из-за чего коэффициент мощности в процессе заряда АКБ достаточно высокий (близок к 1), а коэффициент несинусоидальности тока низкий (не превышает 3,74%), но стоимость этого устройства довольно высока [2, 8]. Уа практике в качестве автономного источника как более дешевый вариант используют серийные автономные источники электроэнергии с синхронным генератором соизмеримой мощности.
Проектирование системы автономного источника (зарядное устройство - АКБ) представляет определенную сложность, что связано с построением системы дифференциальных уравнений, описывающих каждый узел. Программный комплекс SimInTech за счет библиотеки блоков позволяет создать имитационную компьютерную модель (ИКМ), которая визуально представляет принципиальную электрическую схему. Моделирование режимов работы автономного источника и зарядного устройства для БПЛА позволяет рассмотреть загрузку генератора и определить энергозатраты (на рис. 1 представлена ИКМ автономного источника для БПЛА).
Рисунок 1. Имитационная компьютерная модель автономного источника для БПЛА (модель выполнена в программе SimInTech) Figure 1. Simulation computer model of an autonomous source for UAVs (the model is made
in the SimInTech program)
В SimInTech блок синхронного генератора («ЭЦД - Генератор синхронный») описывается дифференциальными уравнениями Парка-Горева с преобразованием от abc координат Kdq:
*d =®0 jf«, +-RS-"(* ad "* d ) + ®* q dt; * d =®0 jfuq -(* aq "* q ) "
R
_s
dt;
*id =®0Jj^-(*ad "*id) dt; =®0 j -R^--(*aq "*iq)|dt;
X
aid
R
X
v a1q
* ad XMD J
Vf/ *
d j 1d + _ f
Xas Xa1d Xa f j
ae
X
E г
El y vu _ v- Г
- XMD ; 1 aq XMQ J ad
^ Vf/ Ш
* q ! * iq
У У
v X as X aiq j
dt
= ^ (Mt " Me ) = ^ (Mt "(*d'q "*q'd )) ; *f = ^ jl«f + -(* ad "*f )l dt.
(1)
где Td, Tq, Tad, Taq - проекции векторов потокосцепления в зазоре и потокосцепления реакции статора на оси dq;
Rs - активное сопротивление обмотки статора генератора;
Xas - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора генератора;
а - частота вращения ротора генератора;
а0 - частота вращения ротора генератора;
uf - напряжение обмотки возбуждения;
Tf T1d, T1q - потокосцепления обмотки возбуждения и демпферных контуров;
Rf, R1d, Rlq - активные сопротивления обмотки возбуждения и демпферных контуров;
Xaf Xald, Xalq - индуктивные сопротивления рассеяния обмотки возбуждения и демпферных контуров;
Tj - постоянная инерции турбоагрегата;
Mt - момент турбины;
Me - электромагнитный момент.
В качестве приводного двигателя в ИКМ используется блок «Двигатель дизельный (type simple model)» DE, основанный на ПИ-регуляторе скорости с уставкой по скорости roREF. Регулирование напряжения реализовано блоком «система возбуждения (type simple model)» AVR, который является корректором напряжения и моделируется апериодическим звеном первого порядка. Выходной сигнал корректора напряжения складывается с напряжением начального возбуждения Eq0, формируя входной сигнал для системы возбуждения EFE. Выходным сигналом модели является напряжение возбуждения EFD. Процесс заряда АКБ с помощью ЗУ возможно представить в виде регулируемой RL-нагрузки. В ИКМ рассматривается процесс последовательного заряда трех АКБ, которые представлены блоками «обобщенная цепь» RL1-3. Потребление электроэнергии в процессе заряда АКБ непостоянно, поэтому функцию изменения нагрузки как изменение активно-индуктивного сопротивления можно реализовать с помощью блока программирования PL. Режим работы заряда АКБ реализуется блоками «кусочно-постоянная» Т1-Т3. В ИКМ используются следующие допущения: в течение полета АКБ полностью разряжаются; коэффициент мощности равен 1 ЗУ.
Результаты исследований. Рассмотрим работу ИКМ автономного источника для БПЛА на примере внесения комплексных гербицидов для пшеницы на поле площадью 160 Га. Использовались два БПЛА типа DJI Agras T30, высота полета - 3 м, ширина захвата - 9 м, время одного полета составляет 10 мин., производительность одного БПЛА - 3,5 га/полет. Для каждого БПЛА применялись три батареи: две находились на зарядке, а одна использовалась БПЛА. Так как коэффициент мощности ЗУ близок к 1, индуктивность в блоках RL1-3 отсутствует. В ИКМ рассматривается ЗУ типа DJI CHX503-3500, в блок PL заложена функция изменения блоков RL1-3, приведенная в статье [2] (рис. 2).
JR(t) = 17,92-10,51-1, t < 0,17 ч;
{R(t) = 16,1-e43'86(t-0Д7), t > 0,17 ч; (2)
3 000 2 500
ь Ш
о 2 000 х
3
о
s
S 1 500 5
(Li
d: с; ю
S. 1 000
н
о
с
500 0
0.05 0.1 0.15 0.2 025
Время, t (ч)
Рисунок 2. График потребляемой мощности при зарядке одной АКБ БПЛА в течение времени t Figure 2. Graph of power consumption when charging one UAV battery over time t
Для настройки блоков «Двигатель дизельный (type simple model)» и «ЭЦД - Генератор синхронный» используем параметры генератора автономного источника A-ipower AD9500TEA той же мощности 9 кВА, что и многофункциональный инверторный генератор DJI D9000I. В ИКМ использованы стандартные настройки блока «Двигатель дизельный (type simple model)», а настройки блока «ЭЦД - Генератор синхронный» определены согласно паспортным данным синхронного генератора (номинальная мощность - 380 В, номинальная мощность - 9 кВА, номинальный коэффициент мощности - 0,8, номинальная скорость вращения - 1500 об/мин, номинальная частота -50 Гц).
На практике время полета может быть существенно меньше 10 мин., оно зависит от нескольких факторов. Например, выбирается оптимальное стационарное место посадки, где происходит замена АКБ и заправка БПЛА раствором гербицида. Очевидно, что БПЛА необходимо преодолеть разные расстояния при полетах для опрыскивания всего поля. Кроме того, операторы стараются вернуть БПЛА для замены АКБ при их разряде до 20-30% от емкости для исключения аварийных ситуаций. Таким образом, для непрерывной работы БПЛА необходимо использовать 3 АКБ. Результатом моделирования является нагрузочная диаграмма автономного источника для БПЛА, которая приведена на рис. 3.
8 000 5 500 5 000
н
£П
j 4 500
£
S 4 000
3"
| 3 500
| 3 000
w
ц 2 500
т
<u
p- 2 000
□
C 1 500 1 000 500
0 -
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Время, t(4)
Рисунок 3. График потребляемой мощности при зарядке АКБ БПЛА в течение 1 часа Figure 3. Graph of power consumption when charging the UAV battery for 1 hour
График потребляемой мощности (рис. 3) представляет собой нагрузочную диаграмму автономного источника: максимальная активная мощность составляет 6326 Вт, средняя активная мощность - 3930 Вт, при этом за час персонал обеспечивает замену АКБ БПЛА до 6 раз, при этом возможен одновременный заряд двух АКБ.
ИКМ позволяет получить данные для расчета расхода количества топлива для автономного источника за необходимый период времени, которое определяется по известной формуле [3]:
Qt = gt • ph • Т, (3)
где Gt - удельный расход топлива (0,25 кг/кВт-ч для дизельного генератора, 0,35 для бензогенератора);
T - время работы, ч.;
Рн - потребляемая мощность, Вт.
Потребляемую электроэнергию Wн (Рн T) в ИКМ можно получить с помощью блоков «ЭЦ - Среднее значение за период» или «Интеграл от табличной функции» (на рис. 1 не показаны).
Расчет по формуле (3) показал, что при потреблении электроэнергии 3,93 кВт/ ч количество дизельного топлива для автономного источника составит 0,98 л, соответственно, для заряда АКБ БПЛА в течение одной смены необходимо 7,86 л. Поле в 165 Га обрабатывается в течение одной смены двумя БПЛА, поэтому расчетное потребление необходимого количества дизельного топлива составляет 15,72 л. Согласно формуле (3) необходимое потребление бензина составит 22,4 л. На практике потребление топлива (бензина) составило 25 л. Расхождение теоретических данных с реальными в 8,9% возможно объяснить погрешностью в расчетах. Кроме того, возможно случайное включение электроприемников [1], т. е. погрешность в расчетах может быть связана с дополнительным потреблением неучтенных электроприемников (например, заряд систем управления БПЛА или питания насосных установок).
Выводы. Таким образом, разработанная ИКМ автономного источника для БПЛА позволяет рассматривать режимы работы автономного источника с синхронным генератором
с построением нагрузочной характеристики (рис. 3). На основании полученной характеристики возможно рассчитать необходимое количество топлива, оценить пиковое потребление электроэнергии и необходимую мощность генератора. Так, для внесения комплексных гербицидов на поле пшеницы площадью 160 Га необходим автономный источник мощностью 9 кВА для питания трех постов заряда АКБ, обеспечивающих непрерывный процесс работы двух БПЛА. При этом необходимый объем топлива составит 22,4 л (бензина), что сходится с реально полученными данными - 25 л (погрешность расчетов составила 8,9%).
Список источников литературы
1. Баракин, Н.С. Анализ электрооборудования мобильной почвенно-экологической лаборатории и его вероятной мощности / Н. С. Баракин, Е. Е. Баракина // Агротехника и энергообеспечение. - 2015. - № 1(5). - С. 85-95.
2. Баракин, Н.С. Исследование зарядных устройств для БПЛА / Н. С. Баракин, С. В. Оськин, И. А. Кулаков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2023. - № 188. - С. 19. - DOI 10.21515/1990-4665-188-001. - EDN OSYHXU.
3. Лукутин, Б.В. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями : учеб. пособие / Б. В. Лукутин, И. О. Муравлев, И. А. Плотников. -Томск: Томский политехнический университет, 2015. - 128 с.
4. Труфляк, Е.В. Современное состояние точного сельского хозяйства / Е. В. Труфляк, Н. Ю. Курченко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. -2017. - № 69. - С. 372-376. - DOI 10.21515/1999-1703-69-372-376.
5. Труфляк, Е.В. Оценка готовности регионов к внедрению цифровых технологий в сельское хозяйство / Е. В. Труфляк, Н. Ю. Курченко // Вестник Самарского государственного экономического университета. - 2019. - № 10 (180). - С. 22-26.
6. AI meets UAVs: A survey on AI empowered UAV perception systems for precision agriculture // Neurocomputing, 2023. vol. 518, pp. 242-270.
7. Experimental evaluation of UAV spraying for peach trees of different shapes: Effects of operational parameters on droplet distribution / Y. Meng, J. Su, J. Song, W.-H. Chen, Y. Lan // Computers and Electronics in Agriculture, 2020, vol. 170, 105282.
8. Spatio-temporal monitoring of wheat yellow rust using UAV multispectral imagery /j. Su, C. Liu, X. Hu, X. Xu, L. Guo, W.-H. Chen // Computers and Electronics in Agriculture, 2019. v. 167. 105035.
9. Vertical distribution and vortex structure of rotor wind field under the influence of rice canopy // Computers and Electronics in Agriculture, 2019, vol. 159, pp. 140-146.
References
1. Barakin, N.S. Analysis of electrical equipment of the mobile soil-ecological laboratory and its probable capacity / N. S. Barakin, E. E. Barakina // Agrotechnics and energy supply, 2015, № 1 (5), pp. 85-95.
2. Barakin, N.S. Research of chargers for UAVs / N. S. Barakin, S. V. Oskin, I. A. Kulakov // Polythematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University, 2023, No. 188, pp. 1-9. - DOI 10.21515/1990-4665-188-001. - EDN OSYHXU.
3. Lukutin, B.V. Power supply systems with wind and solar power plants: textbook. manual / B. V. Lukutin, I. O. Muravlev, I. A. Plotnikov. - Tomsk: Polytechnic University, 2015, 128 p.
4. Truflyak, E.V. The current state of precision agriculture / E. V. Truflyak, N. Y. Kurchenko // Proceedings of the Kuban State Agrarian University, 2017, No. 69, pp. 372-376. - DOI 10.21515/1999-1703 -69-372-376.
5. Truflyak, E.V. Assessing the readiness of regions to implement digital technologies in agriculture / E. V. Truflyak, N. Yu. Kurchenko // Bulletin of the Samara State Economic University, 2019, No. 10 (180), pp. 22-26.
6. AI meets UAVs: A survey on AI empowered UAV perception systems for precision agriculture // Neurocomputing, 2023, vol. 518, pp. 242-270.
7. Experimental evaluation of UAV spraying for peach trees of different shapes: Effects of operational parameters on droplet distribution / Y. Meng, J. Su, J. Song, W.-H. Chen, Y. Lan // Computers and Electronics in Agriculture, 2020, vol. 170. 105282.
8. Spatio-temporal monitoring of wheat yellow rust using UAV multispectral imagery /j. Su, C. Liu, X. Hu, X. Xu, L. Guo, W.-H. Chen // Computers and Electronics in Agriculture, 2019, v. 167. 105035.
9. Vertical distribution and vortex structure of rotor wind field under the influence of rice canopy // Computers and Electronics in Agriculture. 2019, vol. 159, pp. 140-146.
Cведения об авторах
Курченко Николай Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой физики, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина», Краснодар, http://orcid.org/ 0000-0002-9175-8102, SPIN-код: 8688-8320, Scopus author ID: 57209800503, Researcher ID: Q-4953-2017; e-mail: [email protected].
Баракин Николай Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электрических машин и электропривода, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина», Краснодар, http://orcid.org/ 0009-0000-5086-2360, SPIN-код: 2129-5026, Scopus author ID: 57200150182, Researcher ID: P-4120-2017; e-mail: [email protected].
Information about the authors
Kurchenko Nikolay Yuryevich, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department of Physics, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin", Krasnodar, Russia, http://orcid.org/ 0000-0002-9175-8102, SPIN-code 8688-8320, Scopus author ID: 57209800503, Researcher ID: Q-4953-2017; e-mail: kalya [email protected].
Barakin Nikolay Sergeevich, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electrical Machines and Electric Drive, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin", Krasnodar, Russia, http://orcid.org/ 0009-0000-5086-2360, SPIN-code: 2129-5026, Scopus author ID: 57200150182, Researcher ID: P-4120-2017; e-mail: [email protected].
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 11.10.2023; одобрена после рецензирования 20.11.2023; принята к публикации 10.12.2023.
The article was submitted 11.10.2023; approved after reviewing 20.11.2023; accepted for publication 10.12.2023.
